Pobierz Wykład Metabolizm żelaza i więcej Streszczenia w PDF z Transport tylko na Docsity! >
JAGIELLONIAN UNIVERSITY
„0 z
M IN KRAKOW
Wykład
Metabolizm żelaza
Żelazo - Żelazo jest ważnym kofaktorem wielu enzymów regulujących między innymi: * transport tlenu * oddychanie komórkowe * cykl Krebsa * metabolizm lipidów * syntezę DNA - W białkach wchodzi w skład: * reszt hemowych (np. w hemoglobinie) * reszt niehemowych (np. w reduktazie rybonukleotydów) - Wolne żelazo jest wysoce toksyczne dla komórek, indukując stres oksydacyjny i katalizując reakcję Fentona: Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. Żelazo - absorbcja w jelicie Kaplan J. Cell 2002. Żelazo - absorbcja w jelicie - DMT1 (Nramp2, DCT1) jest symporterem (Me2+/H+): * transportuje Fe2+ oraz Mn2+ i Pb2+ * bardzo konserwatywny, homologi są u bakterii, drożdży i roślin - Żelazo w enterocytach wiązane jest przez ferrytynę. Ponieważ czas życia dojrzałych enterocytów to 2-5 dni, znaczna część pobranego żelaza nie jest transportowana dalej. - Żelazo nie związane z ferrytyną jest przekazywane do krwi przez ferroportynę (IREG1, MTP, Slc11a3): * ferroportyna nie ma homologów w organizmach jednokomórkowych * występuje także w łożysku, woreczku żółtkowym, makrofagach, hepatocytach - większość żelaza w organiźmie pochodzi ze zdegradowanych erytrocytów Wpływ żelaza na regulację ekspresji genów - Ferrytyna składa się z 24 podjednostek zbudowanych z łańcucha ciężkiego (~21 kDa, utlenia Fe2+ do Fe3+) i łańcucha lekkiego (~19 kDa, stabilizuje strukturę ferrytyny). Jedna cząsteczka ferrytyny może wiązać ok. 4500 atomów żelaza. Ma to podstawowe znaczenie dla ochrony komórek przed wzrostem stężenia wolnego żelaza uwalnianego przez aktywację HO. Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. Żelazo - absorbcja przez komórki Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. - Hepcydyna: * peptyd produkowany i wydzielany przez hepatocyty i kontrolujący gospodarkę żelazem oraz działający antybakteryjnie * niedobór hepcydyny prowadzi do nadmiernego pobierania żelaza * myszy z nadekspresją hepcydyny mają anemię - Ekspresja hepcydyny: * nasila się w odpowiedzi na zapalenie * jest regulowana przez TGF/SMAD4 * może być produkowana w dużych ilościach u pacjentów z nowotworami wątroby Żelazo - transport niezależny od transferyny - Najlepiej poznanym system transportu żelaza jest transferyna/receptory transferyny. Są jednak także inne systemy. * myszy Tf-/- mają anemię, ale mają duży poziom żelaza w hepatocytach i śledzionie * myszy TfR1-/- umierają in utero, ale część tkanek rozwija się normalnie - Jednym z potencjalnych systemów transportu może być NGAL (gelatinase- associated lipocalin) produkowany w komórkach nabłonka nerek. - NGAL wiąże żelazo i po związaniu jest endocytowany w sposób zależny od klatryny, ale niezależnie i odmiennie niż transferyna. - NGAL (siderokalina, lipokalina-2) wiąże żelazo przyłączone do sideroforów. Kaplan J. Cell 2002. zdrowa nerka uszkodzona nerka Dostarczanie żelaza do tkanek Kaplan J. Cell 2002. - We krwi żelazo transportowane jest przez transferrynę. - Żelazo związane z transferyną wiąże się do receptorów transferyny na komórkach docelowych; kompleksy są endocytowane w sposób zależny od klatryny. - We wczesnych endosomach żelazo oddysocjowuje z kompleksu i poprzez DMT-1 transportowane jest do cytozolu. - Żelazo z sideroforów związane z białkiem NGAL oddysocjowuje w późnych (bardziej kwaśnych) lizosomach. Syderofor pozostaje związany z białkiem NGAL i wraz z nim wraca na powierzchnię komórki. Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. - IRP1 jest cytoplazmatycznym odpowiednikiem mitochondrialnej akonitazy (przekształcającej cytrynian do izocytrynianu w cyklu Krebsa): * w obecności żelaza IRP1 ma aktywne centrum 4Fe-4S i wykazuje aktywność akonitazy * przy braku żelaza białko nie zawiera kompleksu 4Fe-4S i działa jako białko wiążące się do mRNA * ta odwracalna przemiana holoproteina/apoproteina jest mechanizmem odczytującym poziom żelaza w komórce i regulującym jego pobieranie. - IRP2 jest białkiem bardzo podobnym do IRP1, ale nie ma aktywności akonitazy (nie zawiera kompleksu 4Fe-4S): * przy braku żelaza akumuluje się w komórkach * w obecności żelaza jest szybko degradowane w proteasomach * wiąże się do tych samych sekwencji co IRP1, ale również do sekwencji nierozpoznawanych przez IRP1 Żelazo - regulacja ekspresji genów Żelazo - regulacja ekspresji genów Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. - Brak IRP1 i IRP2 jest letalny dla zarodków myszy, ale myszy z dysfunkcją tylko jednej form IRP żyją. - Myszy IRP1-/-: * fenotypowo normalne w warunkach kontrolnych (ale możliwe zaburzenia w regulacji eALAS i syntezie hemu) - Myszy IRP2-/-: * łagodna mikrocytoza * zmniejszona hematopoeza * nietypowa dystrybucja żelaza * neurodegeneracja - NO: zwiększa poziom IRP1, zmniejsza poziom IRP2. Hemochromatoza Cairo et al. Genes and Nutrition 2006. - Hemochromatoza to jedna z najczęstszych chorób wrodzonych (w Europie 1 na 200 osób). Jej objawem jest nasilona absorbcja żelaza prowadząca do: * nadmiernego poziomu żelaza między innymi w wątrobie, trzustce, sercu * uszkodzenia struktury i upośledzenia funkcji narządów * rozwoju marskości i nowotworów wątroby, chorób serca, cukrzycy - W komórkach linii erytroidalnej hem włączany jest prawie wyłącznie do hemoglobiny - W mięśniach większość hemu wchodzi w skład mioglobiny - We wszystkich typach komórek hem wchodzi w skład między innymi: * cytochromów b i c łańcucha oddechowego * monooksygenaz (cytochromów P-450, zwłaszcza w wątrobie) i dioksygenaz (dioksygenaza tryptofanowa, dioksygenaza indoleaminowa, cyklooksygenaza) * katalazy * peroksydazy glutationowej * laktoperoksydazy * chloroperoksydazy * NOS * sGC Hem w hemoproteinach Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. cytochrom c Metabolizm hemu - synteza -Hem, choć jest niezbędnym kofaktorem wielu enzymów, w formie wolnej może powodować uszkodzenia błon komórkowych - Biosynteza hemu prowadzi do powstawania reaktywnych form tlenu podczas: * katalizowanego przez metale utleniania prekursora porfiryn, kwasu - aminolewulinowego (ALA) * reakcji fotochemicznej protoporfiryn-IX - ALA może akumulować się w tkankach u chorych na porfirie: * ALA przenika przez barierę krew-mózg może uszkadzać centralny system nerwowy i powodować neuropatię obwodową. * neurotoksyczność ALA związana jest z indukcją stresu oksydacyjnego i tworzeniem rodnika ALA' oraz anionorodnika ponadtlenkowego. Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med 2000. - Autooksydacja ALA w obecności oksyhemoglobiny prowadzi do utworzenia methemoglobiny i nadtlenku wodoru Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med 2000. - Nadtlenek wodoru i anionorodnik ponadtlenkowy tworzone w wyniku reakcji ALA prowadzą do powstawania rodnika hydroksylowego - ALA może bezpośrednio wpływać na metabolizm żelaza poprzez aktywację IRP-1. Prowadzi to do: * wzrostu ekspresji receptora transferyny * zahamowania ekspresji ferrytyny * zahamowania ekspresji eALAS zwiększenie stanu prooksydacyjnego Metabolizm hemu - synteza Metabolizm hemu - synteza Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med 2000. - Końcowe etapy syntezy hemu zachodzą w mitochondrium. Jest to: * utlenienie łańcucha bocznego * dehydrogenacja cytoplazma mitochondrium - Fe2+ może być odwracalnie utleniane do formy Fe3+, tworząc: * hematynę (PPIX-Fe(III)-OH-) * heminę (PPIX-Fe(III)-Cl-) Oates & West. World J Gastroenterol. 2006. Metabolizm hemu - synteza Mutacje w genach syntezy hemu Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. - Mutacje w genach kodujących enzymy szlaku syntezy hemu prowadzą do chorób wrodzonych: Porfirie Jacobo et al. Dermatology 2005 Metabolizm hemu - transport Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. - Większość hemu u ssaków wchodzi w skład hemoglobiny, która syntetyzowana jest w komórkach erytroidalnych, a ulega degradacji w wątrobie, nerkach, a zwłaszcza w śledzionie. - Hemoglobina i hem mogą być uwalniane z erytrocytów w wyniku hemolizy. * Wolny hem tworzy kompleksy z hemopeksyną oraz i albuminą. * Wolna hemoglobina tworzy kompleksy z haptoglobiną. * Kompleksy te wiążą się z receptorami fagocytów wątroby i są endocytowane; następnie hem jest degradowany przez oksygenazy hemowe (HO-1 i HO-2). - Nowopowstały lub uwolniony z hemoprotein hem tworzy pulę wolnego hemu, którego stężenie wynosi ok. 0.1-0.2 M. Wyższe stężenia hemu mogą być toksyczne. Stężenie wolnego hemu zwiększa się np. w wyniku: * stresu oksydacyjnego (H2O2 uwalnia hem z oksyhemoglobiny) * UV (uwalnia hem z cytochromów P-450) - Hem uwolniony z jednego typu białka może zostać wykorzystany do syntezy innego typu białka (choć hem z hemoglobiny nie jest wykorzystywany do syntezy nowej cząsteczki hemoglobiny) lub zdegradowany przez HO. - Haptoglobina: * białko ostrej fazy produkowane przez wątrobę * wiąże hemoglobinę ze stałą ponad 10-15 mol/L * kompleksy haptoglobina- hemoglobina są usuwane po związaniu do receptorów i endocytozie przez fagocyty - w krążeniu praktycznie nie ma wolnej hemoglobiny * klirens jest bardzo szybki: ~15 mg hemoglobiny/100 ml surowicy/h. * nawet po ostrej hemolizie poziom haptoglobiny bardzo szybko spada i białko staje się niewykrywalne we krwi * haptoglobina ma duże znaczenie antyoksydacyjne i chroni układ krążenia przed stresem oksydacyjnym. Metabolizm hemu - transport Sassa S.Antioxid Redox Signal. 2004. Ę
m
MITOCHONDRIA
Glycine
aucciny COA—— „i A synthase
Synthesis of I
ALA- synthase mRNA
Synthesis of +
Heme Oxygenase mRNA|
Synthesis of |4—=——" | Recticuloendothelial
Apoprotein mRNA Tissues
Apoprotein
P450, e NOS, iINOS, COX-1/-2,
TxA2, hemoglobin, Catalse,
Mitochondrial cytochrome ,
b5, other heme-dependent.
Abraham 6 Kappas. Pharmacologic Rew 2008.
- Oksygenaza hemowa została opisana w 1968 roku jako mikrosomalny enzym wątrobowy. Znane są 2 formy: * indukowalna HO (HO-1) * konstytutywna HO (HO-2) - Obie formy katalizują tą samą reakcję, ale różnią się strukturą, wielkością i aktywnością. Metabolizm hemu - degradacja Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. Metabolizm hemu - degradacja Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. - HO katalizuje degradację PPIX-Fe(III) do: * CO * jonów żelaza Fe2+ * biliwerdyny - W reakcji zużywane są 3 cząsteczki O2 i 3 cząsteczki NADPH, a w jej wyniku najpierw uwalniany jest CO i powstaje ferribiliwerdyna. - Następnie kolejna redukcja zależna od NADPH przekształca ferribiliwerdynę do biliwerdyny, uwalniając przy tym Fe2+. Oksygenaza hemowa-1 (HO-1) - HO-1 jest indukowalnym enzymem mikrosomalnym (ale obecnym także w jądrze i mitochondriach) o masie 32,000 Da. Abraham & Kappas. Pharmacologic Rew 2008. Oksygenaza hemowa-1 (HO-1) - Gen HO-1 zlokalizowany jest na chromosomie 22; zbudowany jest z 5 egzonów i 4 intronów i obejmuje 14 kb. - Białko HO-1 jest zlokalizowane w kaweolach, razem z kaweoliną-1 i BvR. Tworzy kompleks z BVR i reduktazą cytochromu P450 na błonie retikulum. - HO-1 przyłączona jest do błony retikulum za pośrednictwem sekwencji zlokalizowanej przy C-końcu. HO-1 pozbawiona C-końca (działanie kalpainy?) staje się hydrofilowa i może lokalizować się w jądrze. Ta krótsza forma jest enzymatycznie nieaktywna. - HO-1 może być fosforylowana, ale nie ma możliwości autofosforylacji. kontrola hemina zapalenie Abraham & Kappas. Pharmacologic Rew 2008. Oksygenaza hemowa-2 (HO-2) - HO-2 jest konstytutywnym enzymem o masie 34,000 Da. - Kodowana jest przez inny gen niż HO-1, ale wykazuje ok. 40% homologii na poziomie sekwencji aminokwasowej. - O ile HO-1 koduje tylko 1 transkrypt, HO-2 koduje kilka transkryptów. W efekcie istnieją co najmniej 2 izoenzymy HO-2, które różnią się w szczegółach mechanizmów regulacji aktywności. - Silna ekspresja HO-2 jest wykrywana w: * śródbłonku * neuronach i astrocytach * jądrach (w komórkach Leydiga) * łożysku (także w śródbłonku łożyskowym) ekspresja HO-2 w łożysku Bilirubina i biliwerdyna - przeciwutleniacze Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. - W fizjologicznych stężeniach tlenu (2%) zarówno biliwerdyna jak i bilirubina mają działanie antyoksydacyjne: * chronią nienasycone kwasy tłuszczowe przed utlenieniem, nie mniej efektywnie niż -tokoferol. * bilirubina w kompleksie z albuminą surowicy chroni przed peroksydacja lipidy związane z albuminą i chroni albuminę przed degradacją indukowaną przez rodnik hydroksylowy. * Koniugaty biliwerdyny (takie jak w żółci) chronią lipidy przed peroksydacją. * Bilirubina i biliwerdyna działają synergistycznie z -tokoferolem i zmniejszają zużycie -tokoferolu. * W surowicy endogenne antyoksydanty zużywane są w kolejności: ubichinol-10, askorbinian i bilirubina. Czyli bilirubina chroni lipidy przed peroksydacją po wyczerpaniu endogennych antyoksydantów. * Bilirubina reaguje z anionorodnikiem ponadtlenkowym i HOCl, chroni również białka przed fotooksydacją. Jest zlokalizowana głównie w błonach. - Koniugaty bilirubiny i miedzi maja aktywność prooksydacyjną. Bilirubina i biliwerdyna - przeciwutleniacze - Akumulacja bilirubiny u noworodków (żółtaczka noworodków) może prowadzić do encefalopatii i neurotoksyczności. - W stężeniach 30-70 M bilirubina powoduje lizę erytrocytów. - W stężeniach nanomolarnych jest neuroprotekcyjna. Ryter @ Tyrrel. Free Radic Biol Med. 2000. wewnątrz komórek stężenie bilirubiny jest 10,000 razy niższe niż GSH - BVR jest enzymem obecnym we wszystkich komórkach. - Jest enzymem konserwatywnym ewolucyjnie: występuje u ssaków i innych kręgowców oraz np. krasnorostów. Wśród ssaków homologia BvR to około 80%. - Gen BVR składa się z 8 egzonów i 7 intronów, obejmuje 17,025 bp. Reduktaza biliwerdyny (BVR) Sedlar & Snyder. Peditrix 2004. - Białko BVR zlokalizowane jest w kaweolach błony komórkowej, w cytoplazmie i w jądrze - BVR jest reduktazą o dwóch optimach pH: 7.0 (wtedy źródłem wodoru jest NADH) oraz 9.0 (wtedy źródłem wodoru jest NADPH). - Jest kinazą serynowo-treoninową. - Jest także kinazą tyrozynową – prowadzi autofosforylację, a autofosforylacja jest konieczna do redukcji biliwerdyny do bilirubiny. - BvR jest czynnikiem transkrypcyjnym z domeną suwaka leucynowego. Działa jako dimer i wiąże się do sekwencji rozpoznającej AP-1.