Кіріспе

Порфиринге хелаттанған темір ионының химиялық координациялық кешені. Хема (американдық ағылшынша), немесе гема (британдық ағылшынша, екеуі де /hi:m/ HEEM деп айтылады) – гемоглобиннің құрамындағы темірлі сақина тәрізді молекулалық компонент, ол қан ағынында оттегіні байланыстыру үшін қажет. Ол 2 винилдік және 2 пропион қышқылы тобы бар төрт пирроль сақинасынан тұрады. Гем сүйек кемігінде де, бауырда да биосинтезделеді. Гема сүтқоректілерде көптеген түрлі тотығу-тотықсыздану реакцияларында маңызды рөл атқарады, себебі ол оттегі тобын тасымалдауға қабілетті. Реакцияларға тотығу метаболизмі (цитохром c оксидазасы, сукцинат дегидрогеназасы), цитохром P450 жолдары арқылы ксенобиотиктерді залалсыздандыру (кейбір дәрі-дәрмектердің метаболизмі қоса), газды сезу (гуанил циклазалар, азот оксиді синтезасы) және микроРНК өңдеу (DGCR8) жатады. Гема – "тетрадентат лиганд ретінде әрекет ететін тетрапирролмен және бір немесе екі осьтік лигандпен координацияланған темір ионынан тұратын" координациялық кешен. Бұл анықтама шартты, көптеген бейнелеулерде осьтік лигандтар көрсетілмейді. Металлопротеиндерде протездік топтар ретінде қолданылатын металлопорфириндердің ішінде гема ең көп қолданылатыны және гемопротеиндер деп аталатын ақуыздар отбасын анықтайды. Гемалар көбінесе гемоглобиннің, қандағы қызыл пигменттің құрамдас бөліктері ретінде танылады, бірақ сонымен қатар миоглобин, цитохромдар, каталазалар, гема пероксидаза және эндотелиалды азот оксиді синтезасы сияқты басқа да маңызды гемопротеиндерде де кездеседі. "Гема" сөзі грек тіліндегі αἷμα (хайма) – "қан" сөзінен шыққан.

Функция

Гемопротеиндердің әртүрлі биологиялық функциялары бар, оның ішінде диатомдық газдарды тасымалдау, химиялық катализ, диатомдық газды анықтау және электронды тасымалдау. Гема темірі электронды тасымалдау немесе тотығу-тотықсыздану химиясы кезінде электронның көзі немесе қабылдағышы болып табылады. Пероксидаза реакцияларында порфирин молекуласы конъюгацияланған сақинадағы радикалды электрондарды делдалдай отырып, электронның көзі ретінде де қызмет етеді. Диатомдық газдарды тасымалдау немесе анықтау кезінде газ гема теміріне байланысады. Диатомдық газдарды анықтау кезінде газ лигандының гема теміріне байланысуы, айналасындағы белоктың конформациялық өзгерістерін тудырады. Жалпы, диатомдық газдар тек тотыққан гемамен, яғни темір(II) Fe(II) күйінде байланысады, ал көптеген пероксидазалар Fe(III) және Fe(IV) арасында цикл жасайды, ал митохондриялық тотығу-тотықсыздануға қатысатын гемопротеиндер Fe(II) және Fe(III) арасында циклдеуге қабілетті. Гемопротеиндердің бастапқы эволюциялық функциясы, молекулалық оттегі пайда болғанға дейін, ата-бабалар цианобактерияларындағы күкірт негізді фотосинтез жолдарында электронды тасымалдау болды деп есептеледі. Гемопротеиндер өзінің ерекше функционалдық әртүрлілігіне белок матрицасындағы гема макроциклінің ортасын өзгерту арқылы жетеді. Мысалы, гемоглобиннің тіндерге тиімді түрде оттегі жеткізе алу қабілеті, гема молекуласының жанында орналасқан нақты аминқышқыл қалдықтарымен байланысты. Гемоглобин өкпеде жоғары pH және төмен көмірқышқыл газы концентрациясында оттегімен қайтымды байланысады. Егер жағдай кері болса (төмен pH және жоғары көмірқышқыл газы концентрациясы), гемоглобин тіндерге оттегін босатады. Гемоглобиннің оттегімен байланысу қабілетінің қышқылдыққа және көмірқышқыл газының концентрациясына кері пропорционалды екенін көрсететін бұл құбылыс Бор эффектісі деп аталады. Бұл эффектінің молекулалық механизмі глобин тізбегінің кеңістіктік құрылымында жатыр; гема тобына жақын орналасқан гистидин қалдығы, қышқыл жағдайда (жұмыс істейтін бұлшық еттерде еріген CO2 салдарынан туындайтын) оң заряд алады, нәтижесінде гема тобынан оттегі босатылады.

Басқа шеттері

Порфириндердің келесі көміртектік нөмірлеу жүйесі биохимиктер қолданатын ескі нөмірлеу жүйесі болып табылады, ал IUPAC ұсынған 1–24 нөмірлеу жүйесі емес, ол жоғарыдағы кестеде көрсетілген. Гем l – гем B-ның туындысы, ол лактопероксидаза, эозинофил пероксидаза және қалқанша безінің пероксидаза ақуыздарына ковалентті түрде қосылады. Лактопероксидазаның глутамил-375 және аспартил-225-пен пероксидтің қосылуы осы аминқышқылдарының қалдықтары мен гемнің 1 және 5 метил топтары арасында эфирлік байланыстарды құрайды. Гем m – миелопероксидазаның белсенді орнында ковалентті байланысқан гем B-ның туындысы. Гем m гема 1 және 5 метил топтарындағы екі эфирлік байланысты қамтиды, олар басқа сүтқоректілердің пероксидазаларында, мысалы лактопероксидаза және эозинофил пероксидазада да кездеседі. Сонымен қатар, метионил аминқышқылының қалдығының күкірті мен гема 2 винил тобы арасында бірегей сульфанамид иондық байланыс пайда болады, бұл ферментке хлорид пен бромид иондарын гипохлорит пен гипобромитке оңай тотықтырудың бірегей қабілетін береді. Миелопероксидаза сүтқоректілердің нейтрофилдерінде болады және ол инвазивті бактериялар мен вирустық агенттерді жоюға жауапты. Ол, мүмкін, гипобромитті "қатемен" синтездеген болар. Гипохлорит және гипобромит – галогенделген нуклеозидтердің өндірісіне жауапты өте реактивті түрлер, олар мутагенді қосылыстар. Гем D – гем B-ның тағы бір туындысы, бірақ 6-орындағы пропион қышқылының тізбегі, сондай-ақ гидроксилденген, γ-спиролактон құрайды. III сақина 5-орында гидроксилденген, жаңа лактон тобына қатысты транс конформацияда болады. Гем S – гем B-мен 2-винил тобының орнына 2-орында формаль тобының болуы арқылы байланысты. Гем S теңіз құрттарының кейбір түрлерінің гемоглобинінде кездеседі. Гем B және гем S-тің дұрыс құрылымын алғаш рет неміс химигі Ханс Фишер анықтады. Цитохромдардың атаулары әдетте (бірақ әрдайым емес) олардың құрамындағы гемалардың түрлерін көрсетеді: цитохром a – гема A, цитохром c – гема C және т.б. Бұл конвенция алғаш рет гема A құрылымы жарияланғанда енгізілген болуы мүмкін.

Гем түрін белгілеу үшін бас әріптерді қолдану

Гемаларды үлкен әріптермен белгілеу тәжірибесі Пустинен мен Викстромның мақаласындағы түсіндірмеде ресмиленді, онда бас әріпті қашан қолдану керектігі көрсетілген: "біз гема құрылымын оқшауланған күйде сипаттау үшін үлкен әріптерді пайдалануды ұсынамыз. Ал кіші әріптер цитохромдар мен ферменттерді, сондай-ақ жеке белокқа байланысқан гема топтарын сипаттау үшін қолданылуы мүмкін (мысалы, цитохром bc және aa3 кешендері, цитохром b5, bc1 кешенінің гема c1, aa3 кешенінің гема a3 және т.б.)". Яғни, химиялық қосылыс үлкен әріппен, ал нақты мысалдар кіші әріптермен белгіленеді. Осылайша, құрамында екі А гемасы (гема а және гема а3) бар цитохром оксидаза, бір моль ақуызға екі моль гема А шамасында болады. bH, bL және c1 гемалары бар цитохром bc1, гема B және гема C-ні 2:1 қатынаста қамтиды. Бұл тәжірибе Каухи мен Йорк жариялаған мақалада бастау алған сияқты, онда цитохром aa3 гемасын оқшаулаудың жаңа әдісімен алынған өнім бұрынғы препараттардан ажырату үшін гема А деп аталды: "Біздің өніміміз, басқа зерттеушілер бұрын оқшауланған гемин А-ны тотығу арқылы ерітіндіде алған гема А-дан толыққанды түрде сәйкес келмейді (2). Сондықтан, біз өнімізге гема А атауын, анықталған айырмашылықтар түсіндірілгенге дейін береміз". Кейінірек жарияланған мақаласында Каухи тобы оқшауланған гема B және C, сондай-ақ A үшін де үлкен әріптерді қолданды.

Синтез

Гемді өндіретін ферменттік процесс дұрысы порфирин синтезі деп аталады, себебі барлық аралық заттар химиялық тұрғыдан порфириндер класына жататын тетрапиролдар болып табылады. Бұл процесс биологияда жоғары сақталған. Адамдарда бұл жол негізінен гема түзілуіне ғана қызмет етеді. Бактерияларда ол сондай-ақ F430 кофакторы және кобаламин (В12 витамині) сияқты күрделі заттарды да өндіреді. Бұл жол цитрустық қышқыл циклынан (Кребс циклы) глицин аминоқышқылы мен сукцинил-КоА-дан δ-аминолевулин қышқылының (dALA немесе δALA) синтезімен басталады. Бұл реакцияға жауапты, жылдамдықты шектейтін фермент – АЛА синтетазасы глюкоза мен гема концентрациясымен теріс реттеледі. Гема немесе геминмен АЛА-ның тежелу механизмі мРНҚ синтезінің тұрақтылығын төмендету және митохондрияға мРНҚ сіңуін азайту арқылы жүзеге асады. Бұл механизм терапиялық маңызға ие: гема аргинаты немесе гематин мен глюкоза инфузиясы АЛА синтетазасының транскрипциясын төмендету арқылы осы процестің метаболизмінде туа біткен ақаулары бар пациенттердегі жедел аралық порфирияның шабуылдарын тоқтатуға көмектеседі. Гема синтезіне негізінен бауыр (онда синтездің жылдамдығы жүйелік гема қорына байланысты өте өзгермелі) және сүйек миы (онда гема синтезінің жылдамдығы салыстырмалы түрде тұрақты және глобин тізбегінің өндірісіне байланысты) қатысады, бірақ әрбір жасуша дұрыс жұмыс істеуі үшін гемаға мұқтаж. Дегенмен, оның уытты қасиеттеріне байланысты, синтезде пайдалану үшін физиологиялық темір қорын сақтауға көмектесетін эмопексин (Hx) сияқты ақуыздар қажет. Гема – гемоглобиннің метаболизмі процесіндегі гемоглобиннің катаболизміндегі аралық молекула ретінде қарастырылады. Гема синтезіндегі әртүрлі ферменттердің бұзылулары порфириялар деп аталатын аурулар тобына алып келуі мүмкін, оларға жедел аралық порфирия, туа біткен эритропоэтикалық порфирия, порфирия кутанея тарда, тұқым қуалайтын копропорфирия, вариегат порфирия және эритропоэтикалық протопорфирия жатады.

Азық-түлік үшін синтез

Impossible Foods, өсімдік негізіндегі ет алмастырғыштарын өндіретін компания, соя тамырының легемоглобині мен ашытқыны қолданатын үдетілген гема синтезі процесін пайдаланады. Соның нәтижесінде алынған гема етсіз (вегандық) Impossible бургер котлеттері сияқты өнімдерге қосылады. Легемоглобин өндіруге қажетті ДНК сояның тамыр түйіндерінен бөлініп алынып, ашытқы жасушаларында геманы көп мөлшерде өндіру үшін қолданылады. Бұл процестің нәтижесінде алынған өнімдерге етке тән дәм беріледі.

Деградация

Бұл процестер көкбауырдың макрофагтарында басталады, олар ескірген және зақымдалған эритроциттерді қан айналымынан шығарады. Бірінші кезеңде гема ферменті гема оксигеназа (HO) арқылы биливердинге айналады. NADPH тотығуға қарсы агент ретінде қолданылады, реакцияға молекулалық оттегі қатысады, көміртек оксиді (CO) түзіледі және темір молекуладан темір(II) ионы (Fe2+) ретінде босатылады. CO жасушалық хабаршы ретінде әрекет етеді және қантамырларды кеңейтуге қатысады. Сонымен қатар, геманың ыдырауы окистену стресіне эволюциялық сақталған жауап болып көрінеді. Қысқаша айтқанда, жасушалар еркін радикалдарға ұшырағанда, геманы ыдырататын стресске сезімтал гема оксигеназа 1 (HMOX1) изоферментінің экспрессиясы жылдам жоғарылайды (төменде қараңыз). Окистену стресіне жауап ретінде жасушалардың геманы ыдырату қабілетін үрделген түрде арттыру себебі әлі анықталмаған, бірақ бұл еркін геманың зиянды әсерінен қорғайтын цитопротективті жауаптың бір бөлігі болып көрінеді. Егер көп мөлшерде бос гема жиналса, геманы залалсыздандыру/ыдырату жүйелері жүктеліп, геманың зиянды әсерін көрсетуіне мүмкіндік береді. Билирубин бауырға протеинмен (қан сарысуы альбуминімен) байланысқан жеңілдетілген диффузия арқылы тасымалданады, онда ол глюкуроникалық қышқылмен конъюгацияланып, суда жақсырақ ериді. Реакцияны UDP глюкуронозилтрансфераза ферменті катализдейді. Билирубиннің бұл түрі бауырдан өт арқылы шығарылады. Билирубиннің бауырдан өт каналдарына шығарылуы белсенді, энергияға тәуелді және шектеуші процесс болып табылады. Ішек бактериялары билирубин диглюкурониді деконъюгациялап, еркін билирубин бөліп шығарады, ол бактериялық фермент билирубин редуктазасы арқылы қайта сіңіріледі немесе уробилиногенге дейін тотықтырылады. Уробилиногеннің бір бөлігі ішек жасушалары арқылы сіңіріліп, бүйрекке жеткізіледі және зәрмен шығарылады (уробилин – уробилиногеннің тотығу нәтижесінде пайда болған және зәрдің сары түсіне себепші). Қалғаны ас қорыту жолымен өтіп, стеркобиллиногенге айналады. Бұл стеркобилинге тотықтырылып, бөлініп шығады және нәжістің қоңыр түсіне себепші болады.

Денсаулық пен ауруда

Гомеостаз жағдайында геманың реактивтілігі гемопротеиндердің "гема қалталарына" енуі арқылы реттеледі. Бірақ, тотығу стресі кезінде кейбір гемопротеиндер, мысалы, гемоглобин, өз гема протездік топтарын босата алады. Осылайша түзілген ақуызға байланыспаған (еркін) гема өте цитотоксикалық болады, бұл, бастысы, оның протопорфирин IX сақинасындағы темір атомынан туындайды, ол Фентон реагенті ретінде шексіз түрде еркін радикалдардың түзілуін катализдей алады. Ол ақуыздың тотығуы мен агрегациясын, липидтік пероксидтеу арқылы цитотоксикалық липидтік пероксидтердің пайда болуын катализдейді және тотығу стресі арқылы ДНК-ны зақымдайды. Липофильді қасиеттеріне байланысты, ол митохондриялар және ядролар сияқты органеллалардың липидтік екі қабаттарын бұзады. Еркін геманың осы қасиеттері түрлі жасуша түрлерін қабынуға қарсы агонисттерге жауап ретінде программаланған жасуша өліміне сезімтал етуі мүмкін, бұл зиянды әсер кейбір қабыну ауруларының, мысалы, қызба және сепсистің патогенезінде маңызды рөл атқарады.

Қатерлі ісік

Еттен алынған гема темірін көп мөлшерде тұтыну колоректальды қатерлі ісікке шалдығу қаупінің артуымен байланысты. Американдық қатерлі ісіктерді зерттеу институты (AICR) және Дүниежүзілік қатерлі ісіктерді зерттеу қоры (WCRF) 2018 жылғы есепте гема темірі бар тағамдардың колоректальды қатерлі ісікке шалдығу қаупін арттыратынына шектеулі, бірақ нақты дәлелдер бар екенін мәлімдеді. 2019 жылғы шолу гема темірін тұтынудың сүт безі қатерлі ісігінің қаупін арттырумен байланысты екенін көрсетті.