Predavanja iz kliničke hemijeMetabolizam gvožña

Prof Vesna Spasojević-KalimanovskaProf Violeta Dopsaj

Farmaceutski fakultetUniverziteta u Beogradu

2009/2010

StrukturaStruktura hemoglobinahemoglobina

αααα1 αααα2

β1 β2Hem

Proteinski deo

••GlobinskiGlobinski lancilanci

Hem

••PorfirinskoPorfirinsko jezgrojezgro••GvoGvožžñeñe

Faktori neophodni za eritropoezu

1. Eritropoetin2. Gvožñe3. Vitamin B12 (cijanokobalamin)4. Folna kiselina (folat)5. Ascorbic acid (Vitamin C)6. Piridoksin (Vitamin B6)7. Amino kiseline

Aminokiseline Sukcinil KoA Glicin TransferinFe 3+

αααα, ββββ, γγγγ, δδδδ - lanci

Feritin Fe 3+

depo

Fe 3+

mobilizacija

Fe 2+

Hemoglobin

Hem

δδδδ-aminolevulinska kiselina

Porfirin

Porfobilinogen

Ferohelataza

Protoporfirin

Biosinteza hemoglobina

Metabolizam gvoMetabolizam gvožžñaña

• Homeostaza Fe u organizmu• Mehanizmi uravnoteženog unosa Fe i

potreba organizma• Proteini regulatori nivoa Fe• Mesto regulacije nivoa Fe• Poremećaji deficijencija ili nagomilavanje• Lečenje• Parametri za ispitivanje statusa Fe

Metabolizam gvožña u organizmu

Homeostaza gvožña u organizmu

Funkcionalno Fe (80%)cirkulišući hemoglobin (65 %)mioglobin 10 %hemenzimi, NADH-dehidrogenaza, ksantin oksidaza,katalaza, ribonukleotid reduktazaProteini prenosioci elektrona , citohrom a,b i c,citohrom P-450

Transportno Fe: transferin (do 2 %)Deponovano Fe (do 20 %): feritin, hemosiderin

Transport O2 do tkivaUčešće u ćelijskim oksidacionim reakcijama

HomeostazaHomeostaza gvogvožžñaña

Homeostaza gvožña

Distribucija Fe:– muškarci………………….50 mg/kg t.t.– Žene.……………………….35 mg/kg t.t.

Dnevne potrebe Fe:– 1-4 mg /na dan zavisno od pola, starosti,

fizioloških potreba– prosek 1,7 mg/dan– > potrebe u trudnoći, laktaciji i pubertetu

• kod dece– 1. godina ………………..1,05 mg/dan– 1-7 godine………………..0,8 mg/dan– do 13. godine…………….1,9 mg/dan (za žene)

Unos gvožña hranomNamirnice životinjskog porekla• Hemsko gvožñe

– Meso, riba, jaja, iznutriceNamirnice biljnog porekla

– Feri obliku• Mala bioraspoloživost (2-20 %)

– Žitarice,spanać, zeleno povrćeRDA recommended daily allowance(preporučeni dnevni unos)• Odrasli 10-15 mg• Deca 6-10 mg• Trudnoća 15 mg, Dojilje 15 mg• Žene u reproduktivnom periodu 13-14 mg

Glavne faze u metabolizmu gvožña

ApsorpcijaTransportDeponovanjeRecirkulacijaIzlučivanje

Apsorpcija gvožña:najvažnija faza u regulaciji gvožña

Faze u apsorpciji Fe:

1. Luminalna faza2. Apsorpcija i procesi u enterocitima 3. Transfer dela gvožña u cirkulaciju

F

C

3 2

Tf

2Fe u citozoluC

Transport u plazmu – transferin Tf

Transport u mitohondrijeza sintezu enzima koji sadrže Fe

Transport do apoferitina – feritin F

1

3

Lumen creva Kapilar

Fe 2+

Fe 3+

Mukozna ćelija1

Apsorpcija gvožñaBrzina apsorpcije zavisi od:1. Fizioloških regulatornih mehanizama• Postojeći depoi gvožña, promet gvožña • Brzina eritropoeze, hipoksija 2. Lokalnih faktora u gastrointestinalnom traktu• Intraluminalni - hemijski oblik Fe, pH, kompleksi • Mukozni – anatomski, pokretljivost creva, mukozno Fe• Formiranje kompleksa• rastvorljivi kompleksi

– aminokiseline, vitamin C• nerastvorni kompleksi

– tanini (iz čaja)– fosfati (jaja, sira, mleka)– oksalati i fitati (biljaka)

Dnevne potrebe za gvoDnevne potrebe za gvožžñemñem•Prosečna dnevna potreba 1,7 mg•Muškarci i žene u postmenopauzi 1 mg•Žene u reproduktivnom periodu 2 mg•Trudnice, dojilje 3-4 mg

Izvori gvožña•Iz životinjskih namirnica hemsko gvožñe•Iz biljnih namirnica nehemsko gvožñe

Dnevni unos gvožña putem hrane 10-20 mgApsorpcija 5-10 % 1 mg

ApsorpcijaApsorpcija gvogvožžñaña

Apsorpcija gvoApsorpcija gvožžña u ña u enterocitimaenterocitima

HemskoHemsko gvogvožžñeñeNehemskoNehemsko gvogvožžñeñe

Transport gvoTransport gvožžña kroz ña kroz apikalnuapikalnummembranuembranu

Apsorpcija feri oblikaPod dejstvom hrane se vrši redukcijaRedukcija i sa feri reduktazom mikrovila

TransporterTransporter DMT1DMT1FeriFeri reduktazareduktaza

Transport gvoTransport gvožžña kroz ña kroz bazolateralnubazolateralnumembranumembranu

Transporter Transporter FeroportinFeroportinHefestinHefestin ((ferofero oksidaza)oksidaza)

Apsorpcija gvožña

Tri mehanizma apsorpcije na apikalnojmembrani enterocita

1. Hemsko gvožñe fero oblik2. Nehemsko gvožñe feri oblik Fe(III)3. Nehemsko gvožñe fero oblik Fe(II)

Apsorpcija gvožña: hemsko gvožñe

• Hemsko gvožñe - fero oblikHb dejstvom proteaze → Hem + globin

• Hem lako prolazi membranu– Ne utiču sastojci hrane– Aktivan proces– Nepoznat transporter

U enterocitimaHem → Fe2+

Dejstvo hem-oksigenaze

Apsorpcija hema

• Transport fero jona u enterocit kroz apikalnu membranu

Integralni membranski transportni proteini• DMT 1 divalentni metalni transporter 1 ili

Nramp2• Na plazma membrani i na endozomima• Najveći deo jona Fe se transportuje sa DMT1• DMT 1 je protein simporter• DCT1 divalentni katjonski transporter• DMT1 i za Mn, Cu, Co, Zn, Cd i Pb

Apsorpcija gvožña: nehemsko gvožñe

Transport fero jona iz enterocitaTransport Fe kroz bazolateralnu membranu

Efluks Fe iz:• Enterocita• Hepatocita• Ćelije RES jetre, slezine, koš srži

Feroportin • Gen fpn (1 feroportin 1 gen) • Mutacijom ovog gena dolazi do razvoja hipohromne

anemije

Hefestin– Aktivan u transportu Fe kroz bazolateralnu

membranu– Oksidacije fero u feri oblik ferioksidazna aktivnost – homolog ceruloplazmina

Transport Fe kroz bazolateralnu membranu

Različiti mehanizmi

U ćelijama kripti•prekurzorske ćelije imajuulogu senzora

• Primaju informacije opotrebama organizma za Fe

U enterocitima

Prikaz ćelija ključnih za održavanje homeostaze gvožña i mehanizama efluksa

Uloga Uloga transferinatransferina u transportu gvou transportu gvožžñaña

Transferin Fe3+

Transport gvožña

Transportni protein transferin• vezuje Fe(III)• Oksidacija fero jona u feri sa

ceruloplazminom (fero-oksidaza I)• transport Fe iz retikuloendotelnog

sistema, parenhima jetre i koštane srži• 0,1 % Fe (telesnog ) se nalazi u transferinu

Feritini

hemosiderin

Eritrociti(2500 mg)

hemoglobin

Hepatocit

Retikuloendotelnemakrofage

Feritini

hemosiderin

Gubitakmenstruacijom(1-2 mg/d)Hemodijaliza(6 mg/d)

Eritropoetin

Gastrointestinalna apsorpcija (1-2 mg/d)

Druga tkiva(250 mg)Mioglobin, tkivni enzimi

Transferin (plazma)(4 mg)

Koštanasrž

Transport Fe -transferinom

Transport gvožña

• Polipeptid sa ugljovodoničnim bočnim lancima (promenljivi) 6 %

• Apotransferin - glikoprotein dva globularna domena dva mesta vezivanja Fe

• Veliki afinitet za Fe• Poluživot 8 dana• sinteza u jetri

– deficijencija Fe → sinteza ↑– opterećenje Fe → sinteza ↓– smanjen transferin kod oboljenja jetre

• u cirkulaciji: aferi, mono i diferi oblik transferina• Polimorfizam transferina

Transport gvožña– 1/3 transferina zasićena kao Fe(III)UIBC - rezervni nezasićeni kapacitet vezivanja Fe(unsaturated iron binding capacity)TIBC - ukupni kapacitet vezivanja Fe(total iron binding capacity)Saturacija transferina (TSf%)TS = 100 x ukupno serumsko Fe/ TIBC

Referentne vrednostiTIBC: 50-70 µmol/L TSf%: 30-40%TSf% < 15 % deficijencija FeTSf% > 60 % višak Fe

Preuzimanje Fe iz transferina

• Transferinski receptori• 2 tipa TfR1 i TfR2• Najviše TfR1 na prekurzorskim ćelijama

eritrocita• Razlike u afinitetu za transferin i regulaciji

ekspresije• TfR2 manji afinitet za holotransferin• Važna uloga u jetri

Ćelijski transferinski receptori

– Transmembranski glikoprotein– dimeri - dve subjedinice vezane sa dva disulfidna mostaMonomer transferinskog receptora se sastoji od:1. aminoterminalnog citoplazmatskog dela (61 AK)

• intracelularna razmena • peptidni deo- signal za endocitozu

2. transmemranskog dela (28 AK)• hidrofobne AK• signalni peptid za translokaciju kroz ER

3. ekstracelularnog dela (671 AK)• N - i O- sijalinizirani glikani• interakcija receptora i transferina

Receptor dimer: dva molekula transferina (4 Fe)

Funkcija ćelijskih transferinskih receptora

• Receptor-posredovana endocitoza• Afinitet receptora za ligand:• od Fe na transferinu

atransferinmonotransferindiferi-transferin

Distribucija receptora• eritroidni prekurzori koštane srži (75 % ukupnih

receptora)• jetra• placenta

TransferinskiTransferinski ciklusciklusSolubilniSolubilni transferinskitransferinski receptorireceptori

Solubilni transferinski receptori

• Cirkulisuci receptori• Rastvorljivi oblik receptora• Nema citoplazmatskog i transmembranskog dela• Sadrži jednu receptorsku subjedinicu

Klinički značaj odreñivanja sTfR• Količina rastvorljivog receptora u serumu proporcionalna

je Fe u tkivu• sTfR odražava status funkcionalnog Fe• Deficijencija gvožña → broj receptora ↑• Odnos broja transferinskih receptora/feritin u serumu

Šupljina za gvožñe Fe3+

Fe3+

H – Teške subjedinice

L - Lake subjedinice

Deponovanje gvoDeponovanje gvožžñaña

Forme deponovanog gvoForme deponovanog gvožžñaña::FeritinFeritin

HemosiderinHemosiderin

Mesta deponovanja gvoMesta deponovanja gvožžñaña•• hepatocitihepatociti jetrejetre•• makrofagemakrofage RESRES

Serumski Serumski feritinferitin

Feritin– stvara se intracelularno – izolovanje slobodnog Fe– apoferitin proteinska školjka – vezuje Fe(III) 25 % težine– polimer 24 apoferitinske subjedinice – izoferitini ( kisele subjedinice H i bazne L)– apoferitin pentagonalni dodekaedar – prečnik 13 nm, unutrašnja šupljina 7nm– micele ferioksihidroksida – na površini 6 pora za prolaz Fe(II) jona

Hemosiderin

• Nerastvorni kompleksni derivat feritina• delimično deproteinizovan i agregiran• granule dijametra 1-2 um• bojenje Prusian plavim, pod mikroskopom• proteinski omotač potiče od apoferitina

(lizozomalnom proteolizom)• sadržaj Fe veći, ali mobilizacija je spora

HomeostazaHomeostaza gvogvožžña ña –– deponovanje gvodeponovanje gvožžñaña

Mesta deponovanja Mesta deponovanja gvogvožžñaña•• hepatociti hepatociti jetrejetre•• makrofagemakrofage RESRES

Serumski Serumski feritinferitin

Izlučivanje gvožña

• Dnevni gubitak 1 mg• Proces izlučivanja nije kontrolisan• Gubitak Fe

– iz intestinalne mukoze deskvamacijom ćelija– urinom minimalno– znojem

Žene:• menstruacijom 6 mg mesečno• u toku trudnoće dnevno 1,5 mg na fetus i placentu• porodjaj i laktacija

Regulacija Regulacija homeostazehomeostaze gvogvožžñaña

• Sistemska regulacija– Hepcidin– HFE hereditarni hemohromatozni protein

• Ćelijska regulacija na nivou sinteze proteina– Transkripcije– Post-transkripcionih modifikacija– Translacije

Kontrolni mehanizmi preuzimanja Fe

• Proteini – kontrolori-apsorpcije Fe iz hrane

- apsorpcije transferinskog Fe od strane perifernih ćelija• U skladu sa potrebama organizma • Dva solubilna proteina: HFE i Hepcidin• Inhibitorni efekat na preuzimanje Fe• Lokalizacija

– kripte enterocita– RES jetre i slezine

Kontrolni mehanizmi preuzimanja Fe

Hepcidin• Mali solubilni peptid• Ekspresija u vezi sa telesnim statusom gvožña• Sintetiše se u jetri• Signalni molekul statusa Fe• Negativni modulator oslobañanja Fe iz enterocita i

makrofaga• Hepcidin se vezuje za transportni protein feroportin,

posle toga se on uklanja i degradira• Feroportin je receptor za hepcidin• Feroportin je kanal kroz koji joni Fe prelaze u plazmu• Hepcidin zatvara ovaj kanal

Uloga Uloga hepcidinahepcidina u regulaciji gvou regulaciji gvožžña u organizmuña u organizmu

Uticaj statusa Fe na hepcidin u organizmu

Fe u organizmu Sinteza hepcidina u jetri

Ekspresija u intestinumu Ekspresija u RES

Preuzimanje Fe Akumulacija Fe

Fe u cirkulaciji

Delovanje hepcidina na molekule feroportina makrofaga i enterocita, kod zdravih osoba. Deficit hepcidina dovodi do nekontrolisanog oslobañanja gvožña, kod hereditarne hemohromatoze.

Anemija u Anemija u inflamacijiinflamaciji: uloga : uloga hepcidinahepcidina

IL-6

Kontrolni mehanizmi preuzimanja Fe

HFE hereditarni hemohromatozni protein

Funkcija• Inhibicija preuzimanja Fe

Mutacija na hromozomu 6

Smanjena ekspresija na enterocitima ↓

Nagomilavanje Fe (hemohromatoza)

HFE proteinhereditarni hemohromatozni protein

Ključni element regulacije homeostaze Fe Obezbeñuje kontrolu fluktuacije Fe u ćelijamaintestinuma i makrofagaSignalni molekul statusa Fe u organizmu

Nedostatak HFE dovodi do:Povećane apsorpcije Fe u intestinumuSmanjenja Fe u makrofagama

HFE proteinhereditarni hemohromatozni protein

HFE pri pH 7.5 gradi stabilan kompleks satransferinskim receptorom

Vezivanje HFE sa TfR dovodi do:

– konformacionih promena na receptoru– smanjenog afiniteta receptora za transferin– kompetetivne inhibicije izmeñu transferina i HFE

proteina

Regulacija Regulacija homeostazehomeostaze gvogvožžñaña

• Sistemska regulacija– Hepcidin– HFE hereditarni hemohromatozni protein

• Ćelijska regulacija na nivou sinteze proteina– Transkripcije– Post-transkripcionih modifikacija– Translacije

Kontrola procesa sinteze proteina važnih za homeostazu Fe

Regulacija na nivou sinteze:

• Transportnih proteina DMT 1, feroportina

• Regulatornih proteinaHepcidina, HFE

• Transferinskih receptoraTfR

• Depo oblika Fe Feritina

Kontrola procesa sinteze proteina važnih za homeostazu Fe

i RNK sadrže na 5’ i 3’ kraju segmenteIRE - iron responsive elements (Fe - osetljivi elementi)Vezuju se odreñeni ligandi• Kontrola inicijacije translacije ili • Kontrola njihove stabilnostiLigandi u citozolu koji se vezuju za IRE:IRP (iron-regulatory proteins)Fe – regulatorni proteini (IRP 1 i IRP 2)IRE postoji na i RNK feritina, feropontina, DMT 1, TfR IRP za 5’-kraj: blokira se inicijacija translacijeIRP za 3’-kraj: stabilizuje se struktura iRNK

ĆĆelijska regulacija gvoelijska regulacija gvožžña na nivou sinteze proteinaña na nivou sinteze proteina

Regulacija nivoa gvožña u organizmu:sinteza feritina i transferinskih receptora