Metabolismus erytrocytů Alice Skoumalová

Erytrocyty Struktura: bikonkávní tvar (7,7 μm) nemají nitrobuněčné organely (membrána obklopující roztok hemoglobinu) Funkce: transport - kyslík do tkání - odstraňování oxidu uhličitého a protonů Doba života 120 dní 4,6-6,2 milionů/μl u mužů, 4,2-5,4 milionů/μl u žen

1. Membrána erytrocytů

50% lipidová dvojvrstva (fosfolipidy, cholesterol) 50% proteiny SDS-PAGE: rozdělení podle migrace (proužek 1-7) isolace a analysa (10 hlavních bílkovin) Integrální: Protein vyměňující anionty, glykoforiny A, B, C Periferní: Spektrin, Ankyrin, Aktin Dědičná sferocytóza (AD) deficit v množství spektrinu nebo jeho abnormality přítomnost sferocytů v periferní krvi destrukce při průchodu slezinou

2. Hemoglobin 4 polypeptidové řetězce + 4 hemové skupiny

Prostorové změny hemu a F-helixu během přechodu mezi T a R-formou hemoglobinu:

Saturační křivka hemoglobinu:

Autooxidace hemoglobinu: O2 se váže na Fe2+ Hem - Fe2+- O2 Hem - Fe3+ - O2•- Methemoglobin (Fe3+) není schopen vázat O2 (methemoglobinreduktáza)

3. Specifika erytrocytů Nemají organely produkce ATP oxidativní fosforylací opravovat poškozené proteiny a lipidy Jsou vystaveny působení volných radikálů autooxidace hemoglobinu (uvolňování O2•-) PUFA v membráně (peroxidace lipidů) deformace v kapilárách, uvolnění katalytických iontů (peroxidace lipidů)

4. Metabolismus erytrocytů Glukóza: energie Glykolýza: ATP, 2,3-bisfosfoglycerát, NADH Pentosafosfátová dráha: NADPH Syntéza glutathionu (antioxidant) Zánik: globin, Fe2+, tetrapyrol

Glukóza je zdroj energie Přenašeč pro glukosu 12 transmembránových helikálních úseků kanál pro průchod glukózy nezávislý na inzulínu Glykolýza 1. zdroj ATP laktát pouze z glykolýzy 2. dodavatel 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG) (= Rapaport-Luebering shunt) odklonění glykolýzy (nevzniká ATP) vazba na deoxyhemoglobin, stabilizace, usnadnění uvolňování kyslíku v tkáních

2,3-bisfosfoglycerát Allosterický efektor hemoglobinu: stabilizuje deoxyhemoglobin snižuje afinitu hemoglobinu ke kyslíku Klinické aspekty: zvýšená produkce u lidí žijících ve vysoké nadmořské výšce a u kuřáků neváže se na fetální hemoglobin (HbF α2γ2), větší afinita ke kyslíku, předávání kyslíku plodu přes placentu

Pentosafosfátová dráha NADPH: redukce oxidovaného glutathionu na redukovaný Glutathion: odstraňuje H2O2 z erytrocytů (za katalýzy glutathionperoxidázy obsahující selen) Mutace glukosa-6-fosfátdehydrogenázy Hemolytická anémie: snížená tvorba NADPH oxidace hemoglobinu, Heinzova tělíska peroxidace lipidů, rozpad erytrocytů Klinika: požití bobů či různých léčiv (primachin, sulfonamidy) 100 milionů lidí deficit aktivity tohoto enzymu (nejčastější enzymopatie)

V erytrocytech probíhá syntéza glutathionu

Redukovaný glutathion Důležitý pro ochranu před volnými radikály 1. Kofaktor glutathionperoxidázy (odstraňování H2O2 v erytrocytech) 2. Součást metabolismu kyseliny askorbové (recyklace) 3. Chrání proteiny před oxidací SH-skupin a tvorbou zkřížených vazeb Glutathionperoxidáza Gly Cys Glu Gly Cys Glu Gly Cys SH Glu S S Glutathionreduktáza Redukovaný glutathion (monomer) Oxidovaný glutathion (dimer)

Oxyhemoglobin O2 Hemoglobin Superoxid H2O2 Methemoglobin ½ O2+H2O GSH Superoxiddismutáza Hemoglobin Superoxid H2O2 Kataláza Methemoglobinreduktáza Methemoglobin ½ O2+H2O GSH Pentosofosfátová dráha NADP+ Glutathionreduktáza Glutathionperoxidáza NADPH GSSG H2O GSH-redukovaný glutathion; GSSG-oxidovaný glutathion

Autooxidace hemoglobinu 3% hemoglobinu každý den se oxiduje Konstantní uvolňování O2•- Hem - Fe2+- O2 Hem - Fe3+ - O2•- Hem – Fe2+- O2 Hem - Fe3+ + O2•- Methemoglobinreduktáza Redukce methemoglobinu FAD, cytochrom b5 a NADH (z glykolýzy) Methemoglobinemie 1. Dědičná: deficit methemoglobinreduktázy (AR) 2. Abnormální hemoglobin HbM (mutace hemoglobinu, náchylný k oxidaci) 3. Vyvolaná požitím léčiv či chemikálií (sulfonamidy, anilin) Klinika: cyanóza (10% Hb ve formě metHb) léčba podání redukčních činidel (methylenová modř, kyselina askorbová)

Superoxiddismutáza (SOD) Konvertuje O2•- na H2O2 CuZnSOD ve vysoké koncentraci v erytrocytech Odstranění H2O2: 1. Kataláza hemová skupina s Fe3+ katalyzuje dekompozici H2O2 na vodu a kyslík: 2H2O2 2H2O+O2 2. Glutathionperoxidáza redukuje H2O2 na vodu a zároveň oxiduje glutathion H2O2+2GSH GSSG+2H2O Glutathionreduktáza GSSG+NADPH+H+ 2GSH+NADP+ NADPH z pentosafosfátové dráhy (glukóza-6-fosfátdehydrogenáza)

Spolupráce katalázy a glutathionperoxidázy Kataláza důležitá při vyšších koncentracích H2O2 (vysoké Km pro H2O2) Erytrocyty odstraňují H2O2 a O2•- vznikající i v plazmě a jiných tkáních (H2O2volně difunduje membránou, O2•- prochází kanálem pro anionty)

5. Biologické antioxidanty: Chinoly a enoly α-tokoferol (vit. E) Ubichinol (koenzym Q) Askorbová kys. (vit. C) Karotenoidy β-karoten Lykopen Jiné Glutation Bilirubin

α-tokoferol (vitamin E) v membráně erytrocytů chrání před peroxidací lipidů α-TocH+LO2• α-Toc•+LO2H Kyselina askorbová (vitamin C) v cytoplasmě recykluje α-tokoferol Dehydroaskorbátreduktáza (GSH dependentní) regeneruje askorbát

Mutace - abnormální struktury hemoglobinu 6. Hemoglobinopatie Mutace - abnormální struktury hemoglobinu V důsledku mutací dochází k tvorbě srpků, změně afinity ke kyslíku, ztrátě hemu či disociaci tetrameru Nejznámější jsou hemoglobin M a S, dále thalasemie Hemoglobin M Náhrada His (E8 neboF7) v podjednotce α nebo β Tyr Silná iontová vazba s Tyr stabilizuje železo ve formě Fe3+ (methemoglobin) Methemoglobin neváže kyslík Thalasemie V důsledku genetických poruch je snížená či chybí tvorba α či β-řetězců (α či β-thalasemie) Existují stovky nevýznamných mutací hemoglobinu, pouze některé z nich mají patologický dopad

Hemoglobin S Srpkovitá anémie Agregace patologického hemoglobinu S

tzv. lepkavý úsek na povrchu hemoglobinu (Glu - Val) Hemoglobin S tzv. lepkavý úsek na povrchu hemoglobinu (Glu - Val) deoxyhemoglobin - komplementární místo k lepkavému úseku - polymeraci deoxyhemoglobinu S - vznik dlouhého vláknitého precipitátu V hemoglobinu S je Glu v β-řetězci (zbytek na povrchu hemoglobinu) nahrazen Val; polární zbytek je nahrazen nepolárním Vznikne tzv. lepkavý úsek na povrchu hemoglobinu Na povrchu deoxy (ne však oxy) hemoglobinu je komplementární místo k lepkavému úseku, což vede k polymeraci deoxyhemoglobinu S a vzniku dlouhého vláknitého precipitátu

Srpkovitá anémie erytrocyty zkrouceny do tvaru srpků, blokují kapiláry, způsobují zánět a bolest; jsou fragilní a mají tendenci se rozpadat, což vede k anemii v tropech (koincidence s malárií): heterozygotní forma hemoglobinu S - výhoda při nákaze malárií, rozpad erytrocytů přeruší parazitární cyklus

7. “Přepínání“ hemoglobinu:

8. Glykovaný hemoglobin (HbA1) Neenzymová glykace na terminální NH2 skupině (Val) β-řetězce Glykovaná frakce asi 5% celkového množství hemoglobinu (úměrná koncentraci glukózy v krvi) Měřením hladiny HbA1 lze získat informace o průběhu diabetes mellitus (odráží hladinu glukózy za posledních několik týdnů); Cukr CHO + NH2 CH2 Protein Cukr CH N CH2 Protein Cukr CH2 NH CH2 Protein Schiffova base Amadoriho přesmyk Glykovaný protein

Membrána erytrocytů Hemoglobin – kooperativní vazba O2 Hemoglobin – alosterické efektory Volné radikály a erytrocyty Metabolické dráhy v erytrocytech (specifika) Hemoglobinopatie Glykovaný hemoglobin