Sintesi EME - appunti lezione PDF

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SINTESI DELL’EME Circa 8 grammi al giorno vengono sintetizzati nell’adulto e utilizzati da emoglobina per la maggior parte, mioglobina e citocromi. La sintesi dell’eme comincia nei mitocondri, prosegue nel citoplasma e viene completata l’ultima fase nei mitocondri. Per sintetizzare il gruppo eme si parte da succinil – CoA e glicina. La prima reazione è catalizzata dall’enzima ALA sintasi e sintetizza un composto chiamato ALA. Questa enzima ha una vita media di 60 e dipende dalla disponibilità di succinil – CoA e piridossal fosfato. Questa è la tappa di comando di tutta la sintesi dell’eme. Esistono due isofome di ALA sintasi: 1. ALA sintasi 1  ubiquitaria 2. ALA sintasi 2  espressa solo nella linea eritroide del midollo osseo Questi enzimi sono codificati nel DNA genomico e la loro sintesi avviene nel citoplasma, successivamente devono essere portate nel mitocondrio dove vengono attivate. L’MRA eritroide che codifica per ALA contiene una sequenza IRE per cui viene regolata in base alla disponibilità di ferro. ALA viene quindi trasferito nel citoplasma e qui due molecole di ALA vengono condensate da cui si forma un composto chiamato porfobilinogeno, che contiene l’anello pirrolico tipico dell’eme. L’enzima che catalizza questa reazione si chiama ALA deidratasi e contiene un atomo di zinco per funzionare. È sensibile al piombo per cui nelle intossicazioni da piombo questo enzima non funziona. Successivamente 4 molecole di porfobilinogeno vengono condensate testa – coda a formare una lunga molecola lineare chiamata preuroporfirinogeno o idrossimetilbilano. La reazione è catalizzato da uroporfirinogeno sintasi o porfobilinogeno deamminasi. Il preuroporfirinogeno va incontro alla ciclizzazione con eliminazione di una molecola di acqua e si forma uroporfirinogeno 3. L’enzima che catalizza la reazione si chiama uroporfirinogeno 3 cosintasi. Uroporfirinogeno 3 a questo punto subisce delle modificazioni a carico delle catene laterali. Substrato dell’enzima uroporfirinogeno decarbossilasi sono i 4 gruppi acetilici che vengono decarbossilati con uscita di un atomo di C sottoforma di CO2 e vanno a formare 4 gruppi metilici. Il composto ottenuto si chiama coproporfirinogeno 3. Continua il rimodellamento delle catene laterali nei mitocondri e la coproprofirinogeno ossidasi va ad agire su due delle catene proprioniliche dell’anello. Anche in questo caso vengono decarbossilate e ossidate con formazione di un doppio legame. Si crea cosi il protoporfirinogeno 9. Nella sesta reazione il protoporfirinogeno 9 viene ulteriormente ossidato a formare la protoporfirina 9. Vengono ossidati i ponti metenici tra gli anelli pirrolici formando doppi legami. La reazione è catalizzata da protoporfirinogeno ossidasi.

Nella settima reazione si ha l’inserimento di un ferro 2+ all’interno della molecola per formare il gruppo eme. L’enzima che catalizza la reazione è la ferro chelatasi. Dalla protoporfirina 9 si possono ottenere anche altri tipi di citocromo attraverso enzimi che catalizzano modifiche della catena laterale. Una volta sintetizzato l’eme viene esportato nel citoplasma e coniugato con le proteine: emoglobina o altre emoproteine. Nel caso in cui l’eme non venga incorporato in una proteina va incontro a un processo ossidativo che ossida il ferro a 3+ formando emina. È stato calcolato che l’85% dell’eme è sintetizzato nelle cellule eritroidi e nel fegato ma potenzialmente l’eme può essere sintetizzato in tutti i tessuti. Regolazione sintesi. La tappa di comando è la sintesi di ala e quindi ALA sintasi è il bersaglio della regolazione. Sono stati descritti 4 diversi livelli di regolazione di cui la più rapida è una diretta inibizione dell’attività enzimatica e inibitori di ALA sintasi sono il prodotto, quindi eme e emina. Gli altri tre livelli richiedono tempi più lunghi per essere messi in atto ma prevedono una inibizione della trascrizione, traduzione e dell’importo dell’eme nei mitocondri. Le porfirie sono disordini ereditari a acquisiti a carico degli enzimi della sintesi dell’eme, che comportano l’accumulo di porfirine normali e non nel sangue. Tutti gli intermedi della sintesi dell’eme che terminano in -ogeno sono incolori, mentre quelli che terminano in -ina sono colorati perché assorbono la luce. L’accumulo di questi composto può avvenire nel sangue o nei tessuti. Nel sangue si ha escrezione renale di urine rosso scuro mentre nei tessuti provoca fotosensibilità alla pelle. Praticamente sono state descritte mutazioni a carico di tutti gli enzimi coinvolti nella sintesi dell’eme, ognuno dei quali provoca una porfiria. L’assenza o la diminuita funzione di un enzima causa assenza del prodotto finale ma anche l’accumulo dell’intermedio a monte dell’enzima alterato he subisce in molti casi delle modificazioni non enzimatiche che convertono gli - ogeni in -ina colorati. Alcune mutazioni sono state descritte sia in fegati che cellule eritroidi mentre altre solo in un tessuto.

CATABOLISMO DELL’EME È un processo che coinvolge più distretti: inizia nel sistema del reticolo endoteliale, continua nel fegato e poi intestino e reni. Il gruppo eme deriva principalmente dal catabolismo dell’emoglobina e in misura minore dal catabolismo della mioglobina, dei citocromi e di enzimi eminici come la catalasi. Il ciclo vitale degli eritrociti è di circa 120 giorni. I globuli rossi invecchiati vengono riconosciuti e fagocitati dai macrofagi del sistema reticolo – endoteliale della milza, del fegato e del midollo osseo in un processo chiamato emocateresi. L’emoglobina liberata viene scissa nella componente proteica, la globina e nel gruppo eme. Il gruppo eme viene separato in protoporfirina che verrà degradata a ferro 2+ che viene riciclato. Sistema reticolo endoteliale e cellule Kupfer. La degradazione dell’eme a livello dei macrofagi parte con l’azione catalitica delle eme ossigenasi. Questo enzima è un ossidasi a funzione mista che utilizza tre molecole di ossigeno e due molecole di NADPH. In questa reazione avviene la rimozione del ferro che viene ossidato a ferro 3+ e riciclato. Poi avviene l’apertura dell’anello tetrapirrolico con la perdita di un atomo di C e liberato sotto forma di CO. In questo modo il gruppo eme viene linearizzato a biliverdina. Questa è l’unica reazione del corpo che è in grado di produrre

di CO che viene poi eliminato a livello polmonare. Normalmente l’eme giunge nei macrofagi attraverso fagocitosi del globulo rosso, può succedere che si abbia emolisi in circolo, in questo caso l’emoglobina viene liberata e va incontro a una denaturazione con liberazione del gruppo eme in circolo. Questo gruppo eme viene legato da una proteina plasmatica, l’aptoglobina, che lo porta nel sistema reticolo endoteliale. Eme ossigenasi. Sono presenti nell’uomo due isoenzimi identificati come H1 e H2. L’enzima codificato dal gene H1 è l’enzima coinvolto nel catabolismo dell’eme. Sono costitutivamente espresse entrambe le isoforme anche se H1 può essere indotta dall’eme, metalli pesanti e condizioni di stress. Eme ossidasi. Fa parte di un complesso con la citocromo P450 reduttasi. È localizzata a livello del reticolo endoplasmatico e sintetizza biliverdina. La biliverdina viene poi convertita in bilirubina per azione della biliverdina reduttasi la quale agisce sul ponte metenico centrale, saturandolo. Questo cambio di doppi legame fa si che le molecole assumano una diversa colorazione da cui deriva il loro nome. I successivi cambiamenti della struttura dell’anello tetrapirrolico sono responsabili dei progressivi cambi di colori che avvengono negli ematomi. Il processo catabolico della bilirubina nei macrofagi è terminato e continua il processo catabolico nel fegato. Il macrofago la rilascia nel torrente circolatorio e la bilirubina che è idrofobica si lega all’albumina, formando un complesso che ne permette la solubilizzazione e quindi il trasporto al fegato. Nel fegato viene legata da due diverse proteine: 1. Ligandina o proteina Y 2. Proteina Z che lega gli acidi grassi Che la mantengono solubile nel citoplasma delle cellule epatiche e possa cosi essere substrato di un enzima che la modifica: la bilirubina UDP – glucoroniltransferasi, che trasferisce sulla bilirubina due molecole di acido glucuronico. Questa modificazione ha la funzione di rendere la bilirubina più idrofilica. L’acido glucuronico è la forma ossidata del glucosio: UDP – glucosio è ossidato dalla UDP glucosio deidrogenasi che usando due NAD+ ossida il carbonio 6 del glucosio. Si forma quindi bilirubina – di – glucoronide che vien escreta con la bile. La bilirubina indiretta è quella legata ad albumina mentre quella diretta è quella che viene eliminata con la bile. Il rapporto tra le due deve essere di 1:4/1:5 ed è un valore diagnostico della funzionalità epatica. Una volta che la bilirubina viene eliminata nel lume intestinale con la bile i batteri prima rimuovono l’acido glucuronico e poi convertono la bilirubina in urobilinogeno, a livello intestinale questo prodotto può subire tre diversi destini:  

La quantità maggiore rimane nell’intestino dove prosegue il suo percorso e viene ulteriormente ossidato dai batteri intestinali in stercobilina L’urobilinogeno è riassorbito nel torrente circolatorio. Una parte di questo partecipa al ciclo epatico dell’urobilinogeno che arriva al fegato e poi attraverso la bile ritorna al lume intestinale

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Parte dell’urobilinogeno che rimane in circolo arriva ai reni dove la flora batterica delle vie urinarie lo convertono in urobilina che viene eliminato con le urine

Ittero. Nei neonati e negli individui con un’emolisi alterata o un danno ostruttivo delle vie biliari la bilirubina e i suoi precursori si accumulano in circolo. Questo genera iperbilirubinemia che causa una anomala pigmentazione giallognola degli occhi e dei tessuti che viene chiamato ittero. A seconda del danno si verificano condizioni diversi:    

Ittero emolitico  aumento della bilirubina indiretta con feci e urine ipercromiche Ittero da stasi  aumento in circolo di bilirubina diretta, urine color marsala e feci ipocromiche Morbo di crigler – najiar  dovuto alla carenza congenita di bilirubina – UDP – glucoronil transferasi con aumento della bilirubina indiretta. È chiamato anche ittero neonatale Kernicterus  emolisi in neonati Rh+ nati da madri Rh-

DERIVATI DEGLI AMMINOACIDI gli amminoacidi oltre a essere precursori per la sintesi dell’eme e delle proteine sono anche precursori per la sintesi di alcuni composti dotati di attività biologica. In molte di queste reazione prende parte una decarbossilasi piridossal – fosfato dipendente che trasforma questi amminoacidi in ammine biogene. I principali sono:    

Per decarbossilazione del glutammato si ottiene GABA Per decarbossilazione dell’istidina si ottiene istidina Dal triptofano per idrossilazione e successiva decarbossilazione si ottiene serotonina e successivamente attraverso una serie di reazione la melatonina Dalla tirosina si può ottenere le catecolammine con un passaggio iniziale di idrossilazione a formare un anello nella dopa e successivamente decarbossilazione a dare dopamina. La dopamina può essere idrossilata a norepinefrina e questa può essere metilata a epinefrina

Queste molecole agiscono principalmente attraverso GPCR. Glutatione. Non deriva dai ribosomi ma è sintetizzato in due passaggi da due appositi enzimi che consumando ATP coniugano inizialmente la cisteina con il glutammato e successivamente questi due amminoacidi col la glicina. Il tripeptide che ne risulta è importante come antiossidante. In realtà questa è solo una delle sue funzioni perché ne ha altre importanti come:    

Detossificazione dei composti esogeni, come farmaci e composti tossici. Una volta coniugati con il glutatione diventano più solubili in modo da essere espulsi per via renale Alcune prostaglandine sono coniugate al glutatione Ruolo nel folding delle proteine riducendo i ponti disolfuro Ruolo nei meccanismi di difesa e assorbimento degli amminoacidi a livello intestinale

Creatina e creatinina. La sintesi comincia a livello renale partendo dalla timina con la formazione di ornitina e del gruppo guanidioacetato che viene successivamente metilato a livello epatico e trasportato al muscolo. Nel muscolo creatina e fosfocreatina sono in equilibrio con il pool di ATP e quindi costituiscono un pool di fosfati ad alta energia che permette alla cellule di far fronte ad improvvise necessità metaboliche. In realtà la fosfocreatina in maniera non enzimatica va incontro a idrolisi e ciclizzazione spontanea dando la creatinina che viene poi espulsa. Poliammine. Sono piccole molecola basiche che legano una serie di composti acidi come il DNA, RNA mex e i ribosomi, i fosfolipidi e che in questo modo neutralizzano cariche negative. Aiutano quindi a mantenere la normale omeostasi cellulare. Derivano dall’ornitina per decarbossilazione si ottiene la putrescina, per trasferimento di una parte della metiladenosina otteniamo la spermidina e da questa la spermina. Monossido di azoto. È un gas che deriva dall’ossidazione dell’arginina in presenza di ossigeno ed equivalenti riducenti a dare citrullina. NO sintasi è un enzima calcio dipendente che prende elettroni dal NADPH e li utilizza per ridurre un gruppo eme che a sua volta fa da riducente per la reazione insieme all’acido ascorbico. Esistono tre forme di NO sintetasi che hanno funzioni diverse:

1. NOS endoteliale  calcio – dipendente. Espressa in maniera costituiva dalle cellule endoteliali e può essere indotta in altri tipi di cellule. Ha un ruolo principale nel controllo della dimensione dei vasi di piccolo calibro 2. NNOS  espressa nei neuroni 3. INOS  è inducibile e presente ad altissimi livelli nei macrofagi che la usano per produrre grosse quantità di NO come agente tossico durante le reazioni di distruzione di patogeni. È indotta quindi da citochine infiammatarie NO è un messaggero locale ma ha una grande diffusibilità. Va a bersagliare una serie di enzimi, di cui il principale sono le guanilato ciclasi e controlla la risposta immune, la stabilità nervosa e il calibro dei vasi. NO prodotto dalla sintetasi endoteliale produce vasodilatazione. Nella cellula endoteliale sottoposta a stress meccanico o a stimolazione con sostanze che fanno entrare calcio nella cellula, la NOS si attiva, produce NO che entra nelle cellule muscolari lisce e tramite GMP produce rilassamento delle stesse e aumento del calibro dei vasi e quindi passaggio di sangue. Melanina. Hanno la funzione di assorbire la luce con funzione protettiva a livello dei capelli e della pelle. Viene sintetizzata a partire dalla tirosina, attraverso un primo passaggio di idrossilazione si ha la dopa, successivamente questa viene ulteriormente lavorata formando un secondo anello eterociclico. Questa molecola viene decarbossilata e polimerizzata a dare polimeri con molti legami coniugati, quindi in grado di assorbire la luce nel visibile. A seconda che sia inclusa o meno la cisteina nel polimero abbiamo  

Eumelanine non hanno cisteina nel polimero Feomelanine  hanno invece la cisteina...