Struttura dell’eme
L’eme è una forma di ferro solubile biologicamente disponibile per il trasporto
di elettroni. La presenza di doppi legami coniugati fa sì che esso assorba
nell’UV e che sia fluorescente
EME
L’eme è una ferroprotoporfirina, un chelato dello
ione ferroso (Fe2+) e delle protoporfirina IX
La porfirina è un composto ciclico formato da 4
anelli pirrolici legati tra loro da ponti metinici
Per sostituzione degli 8H angolari delle porfirine si
ottengono le protoporfirine
È legato non covalentemente sia all’Hb che alla
mioglobina
Eme nell’emoglobina
Citocromo c
Eme nella catalasi
Gli organi principalmente coinvolti nella sintesi dell'eme sono il fegato e
il midollo osseo, sebbene tutte le cellule lo richiedano per funzionare
bene. Gli eritrociti non lo producono, in quanto non sono attive
trascrizionalmente; l'eme viene invece sintetizzato dai suoi precursori, a
livello del midollo osseo.
SINTESI DELL'EME
La sintesi dell'eme
avviene in parte nei
mitocondri ed in parte
nel citoplasma.
LE REAZIONI
Sintesi dell’eme
1 Acido d-aminolevulinicosintetasi
(ALA sintetasi):
Succinil-CoA + Glicina -----------> d-Aminolevulinato + CoA + CO2
La reazione a localizzazione
mitocondriale avviene in due tappe:
condensazione e decarbossilazione,
con meccanismo simile a quello della
3-chetosfinganina sintetasi (sintesi
della sfinganina).
L'ALA per essere ulteriormente
metabolizzato deve essere esportato
nel citoplasma.
2 Acidod-aminolevulinicodeidratasi (ALA deidratasi):
2 d-Aminolevulinato---------------> Porfobilinogeno + 2 H2O
L' enzima possiede due siti di legame per le due molecole di substrato denominati A
(dove si lega la molecola di ALA che darà origine alla porzione del porfobilinogeno
con la catena laterale acetica) e P (dove si lega la molecola di ALA che darà origine
alla porzione del porfobilinogeno con la catena laterale propionica ). La prima
molecola si lega al sito P, ove forma una base di Schiff con il pirisdossal fosfato
associato all'enzima.
L'esatto meccanismo con cui si forma l'anello a cinque atomi del porfobilinogeno
non è completamente chiarito.
ALA deidratasi (porfobilinogeno
sintasi, PGB) da P. aeruginosa
Le PGB sono enzimi con masse
molecolari di 280-300 kDa,
costituite da 8 subunità
Ogni monomero ha un TIM barrel
fold, un loop chiude il sito
catalitico
Nel sito catalitico è presente un
metallo che può essere Mg2+ o
Zn2+
E’ molto sensibile all’inibizione da parte
di metalli pesanti (avvelenamento da piombo)
STEP 3: porfobilinogeno
deamminasi
A
P
A
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
A
P
P
A
A
P
A
P
P
A
P
Nelle porfirine i sostituenti possono essere
disposti in modo asimmetrico (porfirine III) o
simmetrico (porfirine I)
4 Uroporfirinogeno decarbossilasi: le quattro catene laterali acetato
vengono decarbossilate dando origine al coproporfirinogeno III, che
viene trasportato all'interno del mitocondrio.
La uroporfirinogeno decarbossilasi, enzima citoplasmatico agisce anche
sull' uroporfirinogeno I dando origine al coproporfirinogeno I, la cui
funzione è ignota.
Uroporfirinogeno III --------------------> Coproporfirinogeno III
+ 4 CO2
5 Coproporfirinogeno III ossidasi, enzima mitocondriale,converte i gruppi
propionici degli anelli A e B in gruppi vinilici per decarbossilazione
ossidativa. L'enzima ha bisogno di ossigeno molecolare, ma non di agenti
riducenti.
Il meccanismo di questa decarbossilazione ossidativa non è stato ancora
chiarito.
Coproporfirinogeno III (+ O2 ) ---------------->
Protoporfirinogeno IX + 2 CO2
6 Protoporfirinogeno IX ossidasi ( enzima mitocondriale): il processo di
ossidazione riguarda la rimozione di 4 idrogeni periferici ( appartenenti ai
gruppi ponte metilenici) e di 2 idrogeni interni
( appartenenti agli azoti
di due anelli pirrolici). L'intera struttura viene ora stabilizzata per
risonanza:
Protoporfirinogeno IX + 3/2O2 -----------> Protoporfirina IX + 3H2O
Il meccanismo di
questa ossidazione non
è stato ancora
chiarito: l'ossigeno
molecolare è l'agente
ossidante.
7 Ferrochelatasi ( enzima mitocondriale) aggiunge ferro (II) alla protoporfirina
IX formando l' eme:
Protoporfirina + Fe2+ ---------> Eme + 2 H+
REGOLAZIONE DELLA SINTESI DELL' EME
La biosintesi dell'eme avviene essenzialmente nelle cellule eritroidi e nel
fegato.
Nel fegato l'eme serve come gruppo prostetico del citocromo P450,
enzima ossidativo di cui le cellule epatiche hanno bisogno in quantità
variabili. Pertanto la sintesi dell'eme deve poter essere attivata o non
secondo tali esigenze.
La ALA sintasi controlla la tappa limitante della sintesi:
1. L'eme è un inibitore a feed-back del' ALA sintasi.
2. L'eme inibisce il trasporto dell'ALA sintasi dal citoplasma al
mitocondrio.
3. L'eme reprime la sintesi dell'ALA sintasi.
Nelle cellule eritroidi l'eme serve come gruppo prostetico dell'
emoglobina. Nelle cellule del sistema eritropoietico la sintesi dell'eme
avviene in in maniera coordinata con la sintesi della globina. Quando l'eme
è disponibile, la sintesi della globina avviene.
Intossicazione da Pb
Fonti ambientali
• Costruzione di condutture per scarichi urbani in
aumento fino alla seconda guerra mondiale, poi
sostituito con materie plastiche.
• Batterie
• Additivo nelle benzine
• Incenerimento dei rifiuti
• Industrie metallurgiche
NOTA BENE: Il Pb presente negli alimenti deriva
soprattutto da inquinamento ambientale
Tossicità
• Assorbimento più elevato nei giovani
• Bersagli primari i globuli rossi, poi il sistema cardiovascolare,
gastrointestinale, nervoso, riproduttivo e renale.
• Alcuni enzimi della via biosintetica dell’eme sono suscettibili
all’intossicazione da Pb: eme sintetasi, d-ALAD (deidrasi),
ferrochelatasi, d-ALAS (sintasi), uroporfirinogeno
decarbossilasi e coproporfirinogeno ossidasi.
TOSSICITÀ DEL PIOMBO
Manifestazioni della tossicità da piombo al variare delle concentrazioni ematiche di
PB negli adulti e nei bambini
d-ALA = d -aminolevulinato.
Test clinici
• Misura del Pb ematico (piombemia): il più specifico!!!
• Misura della protoporfirina: dal momento che il Pb inibisce la
ALA-deidrasi e la ferrochelatasi si accumulano acido delta
aminolevulinico e protoporfirina; valori di quest’ultima >35
mg/dL ; Anche nelle anemie da carenza di Fe
• Misura della inibizione di ALA-deidrasi
LE PORFIRIE
I difetti genetici della biosintesi dell'eme nel fegato e nelle cellule
eritropoietiche sono detti porfirie. Tutte le porfirie sono caratterizzate
dall'escrezione di intermedi della sintesi dell'eme nelle urine, che
diventano rosse e dal loro deposito nei denti, che si colorano di rossobruno. L' accumulo di questi prodotti nella pelle la rendono ipersensibile ai
raggi solari.
Altro sintomo associato alle porfirie è sovente la crescita di una fine
peluria sul volto ed alle estremità degli arti (lupo mannaro).
MALATTIA
DEFICIT ENZIMATICO
LOCALIZZAZIONE
Porfiria congenita eritropoietica
Uroporfirinogeno III cosintasi
Cellule eritroidi
Porfiria eritropoietica
Ferrochelatasi
Cellule eritroidi
Porfiria intermittente acuta
Uroporfirinogeno I sintasi
Cellule epatiche
Coproporfiria ereditaria
Coproporfirinogeno ossidasi
Cellule epatiche
Porfiria cutanea tarda
Uroporfirinogeno decarbossilasi
Cellule epatiche
LE PORFIRIE
Sono malattie legate alla mancanza di uno degli enzimi che convertono l’acido δ
amminolevulinico (ALA) nell’eme
L’eme entra nella costituzione di: emoglobina e mioglobina, citocromi, perossidasi
e catalasi. Le protoporfirine sono molecole fluorescenti
Le porfirie sono classificate in eritroidi o epatiche a seconda della sede anatomica
maggiormente colpita
Mary Stuart
Re Giorgio III
Difetti a livello di ciascuno degli 7 enzimi
della sintesi dell’eme sono causa di una
forma di porfiria
Aumento PBG
Aumento ALA
Accumulo renale Urine Rosso scuro
Difetti a livello di ciascuno degli 7 enzimi
della sintesi dell’eme sono causa di una
forma di porfiria
+ comune
Aumento uroporfirogeno III (fotoattivo)
Nei reni urine ambrate
Assorbimento UV-> lesioni cutanee
Difetti a livello di ciascuno degli 7 enzimi
della sintesi dell’eme sono causa di una
forma di porfiria
In entrambi i casi
La ridotta produzione di Heme esacerba
L’accumulo di intermedi.
Interferenza di xenobiotici (Barbiturici, alcool)
Nel 1913 H. Metz Beyer dimostrò che la malattia
fotosensibile mutilante descritta 2 anni prima era
dovuta alla presenza di un eccesso di porfirine
La luce UV fotoeccita le porfirine che allo
stato di tripletto reagiscono con l’ossigeno
molecolare generando il radicale
dell’ossigeno che provoca vari danni
Le urine sono rosso
scuro e fluorescenti
I sintomi possono essere di 2 tipi:
1. Lesioni bollose – tipiche dei pazienti affetti da porfiria
cutanea tarda (PCT) o da porfiria variegata (VP)
2. Fotosensibilità immediata – tipica dei pazienti affetti
da porfiria eritropoietica (EP)
Si conoscono 7 diverse porfirie:
1. Il deficit di ALA sintasi – causa l’anemia sideroblastica, malattia legata all’X
2. Il deficit di acido levulinico deidratasi (ADP) o plumboporfiria – dà una porfiria
epatica acuta, a ereditarietà autosomica recessiva, con paralisi progressiva degli
arti
3. La porfiria acuta intermittente (AIP) – dovuta al deficit di porfobilinogeno
deaminasi; malattia autosomica dominante; tra sintomi dolore addominale, sintomi
gastroenterici, deficit motori e sensoriali
4. La porfiria congenita (CP) o malattia di Gunther – dovuta a deficit di
uroporfirinogeno III cosintasi. Sintomi: urine brune; fotosensibilizzazione cutanea,
fluorescenza rossa dei denti; anemia. E’ l’unica porfiria esclusivamente eritrocitaria.
5. La porfiria cutanea tarda (PCT) – è dovuta ad un deficit di uroporfilinogeno
decarbossilasi. Sintomi: lesioni bollose sulle parti del corpo esposte alla luce;
siderosi e cirrosi epatica
6. La coproporfiria ereditaria (HCP) – malattia autosomica dominante, dovuta
a un deficit di coproporfirinogeno ossidasi, enzima mitocondriale. Sintomi
neuroviscerali; tetraplegia e paralisi respiratoria; fotosensibilità cutanea
7. La porfiria variegata (VP) – malattia autosomica dominante, dovuta a deficit
di protoporfirinogeno ossidasi. Variegata perché possono coesistere disturbi
neuroviscerali e fotosensibilità
8. La protoporfiria eritropoietica (EP) – dovuta a deficit di ferrochetalasi, che
causa accumulo di protoporfirine libere negli eritrociti, nelle feci e nel plasma.
Sintomi: fotosensibilità e compromissione epatica
I sintomi sono dovuti anche alla
localizzazione dell’intermedio che si
accumula
Le diverse porfirie hanno sintomi
diversi (scottature, edema, vesciche) a
seconda della solubilità dei diversi
intermedi
In presenta di un deficit
ereditario non grave alcune
porfirie possono essere
scatenate da farmaci
La porfiria cutanea tarda è spesso una malattia
acquisita
Radicali liberi provocano la sintesi a livello epatico
di un inibitore della uroporfilinogeno decarbossilasi.
Consumo di alcool, assunzione di estrogeni e epatiti
sono fattori scatenanti la malattia
La PCT può essere causata anche da altri agenti
epatotossici come l’esacloro benzene, un fungicida
usato in Turchia negli anni ’50 per contrastare
l’infezione da parte del fungo Tilledia foetida
La PCT presenta altri danni epatici: cirrosi, epatocarcinoma
La somministrazione di clorochina (che si lega all’uroporfirinogeno e ne
favorisce l’escrezione) dà la remissione dei sintomi in circa 3 mesi
CATABOLISMO DELL’EME
• Citocromi
• Emoglobina contenuta nei globuli rossi invecchiati
L'eme non può essere riutilizzato, per cui viene trasformato in bilirubina
ed escreto. Il ferro, invece, viene conservato.
Tipo I inducibile dal substrato
Tipo II costitutivo
DEGRADAZIONE DELL' EME
La maggior parte dell'eme che viene degradato nella milza deriva dall'emoglobina.
L'eme non può essere riutilizzato, per cui viene trasformato in bilirubina ed
escreto. Il ferro, invece, viene conservato.
LE REAZIONI
Eme ossigenasi: è un enzima microsomale che catalizza l' apertura regiospecifica
dell'anello dell'eme con formazione di biliverdina, CO e ferro. Sono richiesti ossigeno
molecolare ed equivalenti riducenti forniti dalla NADPH-citocromo p450 reduttasi.
Eme + 2 NADPH +3 O2 -------------> Biliverdina + Fe2+ + CO + 2 NADP+
+ 3H2O
Biliverdina reduttasi:
Biliverdina + NADPH-------->Bilirubina +NADP+
La bilirubina trasportata al fegato in
complesso con l'albumina serica, viene
coniugata con acido glucuronico per
formare un prodotto solubile in acqua ad
opera della UDP glucuronil trasferasi.
Nell' intestino la bilirubina diglucuronide
viene ritrasformata in bilirubina ad opera
della flora batterica e poi in prodotti di
degradazione tra cui l'urobilinogeno da
cui si forma la stercobilina.
Parte dell'urobilinogeno viene riassorbita
e trasportata per via ematica al rene
dove viene convertita nel pigmento giallo
urobilina ed escreta.
IPERBILIRUBINEMIE
La determinazione clinica della bilirubina plasmatica distingue tra
bilirubina diretta (coniugata) ed indiretta (libera).
Le iperbilirubinemie possono originare da:
1. aumentata produzione di bilirubina (pre epatica)
2. diminuito ingresso di bilirubina nelle cellule epatiche (epatica)
3. deficit di coniugazione di bilirubina (epatico)
4. alterato meccanismo di secrezione della bilirubina coniugata.
(post epatica)
Normale metabolismo della bilirubina nel fegato
Ittero emolitico (aumentata produzione di bilirubina)
Molta più bilirubina è coniugata ed escreta, ma il meccanismo di
coniugazione è saturato per cui una grande quantità di bilirubina
indiretta è presente nel plasma.
Sindrome di Gilbert (diminuito ingresso nelle cellule
epatiche)
Accumulo di bilirubina indiretta nel plasma
Sindrome di Crigler-Najjar / Ittero fisiologico
(deficit di coniugazione)
Accumulo di bilirubina indiretta nel plasma. Nel neonato prematuro il
deficit di coniugazione è dovuto a insufficienti livelli di bilirubina
glucoronil trasferasi
Sindrome di Dubin-Johnson (alterato meccanismo di
secrezione della bilirubina coniugata)
La bilirubina coniugata torna nel plasma.
Ostruzione delle vie biliari (alterato meccanismo di
secrezione della bilirubina coniugata)
La bilirubina coniugata torna nel plasma.
Intestino
• Idrolasi batteriche
scissione dei
glucuronidi e formazione di urobilinogeni
(incolori)
• Ossidazione urobilino geni nell’intestino
formazione di prodotti colorati, le stercobiline.
• Riassorbimeno urobilinogeni
rene
urobiline