Heme

Heme Grupa B. Ionul feros ( Fe2+
) în centrul protoporfirinei IX.

Model cu bile și tijă al lui Heme B

Grupul hem al hemoglobinei . Un atom de fier (Fe) în centru apare în roșu , complexat cu patru atomi de azot interiori care apar în albastru . Mai jos, cei doi acizi carboxilici COOH.

Grupul hem (din grecescul αἷμα „sânge”) este un grup protetic care face parte din diferite proteine , dintre care se remarcă hemoglobina , este formată dintr-un ion Fe2+
( feroase ) conţinute în centrul unui heterociclu organic mare numit porfirină , format din patru grupări pirolice legate între ele prin punţi de metilen . Nu toate porfirinele conțin fier, dar o fracțiune substanțială din metaloproteinele care conțin miezul porfirinei au hemul ca grup protetic; aceste proteine ​​sunt cunoscute ca hemoproteine . Grupul hem este cunoscut în primul rând ca fiind parte a hemoglobinei , pigmentul roșu al sângelui , dar se găsește și într-un număr mare de alte hemoproteine ​​importante din punct de vedere biologic, cum ar fi mioglobina , citocromii , catalaza și oxid nitric sintaza endotelială .

Funcție

Histidina s-a legat de grupul hem al unei succinat dehidrogenaze , un purtător de electroni în lanțul de transfer de electroni mitocondrial . Sfera mare semitransparentă indică locația atomului de fier . Fabricat din PDB 1YQ3 .

Proteinele hem au diverse funcții biologice, inclusiv transportul gazelor biatomice, cataliza chimică și detectarea gazelor biatomice și transferul de electroni. Ionul hem servește ca sursă sau absorbant de electroni în timpul transferurilor de electroni sau al reacțiilor redox . În reacțiile de peroxidază , molecula de porfirină servește în plus ca sursă de electroni . În transportul sau detectarea gazelor diatomice, gazul se leagă de ionul hem. În timpul detectării gazelor diatomice, legarea gazului ligand de grupul hem induce modificări conformaționale în proteina din jur.

S-a speculat că funcția evolutivă inițială a hemoproteinelor a fost transferul de electroni în fotosinteza primitivă bazată pe compuși ai sulfului , care a fost efectuat de către organismele ancestrale asemănătoare cianobacteriilor , înainte de apariția oxigenului molecular . ]

Proteinele heme și-au atins o diversitate funcțională remarcabilă prin modificarea mediului imediat al macrociclului hemului din matricea proteică. De exemplu, capacitatea hemoglobinei de a furniza eficient oxigen la țesuturi se datorează reziduurilor specifice de aminoacizi situate în apropierea grupului hem al moleculei. Hemoglobina leagă oxigenul în sistemul vascular pulmonar , unde pH -ul este ridicat și pCO
Douăeste scăzută și o eliberează în țesuturi, unde situația este inversată. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efectul Bohr . Mecanismul molecular din spatele acestui efect este organizarea sterica a lanțului de globine; un reziduu de histidină situat adiacent grupului hem devine încărcat pozitiv atunci când pH-ul devine acid (care este cauzat de dizolvarea dioxidului de carbon în țesuturi cu o rată metabolică ridicată), eliberând steric oxigen din grupul hem.

Structura chimică

Grupul hem conţine fier şi un inel de porfirină ; care corespunde unui tetrapirol ciclic , acest macrociclu este compus din 4 inele pirol legate prin punți de metină (=CH-) sau uneori denumite greșit metilen (= CH ).
Două), în centrul acestui inel se află atomul de fier (II) tetracoordonat de cele patru perechi de electroni neîmpărțiți ai azoților inelului porfirinic.

Tipuri

Maior noi

Există mai multe tipuri de grupe hemice importante din punct de vedere biologic:

		Heme A	Heme B	Heme C	Heme O
Numărul PubChem		7888115	444098	444125	6323367
Formula chimica		C 49H 56FIE 6N 4Credinţă	C 3. 4H 32FIE 4N 4Credinţă	C 3. 4H 36FIE 4N 4da DouăCredinţă	C 49H 58FIE 5N 4Credinţă
Grupul funcțional în C 3		-CH(OH) -CH Două-Departe _	-CH= CH Două	-CH( cisteină - S - il ) -CH 3	-CH(OH) -CH Două-Departe _
Grupul funcțional în C 8		-CH= CH Două	-CH= CH Două	-CH( cisteină - S - il ) -CH 3	-CH= CH Două
Grupul funcțional în C 18		-CH=O	-CH _ 3	-CH _ 3	-CH _ 3

Structura hemului B

Hem A ​ Hem A este sintetizat din Hem B. În două reacții secvențiale în care se adaugă reziduul 17-hidroxietilfarnesil (albastru) la poziția 2 și se adaugă o aldehidă (violet) la poziția 8. Este prezentată nomenclatura în verde. ]

Cel mai comun tip de hem în natură este heme B ; alte tipuri importante sunt Hem A și Hem C. Grupurile de hem izolate sunt în mod obișnuit desemnate cu litere mari, în timp ce grupurile de heme legate de proteine ​​sunt desemnate cu litere mici. Citocromul a se referă la grupul hem A în combinație specifică cu o proteină membranară pentru a forma o porțiune de citocrom c oxidază .

Alții le avem

Notă : Sistemul de numerotare a carbonului folosit mai jos este sistemul vechi folosit de biochimiști, nu sistemul recomandat IUPAC 1-24 prezentat în tabelul de mai sus.

• Hemo I este un derivat al Hemo B care se găsește legat covalent de proteine ​​în lactoperoxidază , eozinofil peroxidază și peroxidază tiroidiană . Adăugarea de peroxid cu resturile glutamil -375 și aspartil -225 ale lactoperoxidazei formează legături esterice între acești aminoacizi și grupările metil 1 și, respectiv, 5 ale grupării hem. Se crede că se formează legături esterice similare cu aceste două grupări metil în peroxidazele eozinofile și tiroidiene. Grupa Hemo l este o caracteristică importantă a peroxidazelor animale; peroxidazele din plante încorporează hemul B. Lactoperoxidaza și peroxidaza eozinofilă sunt enzime protectoare , care fac parte din mecanismul de apărare al organismului împotriva altor organisme invadatoare. Peroxidaza tiroidiană este enzima care catalizează biosinteza hormonilor tiroidieni importanți. Deoarece lactoperoxidaza distruge organismele invadatoare din plămâni și din fecale, se crede că joacă un rol protector important.

• Hemo m este un derivat al Hemo B legat covalent de situsul activ al mieloperoxidazei . Hemo m conține două legături esterice în pozițiile metil 1 și 5, la fel ca și Hemo l găsit în alte peroxidaze de mamifere. În plus, are un singur ion de sulfoniu legat între sulful unui reziduu de aminoacizi și gruparea vinil din C2, dând acestei enzime capacitatea de a oxida cu ușurință ionii de clorură și bromură , pentru a forma hipoclorit și hipobromit , doi compuși cu o concentrație foarte mare . capacitatea de microbicid. Mieloperoxidaza este prezentă în neutrofilele animale și este responsabilă de distrugerea bacteriilor și virușilor. Sintetizează hipobromit aproape „din greșeală”, deoarece este un compus mutagen, dar cantitatea de ioni de bromură prezenți în țesuturi este foarte mică.

• Hemul D este un alt derivat al hemului B, dar în care acidul propionic al lanțului lateral de la C6, care este, de asemenea, hidroxilat, formează un inel y-spirolactonă . Inelul III este de asemenea hidroxilat la poziţia 5, într-o conformaţie trans la noua grupare lactonă. Hemul D este locul de reducere a oxigenului în apă în multe tipuri de bacterii care funcționează la tensiune scăzută a oxigenului.

• Hemul S este înrudit cu hemul B prin prezența unei grupări formil în poziția 2 în loc de gruparea 2-vinil. Hemul S se găsește în hemoglobina viermilor marini. Structura corectă a Heme B și S a fost pentru prima dată elucidată de chimistul german Hans Fischer .

Numele citocromului reflectă în mod obișnuit (dar nu întotdeauna) tipul de grup de hem pe care îl conțin, de exemplu, citocromul a conține Hem A , citocromul c conține Hem C etc.

Sinteză

Procesul enzimatic care duce la producerea hemului este numit în mod corespunzător porfirinosinteză , deoarece toți intermediarii sunt tetrapiroli și sunt clasificați chimic ca porfirine.

Procesul este foarte conservat în toate viețuitoarele. La om, această cale metabolică servește aproape exclusiv pentru sinteza hemului. La alte specii, produce și substanțe similare, cum ar fi cobalamina .

Calea începe cu sinteza acidului δ-aminolevulinic (dALA sau δALA) din aminoacidul glicină și succinil-CoA din ciclul acidului citric . Enzima limitatoare de viteză din această reacție, ALA sintetaza , este reglată negativ de concentrația de glucoză și hem. Mecanismele de inhibare a ALA de către hem sau hemin apar prin scăderea stabilității sintezei ARNm și scăderea încorporării ARNm în mitocondrii. Acest mecanism are importanță terapeutică, infuzia de hem arginat sau hematină și glucoză poate avorta atacurile de porfirie acută intermitentă la pacienții cu o eroare înnăscută de metabolism în acest proces. Și funcționează prin reducerea transcripției ALA sintetazei. ]

Deși toate celulele necesită hem pentru a funcționa corect, organele implicate în principal în sinteza hemului sunt ficatul (unde sinteza hemului este foarte variabilă, în funcție de conținutul total de hem al organismului) și măduva osoasă (în care rata de producție a hemului este relativ constantă și depinde de producția lanțului de globine). Hemul poate fi privit ca o moleculă intermediară în catabolismul hemoglobinei care duce la producerea de bilirubină . Defecte ale diferitelor enzime implicate în sinteza hemului pot duce la un grup de boli numite porfirii , care includ: porfiria acută intermitentă , porfiria eritropoetică congenitală , porfiria cutanată tarda , coproporfiria ereditară , porfiria variegata și protoporfiria eritropoetică .

Degradare

Degradarea hemului

Degradarea hemului începe în macrofagele splinei , care elimină eritrocitele senescente din circulație. Într-o primă etapă, grupul hem este convertit în biliverdină , de către enzima hem oxigenază (HMOX). NADPH este folosit ca agent reducător, oxigenul este introdus în reacție și monoxidul de carbon (CO) este eliberat, în timp ce fierul care este eliberat din moleculă este sub formă de ion feric ( 3+ ). Monoxidul de carbon acționează ca un mesager celular și are un anumit rol în vasodilatație.

În plus, degradarea hemului pare a fi un răspuns evolutiv foarte conservat la stresul oxidativ. Pe scurt, atunci când o celulă este expusă la radicali liberi , există o inducere rapidă a expresiei HMOX1, care este o hemoxigenază sensibilă la stres. Această izoenzimă cataboliză grupurile hem. Motivul pentru care celulele își pot crește exponențial capacitatea de a degrada hemul ca răspuns la stresul oxidativ rămâne neclar, dar pare să facă parte dintr-un răspuns citoprotector care limitează efectele dăunătoare ale hemului liber.

HMOX1/2
                hem -------------- biliverdin + Fe3+

                      / \
               H+
+ NADPH         NADP+

                  FIE
Două              CO

În a doua reacție, biliverdina este transformată în bilirubină, prin acțiunea biliverdin reductazei (BVR):

BVR
                biliverdin ----------- bilirubina
                             / \
                     H+
+ NADPH     NADP+

Bilirubina este transportată la ficat legată de proteine ​​( albumina serică ), unde este conjugată cu acid glucuronic pentru a o face mai solubilă în apă. Reacția este catalizată de enzima UDP-glucuronid transferaza (UDPGUTF).

UDPGUTF
                bilirubină + 2 UDP-glucuronat ------------ diglucuronid de bilirubină
                                                       \
                                                    2 UMP + 2 Pi

Această formă de bilirubină este excretată din ficat prin bilă . Excesul de bilirubină în canaliculele biliare este un proces activ, dependent de energie și limitativ. Flora intestinală deconjugă bilirubina diglucuronida, transformând bilirubina în urobilinogeni . O parte din acest urobilinogen este reabsorbită în intestin și călătorește prin sânge până când este excretată cu urina de către rinichi sub formă de urobilină , care este un produs al oxidării urobilinogenului și este ceea ce dă culoarea galbenă. urină. Urobilinogenul rămas călătorește în tractul digestiv unde este transformat în stercobilinogen . Acesta este oxidat la stercobilină , care este responsabilă pentru culoarea închisă a scaunului.

Grupul hem în

În condiții de homeostazie , reactivitatea grupului hem este sub control, deoarece este introdus în „buzunarele heme” ale hemoproteinelor. Cu toate acestea, în condiții de stres oxidativ, unele hemoproteine, cum ar fi hemoglobina, își pot elibera grupele protetice. ​ Hemul non-proteic (liber) produs în acest mod este foarte toxic, cel mai probabil datorită atomului de fier conținut în inelul protoporfirinei IX, care acționează ca un reactiv Fenton pentru a cataliza producerea de liber . radicali . ^{[ citare necesară ]} Această proprietate a hemului liber poate sensibiliza o varietate de celule pentru a intra în moartea celulară programată ca răspuns la agoniştii proinflamatori, un efect dăunător care joacă un rol important în patogeneza anumitor boli inflamatorii, cum ar fi malaria . și sepsis . ]

Genele

Următoarele gene fac parte din calea metabolică a sintezei hemului:

• ALAD : acid aminolevulinic, delta-, dehidratază (deficiența cauzează porfirie deficit de ALA-dehidratază) ]
• ALAS1 : aminolevulinat, delta-, sintaza 1
• ALAS2 : aminolevulinat, delta-, sintaza 2 ((deficitul cauzează anemie sideroblastică/hipocromă)
• CPOX : coproporfirinogen oxidază ((deficiența cauzează coproporfirie ereditară) ]
• FECH : protoporfirie datorată deficitului de ferochelatază
• HMBS : hidroximetilbilan sintază ((deficiența cauzează porfirie acută intermitentă) ]
• PPOX : protoporfirinogen oxidază ((deficiența cauzează porphyria variegata) ]
• UROD : uroporfirinogen decarboxilază ((deficiența provoacă porfirie cutanată tarda) ]
• UROS : uroporfirinogen III sintază (deficiența cauzează porfirie eritropoetică congenitală)

Vezi și

• clor
• Clorofilă
• Cobalamina
• Hemopexină
• Hemin
• Respiraţie

Link- uri externe

• Wikimedia Commons are o categorie media despre grupul heme .