Hem
Hem je prostetička grupa koja se sastoji od atoma željeza koji se nalazi u centru velikog heterocikličnog organskog prstena porfirina. Iako postoje i porfirini bez željeza, najveći dio onih koji sadrže metaloproteine kao prostetičku grupu, ima hem. Poznati su kao hemoproteini. Hemi su najpoznatiji kao aktivne komponente hemoglobina, odnosno crvenom pigmentu krvi, ali ih ima i u mnogim drugim hemoproteinima.[1][2][3]
Funkcija
– nosača elektrona u mitohonrijskom lancu transfera elektrona.
Velike semi-transparentne sfere ukazuju na lokacije iona željeza.
Hemoproteini imaju raznovrsne biološke funkcije, kao što su
- transport dvoatomski gasova,
- hemijska kataliza,
- dvoatomska gasna detekcija, i
- transfer elektrona.
Željezo hema služi kao izvor ili potrošač elektrona tokom transfera elektrona ili redoks reakcije. U peroksidaznim reakcijama, molekula porfirina služi i kao izvor elektrona. U transportu ili detekciji dvoatomskih gasova, gas se vezuje za željezo hema. Tokom detekcije biatomskih gasova, vezivanje gasovitog liganda za gvožđe hema inducira konformacijske promjene okružujućeg proteina.[4]
Smatra se da je izvorna evolucijska nuloga hemoproteina bila transfer elektrona u primitivnim, na sumporu baziranim fotosintetskim putevima u drevnim cijanobakterijama, prije pojave molekulskog kisika.
Izvanrednu funkcijsku raznolikost, hemoproteini ostvaraju modificiranjem okruženja hemovog makrociklusa unutar proteinskog matriksa. Naprimjer, sposobnost hemoglobina da efektivno isporuči kiseonik tkivima je posljedica prisustva specifičnih aminokiselinskih ostataka u blizini hema. Hemoglobin veže kisik u plućnoj kapilarnoj mreži, gdje je pH vrijednost visoka, a pCO2 nizak i otpušta ga u tkivima, gdje je situacija obrnuta. Taj fenomen je poznat kao Borov efekt. Osnov molekulskog mehanizma ove pojave je sterna organizacija globinskog lanca. Histidinski ostaci, koji se nalaze pored hema, postaju pozitivno naelektrisani u zakišeljenim (niskim pH) uvjetima (zbog rastvorenog CO2 u mišićima pri radu i sl.), što dovodi do otpuštanja kisika sa hem grupe.[1][5]
Tipovi hema
Glavne molekule hema
Postoji nekoliko biološki najznačajnijih formi hema:
| Hem a | Hem b | Hem c | Hem o | ||
|---|---|---|---|---|---|
| PubChem broj | 7888115 | 444098 | 444125 | 6323367 | |
| Hemijska formula | C49H56O6N4Fe | C34H32O4N4Fe | C34H36O4N4S2Fe | C49H58O5N4Fe | |
| Funkcijska grupa na C3 |  | -CH(OH)CH2Far | -CH=CH2 | -CH(cistein-S-il)CH3 | -CH(OH)CH2Far |
| Funkcijska grupa na C8 | -CH=CH2 | -CH=CH2 | -CH(cistein-S-il)CH3 | -CH=CH2 | |
| Funkcijska grupa na C18 | -CH=O | -CH3 | -CH3 | -CH3 | |
Putem dvije uzastopne reakcije 17-hidroksietilfarnezil fragment se dodaje u 2-poziciju, a aldehid u 8-poziciju.
Najrasprostanjeniji tip hema je hem B, a ostali važni tipovi su hem A i hem C.
Izolirane molekule hema se obično obilježavaju velikim slovima, dok se hemovi koji su vezani za protein označavaju malim.
Citohrom a je hem A u specifičnoj kombinaciji sa membranskim proteinom, koji formira dio citohrom c oksidaze.
Sinteza
Enzimski proces u kojem se formira hem označava se kao sinteza porfirina, jer su svi međuprodukti: tetrapiroli hemijski klasificirani kao porfirini. Ovaj proces je kod mnogih vrsta živih bića visoko konzerviran. Kod ljudi, taj put se skoro isključivo koristi za formiranje hema. Kod drugih vrsta, njime se proizvode i hemu slične supstance, kao što je kobalamin (vitamin B12).
Ovaj put počinje sintezom D-aminolevulinske kiseline (dALA ili δALA) iz aminokiseline glicina i sukcinil-CoA iz Krebsovog ciklusa. Za ovu reakciju je odgovoran enzim ALA sintaza, koji ograničava brzinu sinteze hema. Strogo je reguliran razinama prisutnog unutarćelijskog željeza i koncentracijom hema. Niska razina željeza uvjetuje smanjenje intenziteta sinteze porfirina, što sprječava akumulaciju toksičnih međuprodukata. Ovaj mehanizam ima terapeutski značaj: infuzija hem arginata ili hematina može da spriječiti napad porfirije kod pacijenata sa urođenom greškom metabolizma tog procesa, redukcijom transkripcije ALA sintaze.
Sinteza hema se uglavnom odvija u jetri i kičmenoj moždini, iako je hem neophodan svakoj ćeliji za normalno funkcioniranje. Hem se smatra međuproduktom u katabolizmu hemoglobina u procesu bilirubinskog metabolizma.
Degradacija hema
Degradacija hema počinje unutar makrofaga slezine, koji uklanjaju stare i oštećene eritrocite iz krvotoka. U prvom koraku, hem se konvertira u biliverdin, pod uticajem enzima hem oksigenaza (HOXG). Kao redukcijski agens djeluje nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADPH). Molekulski kisik je supstrat iz kojeg se formira ugljen-monoksid (CO), a željezo se otpušta iz molekula kao feri ion (Fe3+).Biliverdin se zatim pretvata u bilirubin, posredstvom biliverdin reduktaze' (BVR). Bilirubin kojo je vezan za protein (serumski albumin) se transportira u jetru, gdje se veže sa glukuronskom kiselinom, što povećava njegovu rastvorljivost u vodi. Ta reakcija se katalizira enzimom UDP-glukuronid transferaza (UDPGUTF). Ovaj oblik bilirubina se, iz jetre, izlučuje u žuč. Creijvna „flora“, pdnosno bakterije izdvajaju glukuronsku kiselinu koja bilirubin pretvara do urobilinogena. Dio urobilinogena apsorbuju ćelije crijevnog trakta pa se transportira u bubrege i izlučuje u urin. Ostatak ide u probavni trakt i konvertira se u sterkobilinogen. Ovaj se oksidira do sterkobilina, koji se izlučuje, a daje boju izmetu.
- Proces degradacije hema
HMOX1/2 Hem --------------> Biliverdin + Fe3+ / \ H+ + NADPH NADP+ O2 COBVR Biliverdin -----------> Bilirubin / \ H+ + NADPH NADP+
UDPGUTF Bilirubin + 2 UDP-glukuronat ------------> Bilirubin diglukuronid \ 2 UMP + 2 Pi
Degradacija hema je evolucijski konzerviran odgovor na oksidacijski stres. Kad su ćelije izložene slobodnim radikalima, dolazi do brze indukcije ispoljavanja izoenzima oksigenaza-1 (Hmox1) koji katabolizira hem. Nije jasan uzrok eksponencijalnog povećanja ćelijske sposobnosti da degradira hem u odgovoru na ovaj stres. Smatra se da je to dio ćelijskog zaštitnog odgovora kojim se izbegavaju štetni efekti slobodnog hema.