Гем: Координационный комплекс железа и порфирина.

Введение

Химический координационный комплекс иона железа, хелатированного с порфирином.

Гем (американский английский) или гемоглобин (английский язык Содружества, оба произносятся /hi:m/ HEEM) – это кольцеобразный, содержащий железо молекулярный компонент гемоглобина, необходимый для связывания кислорода в кровотоке. Он состоит из четырех пиррольных колец с двумя винильными и двумя пропионовыми кислотными боковыми цепями. Гем биосинтезируется как в костном мозге, так и в печени. Гем играет критическую роль во множестве окислительно-восстановительных реакций у млекопитающих благодаря своей способности переносить кислород. Эти реакции включают окислительный метаболизм (цитохром c оксидаза, сукцинатдегидрогеназа), детоксикацию ксенобиотиков посредством путей цитохрома P450 (включая метаболизм некоторых лекарственных средств), газочувствительность (гуанилциклазы, синтаза оксида азота) и процессинг микроРНК (DGCR8). Гем – это координационный комплекс, "состоящий из иона железа, координированного с тетрапирролом, выступающим в качестве тетрадентатного лиганда, и одного или двух аксиальных лигандов". Это определение достаточно широкое, и многие изображения опускают аксиальные лиганды. Среди металлопорфиринов, используемых металлопротеинами в качестве протезных групп, гем является одним из наиболее распространенных и определяет семейство белков, известных как гемопротеины. Гемы наиболее известны как компоненты гемоглобина – красного пигмента крови, но также встречаются во многих других биологически важных гемопротеинах, таких как миоглобин, цитохромы, каталазы, гемопероксидаза и эндотелиальная синтаза оксида азота. Слово "гем" происходит от греческого αἷμα (haima), означающего "кровь".

Функция

Гемопротеины выполняют разнообразные биологические функции, включая транспорт двухатомных газов, химический катализ, детекцию двухатомных газов и перенос электронов. Гемовое железо служит источником или акцептором электронов во время переноса электронов или окислительно-восстановительной химии. В реакциях пероксидазы молекула порфирина также служит источником электронов, способная делокализовать радикальные электроны в сопряженной системе кольца. При транспорте или детекции двухатомных газов газ связывается с гемовым железом. При детекции двухатомных газов связывание газового лиганда с гемовым железом индуцирует конформационные изменения в окружающем белке. В целом, двухатомные газы связываются только с восстановленным гемом, то есть с железом Fe(II), в то время как большинство пероксидаз циклируют между Fe(III) и Fe(IV), а гемопротеины, участвующие в митохондриальном редокс, совершают цикл между Fe(II) и Fe(III). Предполагается, что первоначальной эволюционной функцией гемопротеинов был перенос электронов в примитивных серосодержащих путях фотосинтеза у предковых цианобактерий и подобных им организмов до появления молекулярного кислорода. Гемопротеины достигают своего замечательного функционального разнообразия, модифицируя окружение гемового макроцикла внутри белковой матрицы. Например, способность гемоглобина эффективно доставлять кислород к тканям обусловлена специфическими аминокислотными остатками, расположенными вблизи молекулы гема. Гемоглобин обратимо связывается с кислородом в легких при высоком pH и низкой концентрации углекислого газа. Когда ситуация меняется на обратную (низкий pH и высокая концентрация углекислого газа), гемоглобин высвобождает кислород в ткани. Это явление, заключающееся в том, что сродство гемоглобина к кислороду обратно пропорционально кислотности и концентрации углекислого газа, известно как эффект Бора. Молекулярный механизм этого эффекта заключается в стерической организации глобиновой цепи; остаток гистидина, расположенный рядом с гемовой группой, становится положительно заряженным в кислых условиях (вызванных растворенным CO2 в работающих мышцах и т.д.), высвобождая кислород из гемовой группы.

Hemoproteins have diverse biological functions including the transportation of diatomic gases, chemical catalysis, diatomic gas detection, and electron transfer. The heme iron serves as a source or sink of electrons during electron transfer or redox chemistry. In peroxidase reactions, the porphyrin molecule also serves as an electron source, being able to delocalize radical electrons in the conjugated ring. In the transportation or detection of diatomic gases, the gas binds to the heme iron. During the detection of diatomic gases, the binding of the gas ligand to the heme iron induces conformational changes in the surrounding protein. In general, diatomic gases only bind to the reduced heme, as ferrous Fe(II) while most peroxidases cycle between Fe(III) and Fe(IV) and hemeproteins involved in mitochondrial redox, oxidation reduction, cycle between Fe(II) and Fe(III). It has been speculated that the original evolutionary function of hemoproteins was electron transfer in primitive sulfur based photosynthesis pathways in ancestral cyanobacteria like organisms before the appearance of molecular oxygen. Hemoproteins achieve their remarkable functional diversity by modifying the environment of the heme macrocycle within the protein matrix. For example, the ability of hemoglobin to effectively deliver oxygen to tissues is due to specific amino acid residues located near the heme molecule. Hemoglobin reversibly binds to oxygen in the lungs when the pH is high, and the carbon dioxide concentration is low. When the situation is reversed (low pH and high carbon dioxide concentrations), hemoglobin will release oxygen into the tissues. This phenomenon, which states that hemoglobin's oxygen binding affinity is inversely proportional to both acidity and concentration of carbon dioxide, is known as the Bohr effect. The molecular mechanism behind this effect is the steric organization of the globin chain; a histidine residue, located adjacent to the heme group, becomes positively charged under acidic conditions (which are caused by dissolved CO2 in working muscles, etc. ), releasing oxygen from the heme group.

Другие ребра

Следующая система нумерации порфиринов, основанная на нумерации атомов углерода, является более старой системой, используемой биохимиками, а не системой нумерации 1–24, рекомендованной IUPAC, которая представлена в таблице выше. Гем l является производным гема B, ковалентно связанным с белком лактопероксидазы, эозинофильной пероксидазы и пероксидазы щитовидной железы. Присоединение пероксида к глутамилу 375 и аспартату 225 лактопероксидазы образует эфирные связи между этими аминокислотными остатками и метильными группами гема 1 и 5 соответственно. Гем m является производным гема B, ковалентно связанным в активном центре миелопероксидазы. Гем m содержит две эфирные связи у метильных групп гема 1 и 5, которые также присутствуют в геме l других пероксидаз млекопитающих, таких как лактопероксидаза и эозинофильная пероксидаза. Кроме того, формируется уникальная сульфонамидная связь между серой метионильного аминокислотного остатка и винильной группой гема 2, что придает этому ферменту уникальную способность легко окислять ионы хлорида и бромида до гипохлорита и гипобромита. Миелопероксидаза содержится в нейтрофилах млекопитающих и отвечает за уничтожение проникающих бактерий и вирусов. Возможно, она синтезирует гипобромит случайно. И гипохлорит, и гипобромит – это высокореактивные соединения, ответственные за образование галогенированных нуклеозидов, которые являются мутагенными веществами. Гем D – еще одно производное гема B, в котором пропионовая кислотная боковая цепь у атома углерода в позиции 6, которая также гидроксилирована, образует γ-спиролактон. Кольцо III также гидроксилировано в позиции 5, в транс-конформации по отношению к новой лактонной группе. Гем S связан с гемом B тем, что содержит формильную группу в позиции 2 вместо винильной группы 2. Гем S содержится в гемоглобине некоторых видов морских червей. Правильные структуры гема B и гема S впервые были установлены немецким химиком Хансом Фишером. Названия цитохромов обычно (но не всегда) отражают типы гемов, которые они содержат: цитохром a содержит гем A, цитохром c содержит гем C и так далее. Эта условность, возможно, была впервые введена с публикацией структуры гема A.

The following carbon numbering system of porphyrins is an older numbering used by biochemists and not the 1–24 numbering system recommended by IUPAC, which is shown in the table above. Heme l is the derivative of heme B which is covalently attached to the protein of lactoperoxidase, eosinophil peroxidase, and thyroid peroxidase. The addition of peroxide with the glutamyl 375 and aspartyl 225 of lactoperoxidase forms ester bonds between these amino acid residues and the heme 1 and 5 methyl groups, respectively. Heme m is the derivative of heme B covalently bound at the active site of myeloperoxidase. Heme m contains the two ester bonds at the heme 1 and 5 methyl groups also present in heme l of other mammalian peroxidases, such as lactoperoxidase and eosinophil peroxidase. In addition, a unique sulfonamide ion linkage between the sulfur of a methionyl amino acid residue and the heme 2 vinyl group is formed, giving this enzyme the unique capability of easily oxidizing chloride and bromide ions to hypochlorite and hypobromite. Myeloperoxidase is present in mammalian neutrophils and is responsible for the destruction of invading bacteria and viral agents. It perhaps synthesizes hypobromite by "mistake". Both hypochlorite and hypobromite are very reactive species responsible for the production of halogenated nucleosides, which are mutagenic compounds. Heme D is another derivative of heme B, but in which the propionic acid side chain at the carbon of position 6, which is also hydroxylated, forms a γ spirolactone. Ring III is also hydroxylated at position 5, in a conformation trans to the new lactone group. Heme S is related to heme B by having a formyl group at position 2 in place of the 2 vinyl group. Heme S is found in the hemoglobin of a few species of marine worms. The correct structures of heme B and heme S were first elucidated by German chemist Hans Fischer. The names of cytochromes typically (but not always) reflect the kinds of hemes they contain: cytochrome a contains heme A, cytochrome c contains heme C, etc. This convention may have been first introduced with the publication of the structure of heme A.

Использование заглавных букв для обозначения типа гема

Практика обозначения гемов с заглавными буквами была формализована в сноске в статье Пуустинена и Викстрома, в которой объясняется, при каких условиях следует использовать заглавную букву: «Мы предпочитаем использовать заглавные буквы для описания структуры гема в изолированном виде. Строчные буквы могут свободно использоваться для цитохромов и ферментов, а также для описания отдельных гемовых групп, связанных с белком (например, комплексы цитохрома bc и aa3, цитохром b5, гема c1 комплекса bc1, гема a3 комплекса aa3 и т. д.)». Иными словами, химическое соединение обозначается заглавной буквой, а конкретные экземпляры в структурах – строчной. Таким образом, цитохром оксидаза, содержащая в своей структуре два гема A (гема a и гема a3), содержит два моля гема A на моль белка. Цитохром bc1, содержащий гемы bH, bL и c1, содержит гемы B и C в соотношении 2:1. По-видимому, эта практика возникла в статье Кауги и Йорка, в которой продукт новой процедуры изоляции гема цитохрома aa3 был обозначен гемом A, чтобы отличить его от предыдущих препаратов: «Наш продукт не идентичен во всех отношениях гему a, полученному в растворе другими исследователями путем восстановления гемина a, выделенного ранее (2). По этой причине мы будем обозначать наш продукт гемом A до тех пор, пока кажущиеся различия не будут объяснены». В более поздней статье группа Кауги использовала заглавные буквы для обозначения изолированных гемов B и C, а также A.

Синтез

Ферментативный процесс, в ходе которого образуется гем, правильно называется синтезом порфиринов, поскольку все промежуточные соединения – это тетрапирролы, которые химически классифицируются как порфирины. Этот процесс высоко консервативен в биологии. У человека этот путь служит почти исключительно для образования гема. У бактерий он также производит более сложные вещества, такие как кофактор F430 и кобаламин (витамин B12). Путь инициируется синтезом δ-аминолевулиновой кислоты (δALA или dALA) из аминокислоты глицина и сукцинил-КоА из цикла лимонной кислоты (цикла Кребса). Фермент, лимитирующий скорость этой реакции, АЛА-синтаза, подвергается отрицательной регуляции глюкозой и концентрацией гема. Механизм ингибирования АЛА-синтазы гемом или гемином заключается в снижении стабильности синтеза мРНК и уменьшении поступления мРНК в митохондрии. Этот механизм имеет терапевтическое значение: инфузия гема-аргината или гематина в сочетании с глюкозой может купировать приступы острой перемежающейся порфирии у пациентов с врожденным нарушением метаболизма этого процесса, снижая транскрипцию АЛА-синтазы. Основными органами, участвующими в синтезе гема, являются печень (в которой скорость синтеза сильно варьируется в зависимости от общего пула гема в организме) и костный мозг (в котором скорость синтеза гема относительно постоянна и зависит от продукции глобиновой цепи), хотя каждой клетке необходим гем для нормального функционирования. Однако, из-за его токсических свойств, такие белки, как эмопексин (Hx), необходимы для поддержания физиологических запасов железа, чтобы оно могло быть использовано в синтезе. Гем рассматривается как промежуточное соединение в катаболизме гемоглобина в процессе метаболизма билирубина. Дефекты различных ферментов в синтезе гема могут приводить к группе заболеваний, называемых порфириями, которые включают острую перемежающуюся порфирию, врожденную эритропоэтическую порфирию, порфирию кутанеа тарда, наследственную копропорфирию, вариегатную порфирию и эритропоэтическую протопорфирию.

Синтез для пищевых продуктов

Impossible Foods, производители растительных заменителей мяса, используют ускоренный процесс синтеза гема с участием легемоглобина соевого корня и дрожжей, добавляя полученный гем в такие продукты, как веганские бургеры Impossible. ДНК для производства легемоглобина была выделена из клубеньков корней сои и экспрессирована в клетках дрожжей для сверхпродукции гема, необходимого для производства веганских бургеров. Утверждается, что этот процесс придает готовой продукции вкус, напоминающий мясо.

Деградация

Деградация начинается внутри макрофагов селезенки, которые удаляют старые и поврежденные эритроциты из кровообращения. На первом этапе гема превращается в биливердин ферментом гемооксигеназа (HO). NADPH используется в качестве восстановителя, в реакцию входит молекулярный кислород, образуется окись углерода (CO), а железо высвобождается из молекулы в виде иона железа (Fe2+). CO действует как клеточный посредник и участвует в вазодилатации. Кроме того, деградация гема, по-видимому, является эволюционно консервативным ответом на окислительный стресс. Вкратце, когда клетки подвергаются воздействию свободных радикалов, происходит быстрая индукция экспрессии стрессоустойчивого изофермента гемооксигеназы 1 (HMOX1), который катализирует распад гема (см. ниже). Причина, по которой клетки должны экспоненциально увеличивать свою способность к деградации гема в ответ на окислительный стресс, остается неясной, но это, по-видимому, является частью цитопротективного ответа, предотвращающего вредное воздействие свободного гема. Когда накапливается большое количество свободного гема, системы детоксикации/разложения гема перегружаются, что позволяет гему оказывать повреждающее воздействие. Билирубин транспортируется в печень с помощью облегченной диффузии, связанный с белком (сывороточным альбумином), где он конъюгируется с глюкуроновой кислотой, чтобы стать более водорастворимым. Реакция катализируется ферментом UDP-глюкуронозилтрансфераза. Эта форма билирубина выводится из печени в желчь. Выделение билирубина из печени в желчные канальцы является активным, энергозависимым и лимитирующим скорость процессом. Кишечные бактерии деконъюгируют билирубин диглюкуронид, высвобождая свободный билирубин, который может быть либо реабсорбирован, либо восстановлен до уробилиногена бактериальным ферментом билирубинредуктаза. Часть уробилиногена всасывается клетками кишечника, транспортируется в почки и выводится с мочой (уробилин, который является продуктом окисления уробилиногена и отвечает за желтый цвет мочи). Остальное продвигается по пищеварительному тракту и превращается в стеркобилиноген. Он окисляется до стеркобилина, который выводится с фекалиями и придает им коричневый цвет.

Degradation begins inside macrophages of the spleen, which remove old and damaged erythrocytes from the circulation. In the first step, heme is converted to biliverdin by the enzyme heme oxygenase (HO). NADPH is used as the reducing agent, molecular oxygen enters the reaction, carbon monoxide (CO) is produced and the iron is released from the molecule as the ferrous ion (Fe2+). CO acts as a cellular messenger and functions in vasodilation. In addition, heme degradation appears to be an evolutionarily conserved response to oxidative stress. Briefly, when cells are exposed to free radicals, there is a rapid induction of the expression of the stress responsive heme oxygenase 1 (HMOX1) isoenzyme that catabolizes heme (see below). The reason why cells must increase exponentially their capability to degrade heme in response to oxidative stress remains unclear but this appears to be part of a cytoprotective response that avoids the deleterious effects of free heme. When large amounts of free heme accumulates, the heme detoxification/degradation systems get overwhelmed, enabling heme to exert its damaging effects. Bilirubin is transported into the liver by facilitated diffusion bound to a protein (serum albumin), where it is conjugated with glucuronic acid to become more water soluble. The reaction is catalyzed by the enzyme UDP glucuronosyltransferase. This form of bilirubin is excreted from the liver in bile. Excretion of bilirubin from liver to biliary canaliculi is an active, energy dependent and rate limiting process. The intestinal bacteria deconjugate bilirubin diglucuronide releasing free bilirubin, which can either be reabsorbed or reduced to urobilinogen by the bacterial enzyme bilirubin reductase. Some urobilinogen is absorbed by intestinal cells and transported into the kidneys and excreted with urine (urobilin, which is the product of oxidation of urobilinogen, and is responsible for the yellow colour of urine). The remainder travels down the digestive tract and is converted to stercobilinogen. This is oxidized to stercobilin, which is excreted and is responsible for the brown color of feces.

В здоровье и болезни

При гомеостазе реакционная способность гема контролируется его включением в "гемокарман" гемопротеинов. Однако при окислительном стрессе некоторые гемопротеины, например гемоглобин, могут высвобождать свои гемопротетические группы. Образующийся таким образом гем, не связанный с белком (свободный), становится высокоцитотоксичным, вероятно, из-за атома железа, содержащегося в его протопорфириновом IX кольце, который может выступать в качестве реагента Фентона, бесконтрольно катализируя образование свободных радикалов. Он катализирует окисление и агрегацию белков, образование цитотоксических липидных пероксидов посредством перекисного окисления липидов и повреждает ДНК, вызывая окислительный стресс. Благодаря своим липофильным свойствам он нарушает структуру липидных бислоев в органеллах, таких как митохондрии и ядра. Эти свойства свободного гема могут повышать чувствительность различных типов клеток к программируемой клеточной гибели в ответ на провоспалительные агонисты, что является вредным эффектом, играющим важную роль в патогенезе некоторых воспалительных заболеваний, таких как малярия и сепсис.

Рак

Существует связь между высоким потреблением гемового железа из мяса и повышенным риском развития колоректального рака. Американский институт исследований рака (AICR) и Всемирный фонд исследований рака (WCRF) в отчете за 2018 год заключили, что имеются ограниченные, но указывающие на это данные о том, что продукты, содержащие гемовое железо, увеличивают риск развития колоректального рака. Обзор 2019 года показал, что потребление гемового железа связано с повышенным риском развития рака молочной железы.