МОДУЛЬ 13 МЕТАБОЛИЗМ ГЕМА И ОБМЕН ЖЕЛЕЗА

Темы

13.1. Синтез гема и его регуляция

13.2. Обмен железа

13.3. Катаболизм гема

Цели изучения Уметь:

1. Описать диагностические признаки порфирий, железодефицитной анемии, гемохроматоза, желтух разной этиологии, используя знания о молекулярных механизмах нарушений метаболизма гема и железа.

2. Интерпретировать уровни биохимических показателей продуктов катаболизма гема в биологических жидкостях для диагностики различных типов желтух.

Знать:

1. Роль железа в метаболизме, пути его поступления, транспорта, депонирования, реутилизации и потерь в организме.

2. Основные этапы синтеза и катаболизма гема.

3. Значение определения концентрации билирубина в биологических жидкостях для диагностики желтух разной этиологии.

ТЕМА 13.1. СИНТЕЗ ГЕМА И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ

1. Гем является простетической группой гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы, пероксидазы.

2. Гем синтезируется во всех клетках, но наиболее активно синтез идет в печени и костном мозге. Эти ткани нуждаются в больших количествах гема, необходимого для образования гемоглобина и цитохромов. Субстратами синтеза гема являются глицин, сукцинил-КоА и Fe²+. В матриксе митохондрий из глицина и сукцинил-КоА под действием пиридоксальзависимого фермента 5-аминолевулинатсинтазы образуется 5-аминолевулиновая кислота, которая поступает в цитоплазму. В цитоплазме фермент 5 -аминолевулинатдегидратаза катализирует реакцию конденсации двух молекул 5-аминолевулиновой кислоты с образованием порфобилиногена. Далее из четырех молекул порфобилиногена последовательно образуются промежуточные метаболиты - порфириногены, последний из которых поступает в митохондрии и превращается в протопорфирин ГХ. Фермент феррохелатаза завершает образование гема, присоединяя Fe²+ к протопорфирину IX (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Синтез гема.

В митохондриях клеток пиридоксальзависимый фермент 5-аминолевулинатсинтаза катализирует первую реакцию синтеза гема. Затем 5-аминолевулиновая кислота поступает в цитоплазму, где 5-аминолевулинатдегидратаза катализирует превращение двух молекул 5-аминолевулината в порфобилиноген, имеющий циклическое строение. В результате последовательных реакций в цитоплазме образуется протопорфирин IX. Он поступает в митохондрии и под действием фермента феррохелатазы соединяется с Fe+² с образованием гема

3. Две первые реакции синтеза гема катализируют ферменты, аллостерическим ингибитором которых является гем. Вместе с тем гем является индуктором синтеза α- и β-цепей гемоглобина. В ретикулоцитах Fe²+ индуцирует синтез 5-аминолевулинатсинтазы (рис. 13.2). Стероидные гормоны и некоторые лекарства (барбитураты, диклофенак, сульфаниламиды, эстрогены, прогестины) являются индукторами синтеза 5-аминолевулинатсинтазы.

4. В результате генетических дефектов или нарушений регуляции ферментов, участвующих в биосинтезе гема, развиваются порфирии. Первичные порфирии обусловлены генетическими дефектами в структуре генов,

Рис. 13.2. Регуляция синтеза гема и гемоглобина.

Гем по принципу отрицательной обратной связи ингибирует 5-аминолевулинатсин- тазу и 5-аминолевулинатдегидратазу, а также является индуктором трансляции α- и β-цепей гемоглобина. Ионы Fe²+ индуцируют синтез 5-аминолевулинатсинтазы

кодирующих ферменты синтеза гема, вторичные - связаны с нарушениями регуляции реакций синтеза гема. Порфирии может вызвать прием лекарственных препаратов, являющихся индукторами синтеза 5-аминолевулинат- синтазы. Эти заболевания сопровождаются накоплением в клетках промежуточных метаболитов синтеза гема порфириногенов, которые оказывают токсическое действие на нервную систему и вызывают нейропсихические симптомы. Порфириногены на свету превращаются в порфирины, которые при взаимодействии с кислородом образуют активные радикалы, повреждающие клетки кожи.

ТЕМА 13.2. ОБМЕН ЖЕЛЕЗА

Железо входит в состав гемсодержащих белков, а также металлофлавопротеинов, железосерных белков, трансферрина, ферритина.

1. Источником железа при биосинтезе белков, содержащих железо, являются пищевые продукты. Обычно всасывается не более 10% железа пищи. Железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в клетках печени и селезенки, может повторно использоваться для синтеза железосодержащих белков.

Кислая среда желудка и присутствие в пище аскорбиновой кислоты, восстанавливающей Fe ³+, способствуют освобождению железа из солей органических кислот пищи (рис. 13.3).

2. Поступление железа из энтероцитов в кровь зависит от скорости синтеза в них белка апоферритина. Апоферритин улавливает железо в клетках слизистой кишечника и превращается в ферритин, который остается

Рис. 13.3. Обмен железа.

•  Железо поступает с пищей, транспортируется кровью в форме трансферрина, запасается в виде ферритина и используется для синтеза цитохромов, железосодержащих ферментов, гемоглобина и миоглобина.

•  Организм теряет железо с мочой, калом, потом и при кровотечениях.

•  Гемосидерин аккумулирует избыток железа

в энтероцитах. Это снижает поступление железа в кровь из клеток кишечника. Когда потребности в железе невелики, скорость синтеза апоферритина повышается. Слущивание клеток слизистой оболочки кишечника освобождает организм от излишков железа. При недостатке железа в организме апоферритин в энтероцитах почти не синтезируется.

Фермент крови ферроксидаза (церулоплазмин) окисляет железо, оно связывается с гликопротеином крови трансферрином и транспортируется кровью (рис. 13.4).

3. Трансферрин взаимодействует со специфическими рецепторами и поступает в клетки. Количество рецепторов трансферрина зависит от содержания железа в клетках и регулируется на уровне транскрипции гена белкарецептора. При снижении содержания железа в клетках скорость синтеза рецепторов повышается, и наоборот.

Рис. 13.4. Поступление экзогенного железа в ткани.

В полости кишечника Fe³+ высвобождается из белков и солей органических кислот пищи. Усвоение Fe³+ улучшает аскорбиновая кислота, восстанавливающая его до Fe+². Поступление Fe²+ из слизистой оболочки кишечника в кровь сопровождается окислением железа медьсодержащим ферментом плазмы крови ферроксидазой. Избыток поступившего в клетки слизистой оболочки кишечника железа соединяется с белком апоферритином, который окисляет железо и превращается в ферритин. В крови Fe³+ транспортирует белок плазмы крови трансферрин. В тканях Fe²+ используется для синтеза железосодержащих белков или депонируется в составе ферритина.

4. Белок ферритин играет роль депо железа в клетках печени, селезенки, костного мозга. Избыток железа аккумулируется в печени и других тканях в составе гранул гемосидерина. Если количество железа в клетках превышает объем ферритинового депо, то оно откладывается в белковой части молекулы ферритина. Таким образом ферритин превращается в гемосидерин, который плохо растворим в воде и может содержать до 37% железа. Накопление гранул гемосидерина в ретикулоэндотелиоцитах печени и селезенки может привести к повреждению органа - гемохроматозу.

При недостаточном поступлении или нарушении утилизации железа развивается железодефицитная анемия.

ТЕМА 13.3. КАТАБОЛИЗМ ГЕМА

1. Распад гема происходит в эндоплазматическом ретикулуме клеток эндотелиальной системы селезенки, костного мозга и печени при участии ферментов гемоксигеназной системы (рис. 13.5). В результате ряда превращений образуется непрямой (не дающий прямую реакцию с диазореактивом, так как связан с белком альбумином) - неконъюгированный билирубин. Билирубин плохо растворим в воде и транспортируется кровью в печень в комплексе с альбумином.

Рис. 13.5. Катаболизм гема

2. Билирубин поступает в гепатоциты по механизму облегченной диффузии с помощью белков-переносчиков лигандина и протеина Z. В печени билирубин конъюгирует с глюкуроновой кислотой под действием ферментов эндоплазматического ретикулума УДФ-глюкуронилтрансферазы I, катализирующей образование билирубинмоноглюкуронида и УДФ-глюкуронилтрансферазы II, образующей билирубиндиглюкуронид. В результате реакций конъюгации образуется прямой или конъюгированный, билирубин (рис. 13.6).

Рис. 13.6. Образование билирубинмоноглюкуронида и билирубиндиглюкуронида (прямого билирубина) в гепатоцитах

Синтез УДФ-глюкуронилтрансфераз индуцируют некоторые лекарственные препараты, например, фенобарбитал.

3. По механизму активного транспорта прямой билирубин в составе желчи поступает в двенадцатиперстную кишку. В кишечнике ферментами микрофлоры он гидролизуется с образованием билирубина и глюкуроновой кислоты. Билирубин в результате нескольких реакций восстановления превращается в бесцветные тетрапирролы - уробилиногены. В результате окисления они превращаются в уробилин, который выводится из организма, являясь пигментом кала уробилином (стеркобилином) (200-300 мг/сут). Небольшая часть уробилиногенов всасывается в кишечнике, с кровью воротной вены транспортируется в печень, оттуда поступает в кровь, затем в почки и, окисляясь в пигмент желтого цвета уробилин, удаляется с мочой(3-4 мг/ сут).

4. Концентрация общего билирубина в крови здорового человека составляет 1,7-17 мкмоль/л (0,1-1 мг/дл). Повышение концентрации билирубина в крови - гипербилирубинемия - может быть обусловлено увеличением образования билирубина, превышающим способность гепатоцитов его конъюгировать и экскретировать в кишечник, закупоркой желчевыводящих протоков, генетическими дефектами ферментов и белков, участвующих в метаболизме билирубина в печени. Когда концентрация билирубина в крови превышает норму более чем в 2,5 раза, он поступает в ткани, окрашивая их в желтый цвет. Пожелтение склер глаз, кожи и слизистых оболочек из-за отложения в них билирубина называют желтухой.

5. При дифференциальной диагностике желтух в крови определяют концентрацию прямого, непрямого и общего билирубина, в моче - содержание прямого билирубина и уробилина, в кале - содержание уробилина (стеркобилина). В зависимости от механизма возникновения различают несколько типов желтух.

•  Гемолитическая (надпеченочная) желтуха является следствием ускоренного гемолиза эритроцитов при генетических дефектах глюкозо- 6-фосфат дегидрогеназы, пируваткиназы или белков плазматической мембраны эритроцитов, отравлении сильными окислителями, переливании несовместимых групп крови. При этом увеличивается по сравнению с нормой поступление билирубина в кровь и образование непрямого билирубина. Уровень непрямого билирубина в крови возрастает в 2-3 раза по сравнению с нормой, так как потенциальная способность гепатоцитов инактивировать билирубин ограничена. В моче и кале повышено содержание уробилина и стеркобилина, соответственно.

•  Механическая (подпеченочная) желтуха является результатом нарушения секреции желчи, вызванным закупоркой желчных протоков камнями или послеоперационными рубцами. В крови повышается концентрация непрямого и прямого билирубина, который поступает в мочу, придавая ей коричневый цвет. В моче и кале отсутствуют уробилин и стеркобилин, поэтому кал больных ахолический (бесцветный).

•  Печеночно-клеточная (печеночная) желтуха сопровождает разные формы гепатита. В этом случае снижается способность гепатоцитов захватывать билирубин из крови и экскретировать его в кишечник, поэтому в крови повышается концентрация прямого и непрямого билирубина, а в моче и кале снижается содержание конечных продуктов распада гема. Поскольку концентрация прямого билирубина в крови превышает почечный порог, то он фильтруется в мочу, окрашивая ее в коричневый цвет. Из-за снижения содержания стеркобилина кал больных светлый.

•  Желтуха новорожденных - это «физиологическая» желтуха. Она обусловлена большим по сравнению взрослым организмом количеством эритроцитов в расчете на массу тела. После рождения ребенка эритроциты разрушаются, так как HbF замещается HbA. Кроме того, у новорожденных может наблюдаться запаздывание «включения» гена глюкуронилтрансферазы, недостачная способность гепатоцитов улавливать билирубин из крови и экскретировать прямой билирубин в желчь. Неконъюгированный билирубин проходит через гематоэнцефалический барьер и, являясь разобщителем окислительного фосфорилирования, снижает синтез АТФ в клетках головного мозга и вызывает пирогенное действие. Дегенеративные изменения нервных клеток приводят к билирубиновой энцефалопатии. Новорожденным назначают барбитураты для индукции синтеза глюкуронилтрансферазы. Кроме того, для снижения уровня неконъюгированного билирубина используют фототерапию новорожденных сине-зеленым светом с длиной волны 620 нм. В результате такого облучения билирубин окисляется и превращается в гидрофильные фотоизомеры, которые поступают в почки и выводятся из организма с мочой.

• Наследственные желтухи обусловлены генетическими дефектами белков, участвующих в метаболизме билирубина в печени. Например, синдром Жильбера связан с генетическими дефектами белков, захватывающих билирубин из крови, синдром Дубина-Джонса - с дефектом белков, участвующих в экскреции прямого билирубина в кишечник, а при синдроме Криглера-Найяра нарушена первичная структура глюкуронилтрансферазы.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ

1. Составьте схему синтеза гема, указав регуляторные ферменты и их аллостерические ингибиторы.

2. Рассчитайте количество молекул глицина, необходимое для синтеза молекулы гема, и число атомов азота аминогрупп глицина, включающихся в состав пиррольных колец гема.

3. Объясните, почему при наследственных дефектах ферментов синтеза гема кожа больных обладает повышенной чувствительностью к солнечному облучению, а моча приобретает красный цвет. Накопление каких промежуточных продуктов синтеза гема вызывает эти симптомы? Как называются болезни, обусловленные генетическими дефектами ферментов синтеза гема?

4. Укажите причину возникновения порфирий у некоторых новорожденных при лечении сульфаниламидами.

5. Используя схему метаболизма железа (рис. 13.7), укажите обозначенные цифрами:

1 - условия среды и витамин, способствующие освобождению железа из

солей органических кислот, содержащихся в пище;

2 - белок, регулирующий поступление железа из энтероцитов в капил-

ляры крови;

3 - белок, связывающий избыток железа в энтероцитах;

4 - фермент, окисляющий железо в крови и облегчающий включение

железа в апотрансферрин;

5 - белок, транспортирующий железо в крови;

6, 7 - белки, которые аккумулируют и депонируют железо в тканях; основные железосодержащие белки:

8 - костного мозга;

9 - мышц;

10-других тканей;

11-основной гемсодержащий белок эритроцитов.

6. Перенесите в тетрадь и заполните таблицу 13.1. Таблица 13.1. Анемии и их характеристики

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Выберите правильные ответы. Синтез гема:

A. Происходит в эритроцитах

Б. Снижается при авитаминозе В₆

B. Регулируется гемом и гемоглобином

Г. Тормозится при дефиците железа в организме Д. Локализован в митохондриях

2. Выберите правильный ответ. Феррохелатаза:

A. Активируется аскорбиновой кислотой Б. Содержит кофермент биотин

B. Присоединяет железо к порфобилиногену Г. Является аллостерическим ферментом

Д. Присоединяет железо к протопорфирину

3. Выберите правильные ответы.

A. Суточная потребность в железе - 10-20 мг

Б. Причина макроцитарной анемии - дефицит железа в организме

B. После распада гема железо используется повторно

Г. Основная часть железа в организме содержится в геме

Д. Большая часть железа в организме находится в ферритине

4. Выберите правильные ответы. Железо в организме:

A. Необходимо для синтеза гемопротеинов Б. Депонируется в ферритине

B. Транспортируется церулоплазмином

Г. Избыток аккумулируется гемосидерином Д. Транспортируется гемоглобином

5. Выберите правильные ответы. Железодефицитные анемии могут возникнуть при:

A. Систематических кровопотерях

Б. Повышении свертываемости крови

B. Снижении синтеза трансферрина Г. Беременности

Д. Недостатке железа в пище

6. Выберите правильные ответы. Причинами гемохроматоза могут быть:

A. Недостаточность синтеза ферритина Б. Интенсивная лактация

B. Частые переливания крови

Г. Повышение всасывания железа в кишечнике Д. Снижение свертываемости крови

7. Установите правильную последовательность событий. При катаболизме гема:

A. Гемоксигеназная система эндоплазматического ретикулума превращает гемоглобин в биливердин

Б. Билирубин соединяется с альбумином

B. Биливердинредуктаза восстанавливает биливердин в билирубин Г. В гепатоцитах образуется конъюгированный билирубин

Д. Непрямой билирубин транспортируется кровью в печень

8. Выберите правильные ответы. Глюкуронилтрансфераза:

A. Катализирует реакцию конъюгации

Б. Индуцируется фенобарбиталом и этанолом

B. Участвует в образовании прямого билирубина Г. Содержится в гепатоцитах

Д. Необходима для обезвреживания прямого билирубина

9. Установите соответствие.

A. Непрямой билирубин

Б. Билирубиндиглюкуронид

B. Уробилиноген Г. Биливердин Д. Уробилин

1. Концентрация в крови повышается при гемолитической желтухе

2. В составе желчи секретируется в кишечник

3. В норме содержится в моче

10. Выберите правильные ответы. При паренхиматозной желтухе:

A. Увеличивается концентрация прямого билирубина в крови Б. В моче присутствует билирубин

B. В кале увеличено содержание стеркобилина

Г. Повышается уровень непрямого билирубина в крови Д. Кал ахолический (обесцвечен)

ЭТАЛОНЫ ОТВЕТОВ К «ЗАДАНИЯМ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ»

1. Б, В, Г

2. Д

3. В, Г

4. А, Б, Г

5. А, В, Г, Д

6. В, Г

7. А→В→Б→Д→Г

8. А, Б, В, Г

9. 1-А, 2-Б, 3-Д

10. А, Б, Г

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ПОНЯТИЯ

1. Гем

2. Порфирии

3. Ферритин

4. Ферроксидаза (церулоплазмин)

5. Трансферрин

6. Железодефицитная анемия

7. Гемохроматоз

8. Биливердин

9. Билирубин (прямой и непрямой)

10. Уробилиногены

11. Уробилин

12. Стеркобилин

13. Желтухи: гемолитическая (надпеченочная), печеночно-клеточная (печеночная), механическая (подпеченочная), новорожденных, наследственные.

ЗАДАНИЯ ДЛЯ АУДИТОРНОЙ РАБОТЫ

Решите задачи

1. Молодая девушка обратилась к дерматологу по поводу красноты, отечности и зуда, появившихся на открытых участках кожи после загородной прогулки в солнечный день. Врач выяснил, что пациентка принимала лекарство

бисептол (препарат, содержащий сульфаниламид) в связи с обострением хронического бронхита. В крови больной обнаружены 5-аминолевулинат и порфобилиноген, моча окрашена в красный цвет. Объясните причину фотодерматоза у этой пациентки и установите заболевание, которым она страдает. Для этого:

а) напишите две первые реакции метаболического пути, в котором обнаруженные в крови пациентки вещества являются промежуточными продуктами;

б) назовите фермент, синтез которого индуцируют сульфаниламиды, укажите механизм его регуляции;

в) объясните молекулярные механизмы возникновения симптомов заболевания.

2. Больному, страдающему железодефицитной анемией, врач назначил лекарственный препарат ферро-фольгамма, содержащий аскорбиновую кислоту, сульфат железа, фолиевую кислоту и витамин В₁₂ Обоснуйте рекомендацию врача, описав роль каждого компонета препарата в метаболизме железа, синтезе гема и гемоглобина.

3. Врожденная атрансферринемия (болезнь Хелмейера) сопровождается нарушением включения железа в синтез гема. Объясните причину железодефицитного состояния, обусловленного недостаточностью трансферрина. Для этого:

а) опишите этапы поступления экзогенного железа в клетки;

б) укажите роль трансферрина в метаболизме железа.

4. В инфекционное отделение больницы поступил пациент с жалобами на слабость, повышенную температуру - 38,5 °С и с выраженной желтушной окраской кожи и слизистых оболочек. Концентрации прямого и непрямого билирубина в крови пациента повышены. В моче присутствует прямой билирубин, содержание уробилина в моче и стеркобилина в кале снижено. Каким типом желтухи страдает пациент? Для ответа на вопрос:

а) представьте схему образования непрямого билирубина;

б) напишите схему реакций конъюгации билирубина;

в) перечислите свойства прямого и непрямого билирубина, объясните причины токсичности неконъюгированного (непрямого) билирубина;

г) укажите, активность каких органоспецифичных ферментов гепатоцитов определяют в крови для диагностики патологий печени, и опишите основные принципы, лежащие в основе энзимодиагностики.

5. Двум новорожденным, у которых была обнаружена желтуха, врач рекомендовал фототерапию. У одного ребенка состояние улучшилось и симптомы желтухи исчезли. Второму ребенку облучение сине-зеленым светом не помогло, поэтому ему назначили фенобарбитал. Однако такое лечение оказалось неэффективным, и у ребенка появились симптомы энцефалопатии. Обоснуйте рекомендации врача и объясните результаты лечения. Для этого:

а) объясните возможные причины возникновения «физиологической» желтухи новорожденных;

б) укажите, как изменяется концентрация билирубина в крови, стеркобилина и уробилина соответственно в кале и моче больных детей;

в) объясните механизмы лечебного действия фототерапии и фенобарбитала и напишите схему реакции, на скорость которой влияет фенобарбитал;

г) перечислите возможные причины желтухи у второго новорожденного.

6. У больного с генетическим дефектом белка плазматической мембраны эритроцитов появилась желтушность склер, слизистых оболочек и кожи. В крови пациента повышена концентрация непрямого билирубина, кал интенсивно окрашен, в моче билирубин отсутствует. Какой диагноз можно поставить этому пациенту? Для ответа на вопрос:

а) укажите концентрацию общего билирубина в крови в норме;

б) опишите этапы катаболизма гема;

в) объясните причину повышения непрямого билирубина в крови пациента.

7. При определении концентрации прямого и непрямого билирубина в крови трех больных с желтушностью склер, слизистых оболочек и кожи были получены результаты, представленные в табл. 13.3.

Таблица 13.3. Содержание прямого и непрямого билирубина в крови мкмоль/л

а) гемолитическая желтуха, вызваннная генетическим дефектом белка плазматической мембраны эритроцитов;

б) паренхиматозная желтуха, развившаяся при вирусном гепатите;

в) обтурационная желтуха, вызванная обострением желчнокаменной болезни.