Metabolismo dell'eme

Metabolismo dell'eme

Sintesi dell'eme

L'eme è una molecola organica complessa, composta dalla porfina.

Porfina: struttura del macrociclo, costituita da 4 anelli pirrolici eterociclici, uniti tra di loro da 4 ponti metilici. Questa struttura consente la formazione di più forme di risonanza e quindi la diversa organizzazione dei doppi legami. Presenta sostituenti diversi:

• 4 gruppi metilici nelle posizioni 1, 3, 5, 8
• 2 gruppi vinilici nelle posizioni 2 e 4
• Due propionati nelle posizioni 6 e 7

La caratteristica fondamentale dell'eme è quella di poter fare un legame di coordinazione tra i quattro atomi di azoto con uno ione metallo, il ferro, che si trova al centro degli anelli.

Vi sono diverse strutture dell'eme, con sostituenti diversi oppure con diversi scaffold. Per esempio, l'eme d1 si trova nei batteri e ha uno scaffold diverso dall'eme comune "b", mentre altri hanno uno scaffold simile, ad esempio l'eme "a" e l'eme "c", ma diversi sostituenti.

Questi gruppi eme si trovano all'interno dei citocromi, in particolare:

• Il gruppo eme dei citocromi "a" e "b" è saldamente legato alla proteine, senza legami covalenti
• Il gruppo eme dei citocromi "c" è legato covalentemente alle proteine dei citocromo attraverso residui di Cys

Il potenziale di riduzione dell'atomo di ferro dipende dalle sue interazioni con le catene laterali dei residui della proteine e quindi risulta diverso in ogni citocromo.

Proprietà spettroscopiche

La presenza dei doppi legami dell'anello tetra-pirrolico e del metallo conferisce proprietà spettroscopiche peculiari alle proteine che lo legano, che dipendono:

• Dal tipo di eme
• Dallo stato di riduzione del ferro
• Dai residui amminoacidici che coordinano il metallo

Per esempio, le varie forme di emoglobina (ossiemoglobina, desossiemoglobina, metaemoglobina) hanno picchi di assorbimento differenti e quindi colori differenti: il colore del sangue differisce in base allo stato dell'emoglobina.

Sapendo che ho picchi diversi in base al ligando, posso valutare la curva di saturazione dell'emoglobina: conoscendo la concentrazione globale di emoglobina, osservo come cambia il picco di luce aggiungendo ossigeno: ad un certo punto, quando l'emoglobina è saturata, il picco di luce non subirà modifiche.

Facendo un'analisi spettroscopica:

• Il primo picco è a 280 ed è il picco del triptofano
• Il secondo è il picco di Soret, causato dall'eme
• Il terzo e quarto picco sono dati da altri amminoacidi

Funzioni dell'eme

• Emoglobina
• Mioglobina
• Citocromi
• Catalasi
• Perossidasi

Sintesi dell'eme

L'eme viene sintetizzato:

• Nel midollo osseo, che viene usato:
  • Per l'85% dell'eme prodotto, nell'emoglobina
  • Per il 10% dell'eme prodotto, nella mioglobina
• Nel fegato, per il 5% dell'eme prodotto, che costituisce i citocromi.

La sintesi dell'eme, sia epatica che midollare, avviene in due compartimenti distinti della cellula:

• Nei mitocondri
• Nel citosol

I tappa

Succinil-CoA + Glicina → acido δ-aminolevulinico (ALA)
Enzima: ALA sintasi

Il Succinil-CoA è molto abbondante nel mitocondrio in quanto deriva dal ciclo di Krebs. L'enzima ALA sintasi utilizza come cofattore il PLP che permette l'attacco della glicina e la rimozione del CoA. Il PLP agisce formando prima un'aldimina interna e poi un'aldimina esterna.

Il primo intermedio che si forma è un acido, l'acido δ-amino β-cheto adipico, che va incontro a decarbossilazione liberando una CO₂ e formando acido δ-aminolevulinico (ALA).

Questa reazione costituisce il check-point della sintesi dell'eme: la regolazione della quantità di eme è molto importante perché un suo eccesso può causare stress ossidativo e sottrarre ferro alla cellula, un suo difetto causa mancato trasporto di ossigeno e detossificazione del fegato.

L'eme stesso è una molecola regolatrice nei confronti dell'ALA sintasi:

• L'eme è un inibitore a feedback dell'ALA sintasi
• L'eme può inibire la sintesi dell'ALA sintasi, controllando l'emivita del trascritto di mRNA
• L'eme può inibire il trasporto dell'ALA sintasi dal citoplasma al mitocondrio: l'ALA sintasi è un enzima prodotto dai ribosomi nel citoplasma e deve poi essere trasportato nel mitocondrio.
• L'assenza di eme determina una massiva produzione di ALA sintasi

Fegato e midollo osseo hanno due esigenze metaboliche diverse, per cui esistono due diverse isoforme dell'enzima ALA sintasi:

• ALA sintasi I: nel fegato. La regolazione a livello del fegato si basa sul pool di eme in generale, ed è focalizzata sul bilancio del citocromo p450. È regolata anche da glucosio, barbiturici, contraccettivi orali.
• ALA sintasi II: nel midollo osseo. La regolazione a livello del midollo si basa essenzialmente sulla disponibilità di ferro da coniugare al gruppo.

II tappa

2 acido δ-aminolevulinico (ALA) → porfobilinogeno (PBG) + 2H₂O
Enzima: porfobilinogeno sintasi

Questa seconda tappa avviene nel citoplasma e prevede l'unione di due molecole di ALA e il rilascio di 2H₂O.

L'enzima porfobilinogeno sintasi è inibito dal piombo, che può sostituire lo zinco presente nell'enzima fisiologicamente e che, presentando reattività diversa, intrappola l'enzima che non è più in grado di catalizzare la reazione.

Il prodotto della reazione è il porfobilinogeno, un composto costituito da un eterociclo a 5 atomi con azoto, acetato (-CH₂-COO^-) e gruppo propionico (CH₂-CH₂-COO^-).

III tappa

4 porfobilinogeno (PBG) → tetrapirrolo lineare
Enzima: uroporfirinogeno sintetasi

In questa reazione l'enzima uroporfirinogeno sintetasi condensa 4 molecole di PBG e forma il tetrapirrolo in forma lineare, eliminando tre molecole di ammoniaca e lasciandone una terminale.

IV tappa

Tetrapirrolo lineare → uroporfirinogeno III
Enzima: uroporfirinogeno III co-sintetasi

In questa reazione avviene la chiusura dell'anello tetrapirrolico. Durante la chiusura viene invertita la posizione dei sostituenti sull'anello IV (acetato e propionato) e viene eliminata l'ultima ammoniaca.

In assenza dell'enzima uroporfirinogeno III co-sintetasi si forma per via non enzimatica l'uroporfirinogeno I, i cui sostituenti sull'anello IV non sono invertiti. Questo metabolita non può svolgere le funzioni normali.

V tappa

Uroporfirinogeno III → coproporfirinogeno III
Enzima: uroporfirinogeno decarbossilasi

In questa reazione l'enzima uroporfirinogeno decarbossilasi decarbossila i gruppi acetati in metili, formando 4 CO₂ e il coproporfirinogeno III.

VI tappa

Coproporfirinogeno III → protoporfirinogeno IX
Enzima: coproporfirinogeno ossidasi

In questa reazione due gruppi propionati diventano gruppi vinilici. L'enzima coproporfirinogeno ossidasi è O₂ dipendente e utilizza Mn²⁺. Nei batteri questo enzima esiste anche in forma O₂ indipendente perché in condizioni di anaerobiosi o microaerobiosi i batteri hanno bisogno di emoproteine per sostenere catene respiratorie alternative.

VII tappa

Protoporfirinogeno IX → protoporfirina IX
Enzima: protoporfirinogeno ossidasi

In questa reazione avviene l'ossidazione di gruppi metilenici (-CH₂) in gruppi metinici (CH=), con la formazione della protoporfirina IX. L'enzima protoporfirinogeno ossidasi è una flavoproteina.