Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu železa

Prezentace na téma: "Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu železa"— Transkript prezentace:

1 Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu železa
seminář Martin Vokurka duben 2005 Zkrácená internetová verze

2 Železo je 4. nejhojnější prvek kůry zemské
Využívají ho všechny živé organismy

3 Železo Jako součást hemových i nehemových proteinů plní důležité funkce: Proces tvorby energie * transport kyslíku (hemoglobin) * transport elektronů (cytochromy) Transformace a detoxikace látek (cyt. P450) Množení buněk, proliferace tkání Imunitní děje, likvidace patogenů Železo je pro lidský organismu zcela nezbytný prvek, který se účastní jako součást hemových i nehemových proteinů zcela zásadních dějů, jako je přenos a využití kyslíku, biotransformace a metabolismus mnoha látek, syntéza deoxyribonukleové kyseliny

4 I během transportních dějů prodělává železo přechod mezi oběma stavy:
Schopnost železa existovat ve 2 redoxních stavech (Fe2+, Fe3+) umožňuje jeho využití v katalytických centrech základních biochemických reakcí. I během transportních dějů prodělává železo přechod mezi oběma stavy: ferrireduktáza (Fe3+  Fe2+) ferroxidáza (Fe2+  Fe3+)

5 Musí disponovat mechanismy, jak železo získat
* anorganicky * „organické“ – jeden z druhého Mohou o železo kompetovat průběh infekce je trochu i „bojem o železo“ Musí se před železem chránit * regulovat jeho příjem a distribuci * neponechávat jej ve „volné“ formě

6 Stejné vlastnosti, pro které je železo užitečné v každé z těchto reakcí, z něj dělají i potenciálně
toxický prvek. Fentonova reakce: Fe2+ + H2O2  Fe3+ + OH* + OH-

7 Železo Katalyzuje tvorbu kyslíkových radikálů – poškození orgánů
Nadbytek železa, zejména volného, je pro buňky toxický + likvidace patogenů... Nadbytek železa, a to zejména železa volného, je však pro buňky a organismus toxický a může katalyzovat vznik volných radikálů Zároveň je to však prvek potenciálně toxický, a to zejména v nadměrném množství; volné železo je významným katalyzátorem vzniku kyslíkových radikálů

8 Železo - hlavní orgány Kostní dřeň – erytropoeza
Játra – zásobárna + regulace Makrofágy (RES) – zpracování hemu a zásoby Duodenum – resorpce

9 LABORATORNÍ VYŠETŘENÍ
KO - S-Fe - saturace Tf - TIBC (celková vazebná kapacita) - sérový feritin - solubilní sérový transferinový receptor (sTfR) - protoporfyrin v erytrocytech - vyšetření kostní dřeně

10 Poruchy těchto regulací jsou spojeny s některými chorobnými stavy.
Množství železa v organismu i buňkách a jeho distribuce jsou regulovány. Poruchy těchto regulací jsou spojeny s některými chorobnými stavy. Proto je regulace množství železa a jeho kinetiky v organismu i buňkách velmi důležitá a její poruchy jsou spojeny s některými chorobnými stavy.

11 Hlavní poruchy - snížené množství železa v organismu – sideropenie
* ztráty (krvácení) * špatná výživa a resorpce (GIT onemocnění) * zvýšená potřeba (těhotenství…) - zvýšené množství 1) primárně – hereditární hemochromatóza (HH) 2) sekundárně – hemosideróza (např. opakované transfuze u útlumu kostní dřeně) - porušená distribuce a kinetika anémie chronických chorob

12 Sideropenie sideropenie a sideropenická anemie:
mikrocytární, hypochromní další projevy - únava, změny na sliznicích, kůži, nehtech atd. Resorpce Fe se zvyšuje

13 Latentní iron deficiency sérové železo saturace Tf protoporf. v ery
anémie Manifestní Latentní iron deficiency erythropoiesis sérové železo saturace Tf protoporf. v ery Prelatentní vyčerpání zásob sérový feritin TIBC železo v kost. dřeni

14 Těhotenství potřeba cca 1000 mg železa 300 mg plod 50-75 mg placenta
450 mg zvýšená erytropoeza 200 mg porod Ženy mají nižší zásoby železa než muži

15 4 000 mg Železo - kinetika resorpce železa recyklace železa 62,5 % erytron 25 % zásobárny 0,1 % plasma Denní obrat několikanásobek množství v plasmě

16 Železo - vstřebávání enterocyty v duodenu
3 “typy” železa + 3 cesty resorpce - dvojmocné železo nehemové * DMT1 * ferrireduktáza (Dcytb) - hemové železo (endosomální proces ??) - trojmocné železo 3 integrin-mobilferrin - 1/3 ž. v potravě, ale 2/3 ž. vstřebaného - v buňce uvolněno hemoxygenázou - značnou část v potravě (až 2/3), nevstřebatelné při pH>3 - vliv ostat. složek potravy na solubilitu - následná redukce v cytosolu komplexem tzv. paraferritinu

17 DMT1 (divalent metal transporter, též DCT1 či Nramp2), může transportovat i jiné divalentní kationy (kovy) exprese se zvyšuje při nedostatku železa – má 3’IRE uvnitř buněk se podílí i na endosomálním transportu jednořetězcový transmembránový glykoprotein (90,000, 12q13) Redukce trojmocného železa 1) potrava - např. askorbová kyselina 2) Dcytb (ferrireduktáza) – duodenální cytochrom redukuje železo, v apikální membráně enterocytů, je indukovatelná hypoxií a nedostatkem železa;

18 Výstup železa z enterocytů/buněk
Ferroportin1 (Ireg1, MTP1) – transportní molekula přenášející železo z buňky (enterocytů, hepatocytů, makrofágů, Kupfferových buněk aj.) jednořetězcový transmembránový glykoprotein (62,000, 2. chromozom), regulován 5’IRE a reaguje na hypoxii Hephaestin – transmembránový protein blízký ceruloplasminu (155,000, Xq11-12), druh ferroxidázy (oxidace Fe při výstupu z enterocytu) Ceruloplasmin –slouží k oxidaci železa (ferroxidáza), jednořetězcový glykoprotein (132,000, 3q21-24) s 6 atomy mědi

19 Železo - transport Transferin – jednořetězový glykoprotein (79,500, 1 globulin) s dvěma homologními vazebnými místy pro železo v trojmocné formě za fyziol. podmínek je saturován asi z 30 %

20 Železo - vstup do buněk Transferinový receptor (TfR) – vazba Tf se železem dva typy - TfR1 a TfR2 TfR1 (CD71, 3q21) hojnější v orgánech s výj. jater, regulován prostřednictvím IRE na 3’ konci, transmembr. glykoprotein, tvořen 2 identickými řetězci; 185,000 TfR2 (7q22) je hojnější v játrech, nemá IRE a jeho přesná regulace není dosud známa; 215,000

21 Železo - využití v buňce
DMT1 – transport z endosomu Feritin – sférický protein (440,000), heteropolymer 24 podjednotek 2 typů – H a L s rozdílou lokalizací na chromozomech, váže a skladuje trojmocné železo (až 4500 atomů), H podjednotka oxiduje železo, regulován 5’ IRE Ferrochelatáza – mitochondriální enzym katalyzující vložení Fe2+ do tetrapyrolu – protoporfyrinu IX (vzniká hem)

22 * vázána na obsah železa
* vázána na potřebu železa Železo - regulace ORGANISMUS resorpce železa enterocyty transkripční: hypoxie posttranskripční: IRE/IRP buňky molekuly transferinový receptor (TfR) feritin aj. (dle typu buňky)

23 Málo Fe Hodně Fe IRP1 c-akonitáza IRP2 degradován vazba na IRE IRP – iron responsive proteins IRE – iron responsive elements: vlásenkové struktury na UTR regionech mRNA ((tento a následující slide vypustit)) Důležitá je regulace stability mRNA pomocí interakce proteinů - tzv. IRP se specifickými strukturami přítomnými na mRNA pro některé proteiny účastnící se kinetiky železa. Tyto proteiny se chovají odlišně v závislosti na množství železa v buňce - je-li ho málo, jsou schopny vazby na IRE na mRNA, zatímco je-li ho dostatek, plní jiné funkce nebo jsou degradovány.

24 Málo Fe syntéza TfR1 IRP1 IRP2 vazba na IRE 3’ stabilizace (TfR1)
5’ není translace (feritin) Výsledkem je zvýšená syntéza tfr1 a větší vstup železa do buňky.

25 Hodně Fe syntéza feritinu Málo Fe IRP1 c-akonitáza IRP2 degradován
není vazba na IRE 3’ degradace (TfR1) syntéza feritinu 5’ stabilizace – translace Buňka nezískává další železo, ale má dostatek zásobního proteinu.

26 Regulační molekuly v kinetice železa
hepcidin HFE transferinový receptor 2 (TfR2) hemojuvelin Hlavní orgány *játra *střevo

27 Hepcidin * peptid 20, 22, 25 aminokyselin se 4 cystinovými můstky
(HAMP = hepatic antimicrobial peptide) * peptid 20, 22, 25 aminokyselin se 4 cystinovými můstky * produkovaný v játrech (hepatocytech) * antimikrobiální účinky Na úrovni organismu je v současnosti považován za klíčový regulátor peptid hepcidin. Jde o peptid… (Ovlivňuje obě regulované složky - jak resorpci, tak recyklaci železa.)

28 Ovlivnění kinetiky železa: - snižuje resorpci železa enterocyty
působí sekvestraci železa v makrofázích Předpokládá se i účast v regulaci transplacentárního transportu Krátce po jeho objevu jako antimikrobiálního peptidu byl zjištěn jeho vztah k železu – a to jak k jeho resorpci, tak recyklaci – a byly formulovány jeho hlavní funkce. snižuje … působí … Exprese hepcidinu je zvýšena při přetížení železem a působením zánětových podnětů.

29 Exprese hepcidinu je regulována/zvýšena:
- železem - zánětem (LPS, IL-6)

30 Důsledky nedostatku a nadbytku hepcidinu
zvýšená resorpce v GIT nadbytek železa v makrofázích málo železa snížená resorpce v GIT nedostatek železa sekvestrace k makrofázích hereditární anémie chronických hemochromatóza (HH) chorob Projevy nedostatku a nadbytku hepcidinu jsou zřetelné a typické: Nedostatek hepcidinu vede k nadměrné resorpci železa v git a k nadbytku železa v organismu. To je stav odpovídající HH. Naopak jeho nadbytek resorpci snižuje, vede k nedostatku železa, ale i k jeho narušené distribuci - k sekvestraci v makrofázích. Tento stav odpovídá změnám železa u anémie chronických chorob.

31 Shrnutí významu hepcidinu v patologii lidských onemocnění
1. mutace hepcidinu jako vzácná příčina juvenilní hemochromatózy 2. dysregulace hepcidinu jako patogenetický faktor u ostatních forem hereditární hemochromatózy 3. nadprodukce hepcidinu jako patogenetický mechanismus změny kinetiky železa při anémii chronických chorob

32 HEPCIDIN JE PRAVDĚPODOBNĚ HORMONEM REGULACE ŽELEZA V ORGANISMU

33 HFE membránový protein MHC třídy I (dř. HLA-H), 6p21, váže 2-mikroglobulin. Kontaktem s TfR1 ovlivňuje (snižuje) resorpci železa (v jakém bodu?). Ovlivňuje celkovou regulace železa v organismu. Mutace HFE způsobuje většinu případů HH.

34 Hereditární (genetická) hemochromatóza (HH)
AR dědičné onemocnění (až 0,3%ní výskyt, ale s neúplnou penetrancí) nadměrná resorpce železa ve střevě hromadění železa v játrech, pankreatu, srdci, hypofýze, gonádách a dalších orgánech  pestré klinické příznaky

35 Hlavní typy HH a regulační proteiny
HFE Hemojuvelin (HJV) Hepcidin , 2001 TfR Ferroportin – 1999, 2001 Jejich mutace jsou zodpovědné za jednotlivé typy hereditární hemochromatózy typ 1 juven. HH – typ 2A juven. HH – typ 2B typ 3 typ 4 Protože nedostatek hepcidinu odpovídá obrazu HH, byly hledáno jeho možné etiopatogenetické působení v tomto onemocnění. V současné době je známo několik typů HH. Mutace hepc způsobuje jednu z nich… Dalšími formami jsou… Kromě toho, že mutace hepc způsobila jednu formu HH, byly u ostatních forem zjištěny nepřiměřeně nízké exprese hepcidinu, což svědčí o jeho dysregulaci a možné patogenetické roli i u těchto forem… Bylo prokázáno, že jeho mutace je skutečně zodpovědná za jeden typ HH, a to za menší část její juvenilní formy. Důležité však bylo zjištění, že hepcidin je dysregulován a je nepřiměřeně nízký i u nejčastější hh, způsobené mutací hfe. Posléze byly podobné nálezy stanoveny i pro další novější a vzácné formy… Hepcidin hraje v HH i patogenetickou roli a to vede i k úvahám o funkčím propojení jednotlivých molekul v řízení kinetiky železa. V současnosti je známo několik typů HH, které jsou spojeny s mutací proteinů, které byly objeveny v posledním desetiletí. Bylo zjištěno, že přímo mutace hepcidinu způsobuje vzácně jednu z forem HH. Podstatné však bylo zjištění, že i u dalších typů, včetně nejčastější formy způsobené mutací HFE, je jeho exprese nepřiměřeně nízká. Nepřiměřeně nízká exprese hepcidinu byla prokázána u typů 1-3 HH

36 Hepcidin – předpokládaná regulace
Současné hypotézy předpokládají, že exprese hepcidinu by mohla být regulována přes saturaci transferinu a stabilizaci TfR2 na úrovni proteinu v kooperaci s HFE a modifikována pomocí HJV (zatím zcela neznámým mechanismem). Tyto regulační závislosti nejsou zřetelné na úrovni změn množství mRNA těchto genů

37 Tf-Fe HEPCIDIN HEREDITÁRNÍ HEMOCHROMATÓZA TfR1 TfR2 HFE hemojuvelin
HEPATOCYT HEPCIDIN

38 Anémie chronických chorob (ACD)
Anémie provázející zánětlivá a nádorová onemocnění Druhá nejčastější anemie chronické infekce chronické neinfekční záněty autoimunitní choroby malignity traumata, pooperační stavy obv. normocytární, normochromní, později může být hypochromní až mikrocytární (vynechat ?) Výsledky několika málo humánních studií jsou spíše rozporuplné

39 Anémie chronických chorob
* Produkce zánětových cytokinů ovlivňujících erytropoezu * Typické změny kinetiky železa: - snížená sérová koncentrace Fe - nesnížená saturace transferinu - zvýšený obsah železa v Mo-Ma systému - zvýšená sérová koncentrace feritinu V kostní dřeni úbytek sideroblastů a současně je dost železa v makrofázích

40 sTfR hepcidin ?? stav tkáňových zásob + reaktant akutní fáze

41 ŽELEZO A INFEKCE 1. Nezbytné pro bakterie 2. Nezbytné pro imunitní děje * likvidace bakterií (kyslíkové radikály) * stav sliznic apod. * množení imunitních buněk

42 Kompetice o železo mezi bakteriemi a organismem
Lidský organismus i bakterie Fe potřebují Získat Fe je pro organismy relativně složitý proces Bakterie mají siderofory – sloučeniny s vysokou afinitou k železu Organismus má mechanismy, jak železo před bakteriemi sekvestrovat

43 siderocalin/NGAL siderofory Fe laktoferin hepcidin – změna distribuce Fe (snížení resorpce, sekvestrace v M)

44 Hepcidin Předpokládá se, že hraje roli v patogenezi ACD, resp. ve změně kinetiky železa tuto anémii provázející

45 ZÁVĚRY Železo plní v organismu klíčové role nutné pro metabolismus, buněčnou proliferaci, hojení detoxikaci aj. Železo je důležité pro správný průběh imunitních dějů a likvidaci patogenů Nedostatek železa je spojen s poruchami těhotenství a vývoje plodu Nadbytek železa je pro organismus toxický, zvyšuje riziko některých infekcí Železo je důležité i pro invadující mikroorganismy

46 ZÁVĚRY Některé infekce probíhají v přítomnosti (většího množství) železa snadněji. Těžší nedostatek železa však obranyschopnost rovněž snižuje.

47 ZÁVĚRY V metabolismus železa se uplatňuje řada nových proteinů a transportérů Hlavní regulátorem metabolismu železa v organismu (hormonem) je peptid hepcidin Organismus disponuje různými mechanismy, jimiž se snaží železo před bakteriemi sekvestrovat Některé děje v metabolismu železa, jeho regulaci a patogenezi jeho poruch nejsou dosud zcela objasněny

48 KONEC