загрузка...
 
СИНТЕЗ И РАСПАД ГЕМА
Повернутись до змісту

СИНТЕЗ И РАСПАД ГЕМА

Гем входит в состав множества сложных белков, которые так и объединяют общим названием — гемопротеины. Именно железо гема играет главную роль в обеспечении функциональной активности таких белков, будь то обратимое связывание молекулы кислорода (гемоглобин, миоглобин), будь то транспорт электронов ферментами биологического окисления (такими, как цитохромы и ряд других).

Как показывает формула на рис. 1-26, в молекуле гема атом железа фиксирован в центре большого порфиринового кольца, которое образуют 4 пиррольных гетероцикла, соединенных вместе метенильными мостиками.

Поступающие с пищей железопорфирины и тем более магнийпорфирины растений (хлорофиллы) практически не всасываются в пищеварительном тракте человека. Поэтому обновление гемопротеинов любой клетки требует непрерывного синтеза гемопорфиринов de novo.

Только для восполнения постоянной убыли эритроцитов у взрослого человека синтезируется (в костном мозге) 250-300 мг гема ежесуточно.

в.в.1. БИОГЕНЕЗ ГЕМОПРОТЕИНОВ

Прн формировании молекулы гемопротеина акты включения железа и соединения с белком происходят только после создания порфирйнового кольца. Синтез его начинается с реакции между сукцинил-КоА и глицином, предста&ленной на рис. 5-18. Возникающая при этом а-ам ино-р-кетоади пино вая кислота спонтанно теряет карбоксильную группу бывшего глицина, становясь 5-аминолевулиновой кислотой (АЖ). Поэтому фермент, переносящий сукцинильный фрагмент на глицин, получил название Ь-амшапевуптат-синтетаза (АЛК- синтетаза) Она локализована в митохондриях н лимитирует скорость всего пути биогенеза пор- фиринов.

Рис. 9-40, Образование порфобилиногена конденсацией молекул 5-аминолевулмната.

Регуляцию лимитирующею звена контролирует конечный продукт: избыток гема алло- стери чески угнетает АЛК-синтетазу. Этот механизм быстрой регуляции дополняется эффектами железа на уровне трансляции. Они обусловлены сродством ионов железа к специализированному белку, способному фиксироваться на инициаторном участке той молекулы мРНК, которая несет информацию о структуре АЛК- синтетазы. При недостатке железа этот регуляторный белок, связываясь с участком инициации трансляции в молекуле мРНК, препятствует считыванию информации, т.е., наработке АЛК-синтетазы. Избыток железа, образуя комплекс с регуляторным белком, удаляет его с инициаторного участка, а это значит - снимает блокаду мРНК и тем самым способствует возобновлению выработки АЛК-синтетазы. Короче говоря, с увеличением концентрации доступного железа возрастает доля тех молекул АЛК-синтетазноЙ мРНК, которые открыты для трансляции (т.е., для синтеза генного продукта), а со снижением уровня железа в клетке часть таких молекул блокируется, что ведет к замедлению выработки АЛК-синтетазы.

После перехода 5-аминолевулината в цитоплазму происходит реакция конденсации, посредством которой две молекулы этого метаболита объединяются в пятичленный цикл порфобилиногена (рис. 9-40). Катализирующая процесс Хп-зависимая дегидратаза очень чувствительна к инактивирующему действию ионов свинца. Поэтому прн интоксикации этим металлом повышается содержание 5-аминолевулината в крови и моче.

Следующий этап - поочередное соединение 4 молекул порфобилиногена. Метиленовые мостики между их гетероциклами появляются благодаря выделению аммиака, образуемого за счет аминогруппы одного кольца н водорода при углероде другого пиррола, свободном от боковой цепи (рис. 9-41, реакции 1-3). Возникшая линейная цепочка из 4 пиррольных колец смыкается своими концами, - тоже путем удаления аммиака (рнс. 9-41, 4). Почти всегда этому предшествует изомеризация кольца IV, в результате которой ацетатная н пропионатная цепочки меняются своими местами. В итоге формируется порфириновая структура, обозначаемая как уропорфириноген Ш.

Декарбоксилирование всех ацетатных цепочек уропорфириногена III превращает их в метальные группы, а возникший новый вариант порфирина (копропорфириноген III) подвергается дальнейшим преобразованиям в митохондриях. Здесь происходит отщепление еще двух молекул СО2 (за счет даух пропионатных радикалов), а главное - осуществляется ступенчатое удаление 10 атомов водорода. Тем самым реализуются реакции десатурации, приводящие к появлению в молекуле еще 5 ненасыщенных связей (включая преобразование метиленовых мостиков в метенильные). Именно процесс «изъятия» атомов водорода приводит к тому, что в конечном продукте —? прото- порфирине IX - формируется система сопряженных двойных связей, которая играет важную роль в функционировании гемоцротеинов (см. рис. 9-41). Попутно можно отметить, что окраску порфириновые структуры обретают только после обеспечения полной сопряженности двойных связей молекулы.

Синтез хлорофиллов в растениях протекает с самого начала точно так же, как и синтез гема. Лишь после образования протопорфири- на IX происходит присоединение « нему атома М?*+ (а не железа) и проявляются небольшие особенности последующей модификации части боковых группировок. Само же протопорфи- риновое кольцо остается почти без изменений (исчезает лишь одна из двойных связей, - в пирроле IV)*

В бактериях, способных синтезировать витамин В12* исходным материалом для этого служат тоже 4 молекулы порфобилиногена (как и при синтезе гема). Но в циклическую структуру, подобную порфириновой, они объединяются без участия аминогрупп (т,е., без удаления аммиака), а совсем иными реакциями. Более того: при замыкании этого кольца связь между пирролами I и IV возникает напрямую, без промежуточного метиленового мостика (см. рис. 9-22). Из-за этого большой цикл коба- ламина не имеет замкнутой системы сопряженных двойных связей, а потому вит. В12 не способен участвовать в таких реакциях, которые типичны для гемопротеинов.

Порфирины и более ранние предшественники гема постоянно выявляются в моче, хотя и в очень небольших количествах. Повышенная экскреция этих метаболитов и, особенно, изменения их обычного соотношения в моче свидетельствуют о нарушении соответствующей стадии биосинтетического процесса. Такие состояния обозначаются термином порфирии. Они встречаются редко и бывают врожденными или приобретенными (интоксикационными). Частыми проявлениями болезни бывают отложения порфиринов в коже (вызывающие ее гиперчувствительность к свету, образование трудно заживающих волдырей), а также неврологические расстройства. Нарушение главного пути биогенеза порфиринов способствует усилению побочных реакций, ведущих к синтезу бесполезных пигментов (включая уропорфири- ны I и III, копропорф ирины I и III), не пригодных для преобразования в протопорфирин IX. Некоторым вариантам порфирий сопутствует отложение пигментов в зубах (его обнаруживает красная флуоресценция в УФ-лучах). Биохимический анализ мочи (и фекалий) помогает не только в установлении нарушенного ферментного звена, но и в выборе возможных лечебных мероприятий.

Заключительная стадия биогенеза гема - внедрение атома Fe2+ в молекулу протопорфи- рина IX (формула гема показана на рис. 1-26). Осуществляет эту реакцию феррохелатаза, активный центр которой обращен в матрикс митохондрий, а регулирование ее происходит по принципу отрицательной обратной связи: избыток образующегося гема угнетает ферро- хелатазу.

Фиксация готового гема на молекулах соответствующих апобелков завершает синтез гемопротеинов: миоглобина, гемоглобина, различных цитохромов и ряда ферментов, включая каталазу и пероксидазу.

Стимулирующее влияние гема на синтез а- и (3-цепей глобина выявлено в эритроцитах (в период их созревания). Этот эффект реализуется на уровне трансляции.

В заключение следует подчеркнуть, что важнейшим фактором, контролирующим интенсивность образования гемопротеинов, является доступность железа. Как отмечалось выше, именно его уровень в клетке регулирует трансляцию АЛК-синтетазы — ключевого фермента биогенеза гема. Неудивительно поэтому, что концентрация ионов железа находится под строгим контролем. В его осуществлении определяющую роль играют три белка: транс- феррин, его рецептор и ферритин.

Трансферрин синтезируется в печени в виде апопротеина (~80 кДа), молекула которого способна связывать 1-2 атома Ре3+. В плазме крови трансферрин содержится в концентрациях 2-4 г/л (0,02-0,05 мМ) и насыщен железом примерно на треть своей емкости. Поэтому он легко захватывает ионы Ре3+ и доставляет их клеткам-потребителям.

Организм человека усваивает всего 1-2 мг железа из тех 15-20 мг, что содержатся в суточном рационе питания. Всасывается железо в кишечнике только в восстановленной форме (Ре2+). В трансферрин плазмы оно включается благодаря ферментативному окислению до Бе3+. В десятки раз большее количество Ре3+ трансферрин захватывает в ходе реутилизации того железа, которое освобождается при распаде эритроцитов (и гемоглобина) в ретикуло- эндотелиальных клетках селезенки, лимфатических узлов, костного мозга и печени.

Рецептор трансферрина — это белок, который необходим для поступления железа внутрь клеток, синтезирующих гем. Группа рецепторов, связавшихся с внеклеточным трансферрином, поглощается клеткой посредством эндоцитоза. В образовавшейся эндосоме протонный насос мембраны подкисляет ее содержимое (до pH 5-6). В такой среде сродство апотрансферрина к Ре3+ падает на 3 порядка. Иными словами, белок практически полностью освобождается от ионов Ре3+ (которые легко переходят в цитозоль). При этом сохраняется ассоциация апотрансферрина со своим рецептором, — вплоть до той поры, пока «облегченная» эндосома не сольется вновь с плазматической мембраной. Здесь кислая среда эндосомы резко сменяется нейтральным значением pH (-7,4) внеклеточного пространства. Это стимулирует быструю диссоциацию белок-рецепторного комплекса, и освободившийся апотрансферрин опять поступает в плазму в поисках новых порций Ре3+. Установлено, что весь цикл - от фиксации трансферрина на рецепторе до возвращения его в среду в виде апотрансферрина - занимает около 16 мин. Мощность транспортной системы такова, что за 1 мин гепатоцит может поглотить до 20 ООО атомов Бе3+.

Ферритин - внутриклеточный белок, наиболее изобильный в гепатоцитах и клетках эритроидного ряда. Локализованный в цитозоле, он состоит из 24 субъединиц, содержащих по 5-8 центров связывания железа (почти все они представлены радикалами глутамата). Апо- ферритин формирует шарообразную оболочку, окружающую полимеризованные отложения гидратированного ферри-оксида, в составе которых пребывает примерно 25% из тех 3-4 г железа, что содержатся в организме взрослого человека (в составе трансферрина — лишь

1%). Именно ферритин поглощает ионы Бе3+, высвобождаемые в цитозоль трансферрином эндосом. Так создается запас железа в растворимой, нетоксичной и, в то же время, легко доступной форме. Перенос Бе3* из этого резерва на молекулу гема сопровождается восстановлением до Ре2*, которое происходит за счет НАД<&-Н2 под действием флавин-содержащей редуктазы.

Регуляция синтеза апоферритина реализуется на уровне трансляции, - подобно тому, как это описано выше для АЛК-синтетазы. Здесь также имеется специализированный белок. который при недостатке железа фиксируется на инициаторном участке апоферритино- вой мРНК и блокирует ее считывание. Напротив, высокие концентрации Ре3+ отвлекают этот белок на себя, освобождая от него участок инициации трансляции и способствуя тем самым возобновлению синтеза апоферритина (который, аккумулируя ионы Ре3+, снижает их концентрацию в клетке).

Несколько иначе регулируется количество рецепторов трансферрина, которое влияет на интенсивность поглощения клеткой железа (в составе трансферрина). Для мРНК, кодирующей структуру этого рецептора, связывание со специальным белком благоприятно тем, что защищает ее от разрушения рибонуклеазой. В чрезмерных концентрациях ионы Бе3+ образуют с этим белком комплексы, теряющие сродство к мРНК, и тогда лишенная защиты мРНК трансферринового рецептора становится более уязвимой для рибонуклеазы. Иными словами, внутриклеточный дефицит ионов Ре3+ продлевает срок существования этой мРНК, способствуя тем самым максимальной выработке молекул рецептора трансферрина, увеличению их числа и, как следствие, усилению доставки Ре3+ в клетку. Избыток внутриклеточного Ре3+ провоцирует обратные эффекты.

Таким образом, ионы Ре3+ сами поддерживают постоянство своей концентрации в цитозоле, оказывая регулирующее влияние, с одной стороны, на трансляцию молекул ферритина, а с другой - на стабильность мРНК, кодирующей рецептор трансферрина.



загрузка...