Biosynteza hemu i porfiryn

Budowa i funkcje hemoglobiny

Agnieszka Voight

Marta Włodarczyk

Grupa IX

PORFIRYNY



Porfiryny są związkami cyklicznymi



Zbudowane są z 4 pierścieni pirolowych
połączonych mostkami metinowymi –CH=



Tworzą kompleksy z jonami metali, które łączą
się

z atomami azotu pierścieni pirolowych np.

żelazoporfiryny

(

hem hemoglobiny

)

porfiryna zawierająca magnez

(

chlorofil

)

BIOSYNTEZA PORFIRYN

Sukcynylo-CoA (pochodzący z
mitochondrium z cyklu Krebsa)
Glicyna (aktywowana przez fosforan
pirydoksalu)

BIOSYNTEZA PORFIRYN

BIOSYNTEZA PORFIRYN

Syntaza delta-amino-lewulinianowa (ALA)



Jest to enzym kontrolujący nasilenie syntezy porfiryn w wątrobie

ssaków



Syntetyzowany w mitochondriach



Z dwóch cząsteczek ALA powstaje prekursor pirolu- porfobilinogen

(PGB)



Reakcja katalizowana przez syntazę ALA kontroluje syntezę hemu



Działanie ALA podlega regulacji ze strony hemu, który hamuje

syntazę ALA
(ujemne sprzężenie zwrotne)



Syntaza ALA ma krótki okres półtrwania ok. 1 h w wątrobie ssaków

(szybki metaboloizm)



Wiele ksenobiotyków powoduje znaczne zwiększenie stężenia

syntazy ALA w
wątrobie człowieka. Większość z nich jest metabolizowana w wątrobie
przy
udziale cytochromu P-450, w konsekwencji jest zwiększone
wykorzystanie
hemu przez cyt. P-450, zmniejsza się wewnątrzkomórkowe stężenie
hemu, co
wpływa na derepresję syntazy ALA i zwiększenie syntezy hemu



Glukoza i hematyna zapobiegają derepresji (hamują) syntazę ALA

34-8

34-8

HEM

– jest to niebiałkowa grupa

barwnika krwi - hemoglobiny



Hem to pochodna pirolu.

Zbudowany jest z czterech

pierścieni pirolowych połączonych

grupami metinowymi =CH- z

atomem żelaza, które jest na

drugim stopniu utlenienia



Żelazo jest przyłączone do atomu

azotu dwoma wiązaniami

kowalencyjnymi i

niekowalencyjnymi



Najczęstszą odmianą hemu jest

tzw. protohem czyli podstawowy

składnik hemoglobiny



Hem jest pokrewny strukturalnie z

chlorofilem. (M. Nencki i L.

Marchlewski)



W większości tkanek ssaków (oprócz dojrzałych erytrocytów,

które nie posiadają mitochondriów)



Bardzo aktywne w syntezie hemu są komórki szpiku kostnego i

wątroby



W trakcie rozwoju erytrocytów hem musi zostać przetransportowany z

mitochondriów do cytoplazmy (mitochondria ulegają degradacji)



Synteza polega na wbudowaniu jonu żelaza do protoporfiryny

w reakcji katalizowanej przez

syntazę hemową

, czyli

ferrechelatazę

BIOSYNTEZA HEMU

Jon żelaza z porfiryną stanowi grupę

prostetyczną:

-

hemoglobiny

(transport tlenu we krwi)

-

mioglobiny

(magazyn tlenu w mięśniach)

-

cytochromu c

(udział w transporcie elektronów w łańcuchu

oddechowym)

-

cytochromu P-450

(hydroksylacja ksenobiotyków)

-

katalazy

(rozkład nadtlenku wodoru)

-

2,3 – diokygenazy tryptofanowej

(utlenianie tryptofanu)

Porfirie

należą o grupy chorób wrodzonych lub nabytych

związanych z
zaburzeniami biosyntezy hemu. Są spowodowane wadami
enzymatycznymi.

Koproporfiryny i uroporfiryny

wydalanie ich wzrasta w

przypadku porfirii.
Występują w moczu i kale i można je rozdzielić za pomocą
ekstrakcji rozpuszczalnikami,a następnie zidentyfikować i
oznaczyć ilościowo metodami spektrofotometrycznymi.

PORFIRIE

Objawy porfirii :

-niedokrwistość

-ból brzucha, zaburzenia

neuropsychiczne

-nadwrażliwość skóry na światło

Chorzy powinni unikać środków znieczulających,
leków i alkoholu, które indukują cyt P-450

HEMOGLOBINA - BUDOWA

Jest

tetramerem

składającym się

z

czterech pierścieni hemowych

i

czterech łańcuchów

polipeptydowych

(parami

identycznych).
Łańcuchy te są związane ze sobą

wiązaniami niekowalencyjnymi.

Do każdego z tych łańcuchów

dołączona jest

grupa hemowa

.

Podstawowa hemoglobina –

występująca u dorosłych ludzi i

wszystkich kręgowców - HbA1

jest zbudowana z dwóch

łańcuchów alfa i dwóch

łańcuchów beta tworząc

strukturę alfa2beta2.

HEMOGLOBINA - BUDOWA

Występujący we wszystkich hemoglobinach

łańcuch

alfa

składa się ze 141 reszt aminokwasowych, jego

N-końcowym aminokwasem jest

walina

a C-

końcowym jest

arginina

.

Łańcuch beta

jest złożony ze 146 reszt

aminokwasowych. W łańcuchu beta N-końcowym

aminokwasem jest

walina

a C-końwoym jest

histydyna

.

Najczęściej występujące rodzaje

Najczęściej występujące rodzaje

hemoglobiny

hemoglobiny

HbA

=α

2

β

2

– hemoglobina prawidłowa u

ludzi dorosłych stanowiąca 97,5% całej Hb

HbF

= α

2

γ

2

– hemoglobina płodowa

HbS

= α

2

S

2

– hemoglobina sierpowatych

krwinek czerwonych

HbA

2

= α

2

δ

2

– hemoglobina prawidłowa u

ludzi dorosłych stanowiąca 2,5% całkowitej
hemoglobiny

Przyłączenie cząstki tlenu do jednej z
czterech cząstek hemu hemoglobiny
powoduje zmianę struktury drugo-, trzecio- i
czwartorzędowej całego tetrameru.
Przyczyną jest wsunięcie atomu żelaza w
płaszczyznę pierścienia hemu po połączeniu
z tlenem.
W nieutlenowanej hemoglobinie występuje
żelazo wysokospinowe, co sprawia, że jon
Fe2+ znajduje się 0,075nm nad
pierścieniem hemowym. Związanie
hemoglobiny z cząsteczką tlenu powoduje,
że żelazo wysokospinowe przechodzi w
postać niskospinową (ale nadal pozostaje
dwuwartościowe).

Skutkiem tego jest przesunięcie całego
białka wiążącego hem. Doprowadza to w
rezultacie do pęknięcia wiązań
poprzecznych pomiędzy końcami
karboksylowymi wszystkich czterech cząstek
globiny. W efekcie dochodzi do rotacji pary
α1/β1 względem pary α2/β2 o 15°.
Oksyhemoglobina jest nietrwała i bardzo
łatwo dysocjuje na hemoglobinę i tlen przy
zmniejszeniu ciśnienia parcjalnego tlenu.

FUNKCJE HEMOGLOBINY



Oprócz transportu tlenu z płuc do tkanek, hemoglobina
uczestniczy w transporcie CO

2

z tkanek do płuc, skąd jest

on usuwany podczas oddychania



Bezpośrednio po odłączeniu tlenu cząsteczka hemoglobiny
wiąże CO

2

w ilości stanowiącej ok. 15% CO

2

transportowanego przez krew



CO

2

wchodzi w reakcję z końcowymi grupami α-aminowymi

hemoglobiny tworząc

karbaminian

, czemu towarzyszy

uwolnienie protonów współodpowiedzialnych za

efekt Bohra

CO

2

+ Hb-NH

3+

= 2H

+

+ Hb-NH-COO

-



Zmiana ładunku amino-końcowych gryp umożliwia
tworzenie wiązań poprzecznych pomiędzy łańcuchami α i β
w sposób typowy dla formy nieutlenowanej



W płucach utlenowaniu hemoglobiny towarzyszy

W płucach utlenowaniu hemoglobiny towarzyszy

odłączenie i wydalanie CO

odłączenie i wydalanie CO

2

2



Z chwilą zaabsorbowania CO

Z chwilą zaabsorbowania CO

2

2

przez krew

przez krew

dehydrataza węglanowa

dehydrataza węglanowa

(anhydraza węglanowa

(anhydraza węglanowa

)

)

erytrocytów katalizuje utworzenie kwasu

erytrocytów katalizuje utworzenie kwasu

węglowego, który dysocjuje do wodorowęglanu i

węglowego, który dysocjuje do wodorowęglanu i

protonu na skutek przesunięcia równowagi reakcji

protonu na skutek przesunięcia równowagi reakcji

w kierunku dysocjacji

w kierunku dysocjacji

EFEKT BOHRA



Hemoglobina

pełni funkcję

układu buforowego

chroniącego

organizm przed szkodliwym wpływem kwasowości krwi



Odłączeniu 4 cząsteczek O

2

z hemoglobiny towarzyszy wiązanie

2H

+

, które wraz z wodorowęglanem tworzą

kwas węglowy

, który

pod wpływem

dehydratazy węglanowej

tworzy CO

2

, usuwany w

procesie oddychania



Stąd wiązanie tlenu zwiększa wydalanie CO

2

z powietrzem

wydechowym



Protony odpowiedzialne za efekt Bohra powstają w wyniku

rozerwania wiązań poprzecznych podczas przyłączania tlenu do

formy T



Protony te przekształcają wodorowęglan w kwas węglowy

usuwany jako CO

2

w naczyniach włosowatych pęcherzyków

płucnych



Zaś obecność protonów podczas odłączania tlenu i tworzenia

formy T jest konieczna, bo przyłączają się do reszt CH

3

łańcuchów

β

WZROST STĘŻENIA H

+

POWODJE ODŁĄCZENIE O

2

, A WZROST pO

2

POWODUJE ODŁĄCZENIE H

+



Powstający w tkankach

Powstający w tkankach

CO

CO

2

2

łączy się z wodą

łączy się z wodą

tworząc kwas węglowy

tworząc kwas węglowy



Kwas ten dysocjuje do

Kwas ten dysocjuje do

2H

2H

+

+

i jonu

i jonu

wodorowęglanowego

wodorowęglanowego

(2HCO

(2HCO

3

3

-

-

)

)



Nieutlenowana Hgb wiąże

Nieutlenowana Hgb wiąże

2H

2H

+

+

i transportuje je do

i transportuje je do

płuc

płuc



W płucach w wyniku

W płucach w wyniku

przyłączania O

przyłączania O

2

2

następuje

następuje

uwalnianie 2H

uwalnianie 2H

+

+

, które

, które

łączą się z jonami

łączą się z jonami

wodorowęglanowymi i

wodorowęglanowymi i

tworzą kwas węglowy

tworzą kwas węglowy

(2H

(2H

2

2

CO

CO

3

3

-

-

)

)



Kwas ten przekształcany

Kwas ten przekształcany

jest przez

jest przez

dehydratazę

dehydratazę

węglanową

węglanową

do CO

do CO

2

2

i

i

usuwany w procesie

usuwany w procesie

oddychania

oddychania

EFEKT BOHRA

FUNKCJE HEMOGLOBINY



Wiąże tlen i dostarcza go do tkanek

Wiąże tlen i dostarcza go do tkanek

organizmu

organizmu



Przyłącza dwutlenek węgla i przenosi

Przyłącza dwutlenek węgla i przenosi

go z tkanek do płuc w celu wydalenia

go z tkanek do płuc w celu wydalenia

go z organizmu

go z organizmu



Współdziała w utrzymaniu stałej

Współdziała w utrzymaniu stałej

kwasowości krwi

kwasowości krwi



Nadaje krwi czerwoną barwę

Nadaje krwi czerwoną barwę

Dziękujemy za uwagę

Dziękujemy za uwagę



