Биосинтез гема — метаболический многоступенчатый процесс образования молекул гема из его предшественников. Гем представляет собой плоский железосодержащий макроциклический комплекс, основу которого составляет четыре пиррольных кольца (тетрапиррол), объединённые между собой метениловыми мостиками (=СH-) и координированные двухвалентным железом (Fe2+). Гем имеет несколько типов, они отличаются как структурно, так и функционально. Но наиболее распространённым типом гема, является — гем Б.
Для позвоночных и некоторых видов прокариот (α-протеобактерий) биосинтез гема физиологически важный процесс, так как гем включается в состав многих белков и ферментов (в качестве простетической группы), которые участвуют в газообмене и переносе кислорода (гемоглобин — в эритроцитах и миоглобин — в мышцах), катализе, окислительном фосфорилировании, биотрансформации метаболитов и ксенобиотиков и защите от патогенов (каталаза, пероксидаза, цитохромы, NO-cинтаза, циклооксигеназы, миелопероксидаза и т.д.). Реакции синтеза гема у позвоночных протекает, как в митохондриях, так и в цитозоле клеток, у прокариот только в цитозоле. Практически все клетки тела позвоночных, включая и человека (кроме зрелых эритроцитов), способны синтезировать гем, однако, интенсивно этот процесс наблюдается в клетках эритропоэтической ткани красного костного мозга (проэритробластах, эритробластах, ретикулоцитах) и гепатоцитах печени.
Реакции Синтез гема включает в себя восемь последовательных реакций, протекающие как в матриксе митохондрий (1, 6, 7 и 8-я реакции), так и в цитозоле (2, 3, 4 и 5-я реакции). Начало и конец синтеза локализованы в одном компартменте — митохондрии, что позволяет эффективнее регулировать данный процесс. Количество цитозольных ферментов, как правило, на порядки выше митохондриальных, так как они слабо индуцируются модуляторами.
Синтез аминолевулината Первая реакция в синтезе молекул гема начинается в матриксе митохондрии. Глицин и сукцинил-КоА являются главными предшественниками в образовании гема. Под действием фермента АЛК-синтазы (КФ 2.3.1.37) происходит конденсация глицина с сукцинил-КоА, в результате которой образуется аминолевулинат (АЛК), углекислый газ и кофермент А. Схема реакции:
сукцинил-КоА + глицин δ-аминолевулиновая кислота + КоА + CO2.
В качестве кофермента используется молекула пиридоксаль-5'-фосфата (PLP).
Данная реакция является ключевой в синтезе гема и протекает достаточно медленно по отношению к последующим (лимитирующая стадия). Реакция регулируется аллостерически гемом, также он влияет на транскрипцию АЛК-синтазы, прекращая её синтез. Свободные ионы двухвалентного железа (Fe2+) положительно влияют на синтез АЛК-синтазы. Барбитураты усиливают индукцию АЛК-синтазы в гепатоцитах, а гемин и глюкоза аллостерически ингибируют. Образовавшийся в ходе реакции аминолевулинат из матрикса митохондрии поступает в цитозоль.
Конденсация аминолевулината в порфобилиноген Вторая реакция в процессе синтеза гема характеризуется несимметричной конденсацией двух молекул аминолевулината (АЛК) и одновременно с этим происходящая циклизация, с образованием молекулы порфобилиногена. Реакцию катализирует фермент порфобилиногенсинтаза или АЛК-дегидратаза (КФ 4.2.1.24) по следующему уравнению:
2 5-аминолевулинат порфобилиноген + 2H2O.
Эта реакция является первой общей стадией биосинтеза всех природных тетрапирролов. Фермент в качестве кофактора использует ионы цинка Zn2+, они поддерживают активность. Фермент АЛК-дегидратаза регулируется аллостерически гемом (слабо ингибируется). Ионы свинца (Pb2+) являются сильным ингибитором, связывание которых приводит к полной и необратимой инактивации фермента.
Образование гидроксиметилбилана В третьей реакции синтеза гема происходит конденсация четырёх молекул порфобилиногена и одновременно с этим дезаминирование, которые приводят к образованию линейного тетрапиррола — гидроксиметилбилана и аммиака. Фермент, катализирующий данную реакцию — гидроксиметилбилансинтаза или порфобилиноген дезаминаза (КФ 2.5.1.61). Схема реакции:
4порфобилиноген + H2O гидроксиметилбилан + 4NH3
Циклизация гидроксиметилбилана в уропорфириноген III Четвёртая реакция синтеза гема протекает в цитозоле клеток. На этой стадии под действием фермента уропорфириноген III синтазы (КФ 4.2.1.75), линейные молекулы гидроксиметилбилана подвергаются циклизации в уропорфириноген III. При катализе происходит инверсия конечного пиррольного звена (кольцо D) линейной молекулы гидроксиметилбилана, связывая его с первым пиррольным звеном (кольцо А), тем самым образуя крупную макроциклическую структуру, уропорфириноген III.
При сниженной активности или дефиците фермента уропорфириноген III синтазы наблюдается образование уропорфириногена I (неферментативно), который обнаруживается в моче и может накапливаться в клетках кожи, где окислятся под действием солнечного света до фототоксичного уропорфирина I. Заболевание, при котором наблюдается дефицит УПГ-III-синтазы называется врождённая эритропоэтическая порфирия или болезнь Гюнтера.
Образование копропорфириногена III В пятой реакции синтеза гема молекулы уропорфириногена III декарбоксилируются с образованием копропорфириногена III. Реакцию катализирует фермент — уропорфириноген III декарбоксилаза (КФ 4.1.1.37). Схема реакции:
уропорфириноген III копропорфириноген III + 4CO2.
Интересной особенностью является то, что данный фермент не использует в качестве кофермента пиридоксаль-5′-фосфат, несмотря на то, что относится к декарбоксилазам.
Реакция протекает в цитозоле, образовавшийся копропорфириноген III далее поступает в матрикс митохондрии, где происходит его дальнейшее преобразование в протопорфириноген IX. В отчёте 2008 г. показано, что некатализируемая УПГ-III-декарбоксилазой скорость реакции составляет 10–19 с–1, поэтому при pH 10 ускорение реакции данным ферментом относительно некатализируемой, т.е. каталитическая эффективность, является наибольшим для любого известного фермента и составляет 6 х 1024 М-1.
Превращения копропорфириногена III в протопорфириноген IX Шестая реакция синтеза гема протекает в матриксе митохондрии. На этой стадии копропорфириноген III поступает из цитозоля в матрикс митохондрии, где происходит его преобразование в протопорфириноген IX, под действием фермента копропорфириноген III оксидазы (КФ 1.3.3.3) Схема реакции:
копропорфириноген III + 2O2 + 2H+ → протопорфириноген IX + 2H2O + 2CO2
Окисление протопорфириногена IX в протопорфирин IX Седьмая реакция синтеза гема, в которой происходит образование молекул протопорфирина IX, путём окисления протопорфориногена IX, под действием фермента протопорфириноген IX оксидазы (КФ 1.3.3.4). Реакция протекает в митохондриальном матриксе. Схема реакции:
протопорфириноген IX + 3O2 → протопорфирин IX + 3H2O2
Протопорфирин IX является первым окрашенным тетрапирролом в синтезе гема.
Образование гема из протопорфирина IX Последняя реакция, которая завершает многостадийный процесс синтеза гема. В данной реакции происходит внедрение ионов железа (металлирование) внутрь плоского макроцикла протопорфирина IX. Катализирует реакцию фермент феррохелатаза (КФ 4.98.1.1). Схема реакции:
протогем (гем Б) + 2H+ = протопорфирин IX + Fe+2.
Феррохелатаза очень чувствительна к воздействию ионов тяжёлых металлов (Mn2+, Pb2+, Hg2+ и Cd2+), но в особенности к ионам свинца Pb2+, которые препятствуют высвобождению продукта после металлирования.
Регуляция Синтез гема относится к метаболическим процессам со строгой регуляцией, которая осуществляется за счёт аллостерического воздействия продукта — гема на некоторые ферменты, участвующие в данном процессе. Также гем, может влиять не только на активность ферментов, но и на их количество, контролируя их синтез. К модуляторам индукции ферментов относят также ионы двухвалентного железа Fe2+, стероидные гормоны (особенно половые), некоторые лекарственные средства (барбитураты, диклофенак, сульфаниламиды, эстрогены, прогестины). На синтез гема влияют и физиологические факторы, например, сатурация (насыщение) крови кислородом.
Аллостерическая регуляция Аллостерическая регуляция синтеза гема осуществляется самой молекулой, при связывании его с некоторыми ферментами. Когда концентрация образовавшегося гема достаточна для связывания с α- и β-цепями глобина (эквимолярная концентрация 1:1), происходит снижение активности АЛК-синтазы в митохондриях и АЛК-дегидратазы (в меньшей степени) в цитозоле клеток (отрицательная обратная связь).
Регуляция на уровне транскрипции и трансляции Гем влияет на транскрипцию гена АЛК-синтазы. Гем транслоцируется в клеточное ядро, где его связывание с белком-репрессором приводит к подавлению активности РНК-полимеразы II, и как следствие прекращению синтеза мРНК. Прекращение синтеза мРНК гена АЛК-синтазы снижает количество данного фермента. Таким образом, гем отрицательно влияет на индукцию АЛК-синтазы.
Ионы двухвалентного железа Fe2+ являются сильным индуктором АЛК-синтазы в ретикулоцитах. На участке 5′-UTR мРНК, кодирующей данный фермент, имеется последовательность нуклеотидов, образующая шпилечную петлю, которая называется железозависимым элементом (от англ. Iron responsive element, сокр. IRE). При высоких концентрациях железа в клетках оно образует комплекс с остатками цистеина регуляторного железосвязывающего белка (англ. Iron responsive element-binding proteins, сокр. IRP-BP — белок, связывающий железозависимый элемент). Взаимодействие железа с регуляторным железосвязывающим белком вызывает снижение сродства этого белка к IRE-элементу мРНК, кодирующей аминолевулинатсинтазу, и продолжение трансляции. При низких концентрациях железа железосвязывающий белок присоединяется к железозависимому элементу, находящемуся на 5'-нетранслируемом конце мРНК, что приводит к препятствию посадки малой субъединицы рибосомы и инициация трансляция аминолевулинатсинтазы тормозится.
В гепатоцитах печени индукторами АЛК-синтазы являются лекарственные препараты, стероиды, витамин Е. Индукция данного фермента обусловлена высокой интенсивностью микросомальной системы окисления (осуществляет биотрансформацию метаболитов) в ЭПР, которой требуется гем для образования цитохрома P450. Большинство индукторов влияют на синтез АЛК-синтазы подобно липофильным гормонам (стероиды, йодтиронины), образуя в цитозоле комплекс лиганд-рецептор, который перемещается в ядро. В ядре комплекс лиганд-рецептор воздействует на локус гена аминолевулинатсинтазы как активатор транскрипции.
Сатурация крови Низкая сатурация крови (менее 94 %) приводит к гипоксии. В ответ на гипоксию в клетках почки усиливается экспрессия гормона эритропоэтина (EPO), который воздействует на ферменты синтеза гема. Так, EPO действуя на собственные рецепторы в ретикулоцитах быстро вызывает индукцию АЛК-синтазы, тем самым положительно влияет на синтез гема. Одновременно EPO усиливает и синтез цепей глобина. Эрипоэтин увеличивает количество эритроцитов в плазме крови, за счёт их быстрого созревания. Данные процессы необходимы для быстрой компенсации низких уровней кислорода и поддержания тканевого дыхания клеток.
Клиническое значение Синтез гема представляет собой довольно сложный и многостадийный регулируемый процесс, который зависит от слаженной работы ферментов и предшественников метаболитов, коферментов и многих других соединений. Клиническое значение данного процесса заключается в нарушениях, которые возникают и проявляются в результате различных факторов. Нарушения синтеза гема классифицирует на приобретённые и врождённые. Порфирии