MOLEKULÁRNÍ MECHANIZMY PORUCH METABOLIZMU ŽELEZA A HEMU   ing. Jan Krijt, PhD 1) Poruchy metabolismu porfyrinů 2) Hemoproteiny 3) Nehemové proteiny obsahující Fe 4) Metabolismus železa 5) Poruchy metabolismu železa 6) Regulace metabolismu železa

Železo – nezbytná součást desítek enzymů a přenašečů kyslíku. Tři základní formy: Trojmocné Fe - nerozpustné Dvojmocné Fe - nebezpečné VOLNÉ RADIKÁLY!!! Hemové Fe – přenos kyslíku, elektronů

Hemoproteiny: obsahují železo ve formě hemu Hem: porfyrinový kruh s atomem železa

Porfyriny Intenzivně barevné tetrapyrolové sloučeniny Jejich základní vlastností je červená fluorescence Porfyrin a železo: Hem Porfyrin a hořčík: Chlorofyl, zelený, červená fluorescence stejně jako porfyrin

Patofyziologie porfyrií : Porfyrie: vzácné dědičné poruchy biosyntézy hemu Poškození není způsobeno chyběním koncového produktu (hemu), ale nahromaděním prekursorů před enzymovým blokem (téměř obecná vlastnost metabolických poruch)

Od nefluoreskujících prekursorů k fluoreskujícímu porfyrinu BIOSYNTÉZA PORFYRINŮ Od nefluoreskujících prekursorů k fluoreskujícímu porfyrinu Glycin + Sukcinyl CoA NH2-CH2-CO-CH2-CH2-COOH (δ-aminolevulová kyselina) Porfobilinogen Porfyriny

Patofyziologie porfyrií: Pokud se hromadí nefluoreskující tetrapyrol, jde o AKUTNÍ PORFYRIE Nejběžnější akutní porfyrie: Akutní intermitentní porfyrie Poškození periferních nervů nefluoreskujícími prekursory porfyrinů Pokud se hromadí fluoreskující porfyrin, jde o KOŽNÍ PORFYRIE Poškození kůže fluoreskujícími porfyriny (fotosenzitivita, puchýřky...) Nejběžnější: porphyria cutanea tarda

Klasifikace porfyrií: Nejednotná, historicky například jaterní a erytropoetické, podle místa, kde se enzymový defekt projevuje. Prakticky nejlépe na akutní a neakutní, akutní porfyrie se často manifestují jako akutní porfyrická ataka, jejíž patofyziologie předpokládá reverzibilní poškození periferních nervů akumulovanými prekurzory. Existují i vzácné porfyrie kombinující akutní ataku a fotosenzitivitu, ale u nás platí že neakutní porfyrie= kožní porfyrie

Patofyziologie akutních porfyrií: Akumulované nefluoreskující prekursory porfyrinů (kyselina delta aminolevulová a porfobilinogen) způsobují reverzibilní poškození periferních nervů. Akutní ataka se projeví prudkými bolestmi břicha, parestéziemi, parézami, případně až obrnou dýchacího svalstva. Ataka je reverzibilní: když hladiny prekursorů klesnou, ataka odezní. Akutní ataka se často projeví teprve po podání léků, indukujících jaterní cytochromy P450.

Patofyziologie kožních porfyrií: Základní vlastnost porfyrinového kruhu - fluorescence - je nutná pro chlorofyl, nikoliv pro hem: Každá fluorescence je přenosem energie. Chlorofyl v rostlinách absorbuje sluneční energii a předává ji specializovaným organelám, které ji zpracují. Hem nepřenáší energii, nýbrž elektrony nebo kyslík. Fluorescenci nepotřebuje! Pokud se fluoreskující porfyrin hromadí v kůži (kožní porfyrie), absorbuje energii, ale nemá ji (na rozdíl od chlorofylu v listech) kam předat - energie je pohlcena kyslíkem za vzniku kyslíkových radikálů = poškození kůže

Pacienti s velmi vzácnou těžkou homozygotní neakutní porfyrií Porfyrické anekdoty 1: Pacienti s velmi vzácnou těžkou homozygotní neakutní porfyrií (kongenitální erytropoetická porfyrie, u nás doposud známo jen několik případů) jsou akumulací porfyrinů (a následným vznikem aktivních sloučenin kyslíku na světle) doslova znetvořeni - ztráty boltců, článků prstů... Preferují život ve tmě Upíři a vlkodlaci - ve skutečnosti pacienti s kongenitální erytropoetickou porfyrií?

Protože jsou porfyrie vzácné, vymýšlejí si badatelé Porfyrické anekdoty 2: Protože jsou porfyrie vzácné, vymýšlejí si badatelé různé podivné historky, aby získali peníze na jejich výzkum. 1. Akutní porfyrie se dědila v rodu anglických panovníků: "The Royal Malady" Jiří III přišel vinou porfyrie o kolonie v Severní Americe. 2. Akutní porfyrií trpěl Vincent van Gogh. Tím, že stále konzumoval dryáky jako absint, si indukoval jaterní cytochromy P450 (což, jak uvidíme, akutní porfyrii zhoršuje).

Fluoreskuje hem? Chlorofyl (porfyrin a hořčík) fluoreskuje. ALE: Hem naštěstí nefluoreskuje - jinak všichni kožní porfyrie!

Hemoproteiny Cytochromy dýchacího řetězce mitochondrií Hemoglobin: asi 2.5 gramu železa Myoglobin: asi 0.3 gramu železa Cytochrom P450: Jaterní hemoprotein Detoxifikace cizorodých látek Indukuje se po podání cizorodé látky (fenobarbital) Indukce cytochromu P450 příčina lékových interakcí

Role indukce cytochromu P450 v patofyziologii akutní porfyrie: δ-aminolevulová kyselina Blok INDUKCE FENOBARBITALEM Cytochrom P450 Syntéza hemu je indukována stejnými induktory jako P450: fenobarbital zvyšuje množství metabolitů před blokem Základní terapeutický postup u akutní porfyrie: Pacienta NELÉČIT! (vysadit všechny léky)

Nehemové proteiny obsahující Fe: Ribonukleotid reduktáza: Ferritin Transferrin ale také například Ribonukleotid reduktáza: protein nutný pro syntézu DNA - železo nezbytné pro rychle se množící buňky

Ferritin: zásobní protein pro Fe, asi 1 g Fe celkem (20-25 % celk. Fe) (Prof. Vilém Laufberger, 1937: Sur la cristallisation de la ferritine. Bull Soc Chim Biol., 19, p.1575) Odráží stav Fe v zásobárnách muži: 20-275 μg/litr ženy: 5-200 μg/litr pod 15 μg/litr: nedostatečné zásoby železa

Celkovou vazebnou kapacitu pro železo (TIBC) Saturace transferrinu: Transferrin: transportuje Fe v plasmě, jeho množství určuje Celkovou vazebnou kapacitu pro železo (TIBC) TIBC: 40 - 70 μmol/litr Fe v plasmě: 10 - 30 μmol/litr Saturace transferrinu: normální asi 30-50 %, saturace pod 15 % = sideropenie

Internalizace transferrinu: Transferrinový receptor Exprese transferrinových receptorů řízena potřebou železa Nejvíc transferrinových receptorů mají erytroblasty

Regulace metabolismu železa Obsah železa:   2.5 g v hemoglobinu, 1 g ve ferritinu, Denní příjem železa v potravě: asi 15 mg Denní ztráty železa: asi 1 mg Denní příjem železa: asi 1 mg Regulace množství železa: výhradně na úrovni příjmu železa z potravy Neexistuje fyziologická cesta, jak se železa zbavit

Poruchy metabolismu železa   1) Nadměrná absorpce železa v duodenu: Hemochromatosa Ukládání železa v játrech, pankreatu a myokardu, poruchy se projeví při zvýšení zásoby železa nad 20 g a více (z původních 4-5 g) Existuje 5 genů, jejichž mutace způsobují hereditární hemochromatózu, nejběžnější je mutace genu HFE Terapeutický postup: Venepunkce: snížení množství Fe v cirkulaci vede k mobilizaci železa ze zásob

Anémie z nedostatku železa Poruchy metabolismu železa 2) nedostatek železa v organismu - sideropenie Anémie z nedostatku železa nejběžnější anémie - pokles sérového ferritinu (odráží pokles zásob železa) -pokles plasmatického železa kompenzační zvýšení množství transferrinu v plasmě = zvýšení TIBC = pokles saturace transferrinu pod 15 %

Anémie z nedostatku železa podle pohlaví: Ženy - obecně vyšší ztráty železa než muži (menstruace, porod) Ženy: podstatně nižší zásoby železa, dostačný přísun železa nutný zejména v těhotenství Muži: obecně vyšší zásoby železa (menší ztáty, jiné stravovací návyky...) Častá příčina anemie: chronické krvácení do GIT Anémie u dospělých mužů: vždy vyšetřit !

Anémie chronických chorob Poruchy metabolismu železa: 3) porucha redistribuce železa   Anémie chronických chorob Relativní nedostatek Fe pro krvetvorbu při vysoké hladině ferritinu a vysoké hladině Fe v zásobách

Regulace metabolismu železa Před rokem 2000 důraz kladen na REGULACI VSTUPU ŽELEZA DO BUNĚK

Regulace vstupu železa do buněk: systém transferrin- transferrinový receptor, řízen na posttranskripční úrovni princip: nedostatek Fe stabilizuje mRNA pro transferrinový receptor

Pro metabolismus železa je klíčový EXPORT ŽELEZA Z BUNĚK Od roku 2000 nové dogma: Pro metabolismus železa je klíčový EXPORT ŽELEZA Z BUNĚK Export železa z buněk zajišťuje protein FERROPORTIN jediný dosud popsaný exportér Fe

Které buňky musí být schopny exportovat Fe? Makrofágy: denně exportují 30 mg Fe z fagocytovaných erytrocytů Enterocyty (buňky sliznice tenkého střeva): denně transportují 1-2 mg Fe z potravy Hepatocyty: jsou zjevně schopny mobilizovat Fe ze zásob pro potřeby erytropoézy

objev jaterního hormonu 2000: Revoluce v metabolismu železa objev jaterního hormonu HEPCIDINU HEPCIDIN BLOKUJE EXPORT ŽELEZA Z BUŇEK

Hepcidin degraduje ferroportin 2004: Hepcidin degraduje ferroportin Nízký hepcidin: zvýšený příjem Fe z potravy (zvýšený export železa z enterocytů) Vysoký hepcidin: uzavření železa v makrofázích snížený příjem Fe z potravy,

Antimikrobiální peptid, jenž současně ovlivňuje Hepcidin: Hepatic bactericidal protein HEPCIDIN: Antimikrobiální peptid, jenž současně ovlivňuje metabolismus železa

BOJ O ŽELEZO Vztah mezi metabolismem železa a infekcí: Patogeny: potřebují železo pro ribonukleotid reduktázu (syntéza DNA) Hostitel: potřebuje železo pro obranné enzymy (syntáza oxidu dusnatého, NADPH oxidáza) Důsledek: BOJ O ŽELEZO

Hepcidin je, zřejmě díky svým antimikrobiálním účinkům, PROTEINEM AKUTNÍ FÁZE (v játrech syntetizovaný protein, jehož koncentace v plasmě se výrazně mění při zánětu)

Patofyziologie hereditární hemochromatózy: 1) Mutace genu HFE (nebo dalších 3, včetně mutace samotného hepcidinu) vede k snížení produkce hepcidinu 2) Snížený hepcidin vede ke zvýšenému příjmu železa z potravy Hemochromatóza: obecně snížená aktivita hepcidinu (?) Poznámka pod čarou: mezi mutace odpovědné za hemochromatózu se někdy řadí i mutace ferroportinu, exportujícího železo z buňky. Mutace ferroportinu však většinou způsobuje jiný obraz distribuce jaterního železa mezi hepatocyty a Kupfferovy buňky než mutace zbylých čtyř genů (HFE, TFR2, HFE2 a hepcidinu). Proto renomovaní železáři mluví v případě mutace ferroportinu spíše o "ferroportin disease".

Patofyziologie anémie chronických chorob: 1) Prozánětlivé cytokiny zvyšují produkci hepcidinu 2) zvýšený hepcidin vede k uzavření železa v makrofázích, a postupně i k sníženému příjmu železa z potravy Působení hepcidinu má logiku z hlediska obrany před infekcí: důležité je především upřít železo patogenům!

Fe Hepcidin: naše železo nikomu nedáme!