Гем, железо и протопорфирин IX: строение и биосинтез

Гем - это координационный комплекс двухвалентного железа $\mathrm{Fe^{2+}}$ с органическим лигандом протопорфирином IX. Именно он придаёт крови красный цвет, переносит кислород в гемоглобине и миоглобине, гонит электроны по дыхательной цепи в составе цитохромов и обезвреживает перекись в каталазе. Молекула собирается в восемь ферментативных шагов, разделённых между митохондрией и цитозолем, а сбой любого из них вызывает отдельную форму порфирии. Ниже - как устроен протопорфирин IX, как из глицина и сукцинил-КоА рождается гем, кто этот путь регулирует и почему его поломки дают такую пёструю клинику.

Что такое гем и где он работает

Гем относится к классу металлопорфиринов: плоское ароматическое кольцо удерживает в центре ион металла четырьмя атомами азота. В геме b (протогем, гем IX) металл - это $\mathrm{Fe^{2+}}$, а кольцо - протопорфирин IX. Железо в центре имеет шесть координационных позиций: четыре заняты пиррольными азотами в плоскости кольца, пятая и шестая - аксиальные, перпендикулярные плоскости. Через них гем связывается с белком (обычно через гистидин) и с переносимым лигандом - кислородом, оксидом углерода, оксидом азота. Именно обратимое связывание $\mathrm{O_2}$ с $\mathrm{Fe^{2+}}$ гема позволяет гемоглобину захватывать кислород в лёгких, где он диффундирует через альвеолокапиллярную мембрану из альвеол в кровь.

Разные белки используют разные варианты гема: гем b в гемоглобине и цитохроме b, гем c в цитохроме c (ковалентно пришит к белку через цистеины), гем a в цитохромоксидазе (с длинной фарнезильной цепью и формильной группой). Все они - производные одного и того же протопорфирина IX, модифицированного уже после вставки железа.

Строение протопорфирина IX

Протопорфирин IX - это порфирин, то есть макроцикл из четырёх пиррольных колец, соединённых четырьмя метиновыми мостиками ($\mathrm{=CH-}$). Система сопряжённых двойных связей делает кольцо ароматическим и интенсивно окрашенным. По периферии к восьми $\beta$-углеродам пирролов прикреплены боковые заместители: четыре метильных группы ($\mathrm{-CH_3}$), две винильных ($\mathrm{-CH=CH_2}$) и две пропионатных ($\mathrm{-CH_2CH_2COO^-}$).

«IX» в названии - это номер изомера по классификации Ганса Фишера. Теоретически восемь заместителей четырёх типов можно расставить по периферии множеством способов; биологический путь синтезирует строго один изомер - IX, с конкретным чередованием метилов, винилов и пропионатов. Именно асимметрия расстановки (тип III на стадии уропорфириногена) определяет, что в итоге получится протопорфирин IX, а не один из других теоретически возможных изомеров.

Исходные субстраты: глицин и сукцинил-КоА

Синтез начинается в матриксе митохондрии с конденсации аминокислоты глицина и метаболита цикла Кребса - сукцинил-КоА. Реакцию ведёт АЛК-синтаза (ALAS) с коферментом пиридоксальфосфатом (витамин $\mathrm{B_6}$):

$\text{глицин} + \text{сукцинил-КоА} \xrightarrow{\text{АЛК-синтаза},\ \mathrm{B_6}} \delta\text{-аминолевулинат} + \mathrm{CoA} + \mathrm{CO_2}$

Продукт - $\delta$-аминолевулиновая кислота (АЛК, ALA). Это самая медленная, скорость-лимитирующая стадия всего пути, и именно она - главная точка регуляции. У человека два гена ALAS: ALAS1 экспрессируется во всех тканях (housekeeping), ALAS2 - только в эритроидных клетках-предшественниках, где идёт массовая наработка гема для гемоглобина.

Цитозольный блок: от АЛК до копропорфириногена

Дальше синтез на время уходит из митохондрии в цитозоль. Четыре фермента последовательно превращают восемь молекул АЛК в тетрапиррол:

• АЛК-дегидратаза (ALAD, порфобилиноген-синтаза) соединяет две молекулы АЛК в монопиррол порфобилиноген (PBG). Фермент содержит цинк и чувствителен к свинцу - отсюда анемия при свинцовом отравлении.
• Порфобилиноген-дезаминаза (PBGD, гидроксиметилбилан-синтаза) сшивает четыре PBG в линейную цепочку - гидроксиметилбилан.
• Уропорфириноген III-синтаза замыкает цепочку в кольцо, переворачивая последнее (кольцо D) - так получается асимметричный изомер III, а не симметричный I.
• Уропорфириноген III-декарбоксилаза (UROD) отщепляет четыре карбоксильных группы с ацетатных заместителей, превращая их в метильные, - образуется копропорфириноген III.

На этой стадии кольцо ещё бесцветно-восстановленное (порфириноген, не порфирин) и легко окисляется на свету и воздухе.

Возврат в митохондрию: копропорфириноген → протопорфирин IX

Копропорфириноген III возвращается в митохондрию, где два фермента завершают сборку кольца:

• Копропорфириноген-оксидаза (CPOX) окислительно декарбоксилирует два из четырёх пропионатных заместителей до винильных групп - получается протопорфириноген IX.
• Протопорфириноген-оксидаза (PPOX) окисляет шесть водородов, формируя полностью сопряжённую ароматическую систему макроцикла - рождается протопорфирин IX, уже интенсивно окрашенный и флуоресцирующий.

Теперь кольцо готово принять металл. Без железа протопорфирин IX накапливается в эритроцитах и под ультрафиолетом даёт характерную красную флуоресценцию - это используют в диагностике.

Финал: феррохелатаза вставляет железо

Последний шаг ведёт феррохелатаза (FECH, гем-синтаза) на внутренней мембране митохондрии. Она встраивает ион $\mathrm{Fe^{2+}}$ в центр протопорфирина IX, образуя протогем (гем b):

$\text{протопорфирин IX} + \mathrm{Fe^{2+}} \xrightarrow{\text{феррохелатаза}} \text{гем} + 2\,\mathrm{H^+}$

Фермент содержит железо-серный кластер $\mathrm{[2Fe\text{-}2S]}$ и слегка деформирует плоское кольцо, чтобы облегчить вход металла и выход двух протонов. Важно, что вставляется именно $\mathrm{Fe^{2+}}$ (двухвалентное), а не $\mathrm{Fe^{3+}}$. Феррохелатаза умеет по ошибке вставлять и цинк (давая цинк-протопорфирин) - его уровень растёт при дефиците железа и при отравлении свинцом, что служит ранним маркером. Готовый гем экспортируется из митохондрии и встраивается в апобелки - глобин, цитохромы, каталазу, пероксидазы.

Этот путь интересно сравнить с биосинтезом другого важного тетрапиррола - хлорофилла: до стадии протопорфирина IX он совпадает с гемовым, а потом в кольцо вставляется не железо, а магний.

Регуляция синтеза гема

Главный регуляторный фермент - АЛК-синтаза, и регулируется он по-разному в печени и в эритроидных клетках.

• В печени (ALAS1) конечный продукт - гем - ингибирует фермент по принципу обратной связи: подавляет транскрипцию гена, дестабилизирует мРНК и блокирует импорт фермента в митохондрию. Поэтому индукторы цитохрома P450 (барбитураты, этанол, многие лекарства), забирающие гем, растормаживают ALAS1 и резко поднимают синтез предшественников - это провоцирует приступы печёночных порфирий.
• В эритроидных клетках (ALAS2) регуляция завязана на железо: в $5'$-нетранслируемой области мРНК ALAS2 есть IRE-элемент (iron-responsive element). При дефиците железа белок IRP связывается с IRE и блокирует трансляцию - нет смысла синтезировать гем, когда нет железа для вставки. При избытке железа блок снимается.

Такая двойная логика разводит «сервисную» наработку гема для всех тканей и «промышленную» - для эритропоэза.

Порфирии: что ломается на каждой стадии

Наследственный или приобретённый дефицит одного из ферментов пути даёт порфирию - накопление промежуточных метаболитов до места блока. Клиника зависит от того, что копится:

• Острая перемежающаяся порфирия - дефицит PBGD. Копятся водорастворимые АЛК и PBG → неврологические и абдоминальные кризы (боль в животе, тахикардия, психоз), без кожной фоточувствительности.
• Поздняя кожная порфирия (porphyria cutanea tarda) - дефицит UROD, самая частая. Копятся уропорфириногены → фотодерматит, пузыри на открытой коже.
• Эритропоэтическая протопорфирия - дефицит феррохелатазы. Копится протопорфирин IX → жгучая боль и отёк кожи на солнце.

Накопленные порфирины (но не АЛК и PBG) поглощают свет около 400 нм и в возбуждённом состоянии генерируют активные формы кислорода - отсюда фоточувствительность и повреждение кожи.

Частые ошибки

• Путать гем и гемоглобин: гем - это небелковая простетическая группа (Fe + протопорфирин IX), а гемоглобин - белок из четырёх глобиновых цепей, каждая со своим гемом.
• Считать, что в геме железо трёхвалентное: функциональный гем содержит $\mathrm{Fe^{2+}}$; окисление до $\mathrm{Fe^{3+}}$ даёт метгемоглобин, не способный связывать $\mathrm{O_2}$.
• Называть субстратом цикла Кребса оксалоацетат вместо сукцинил-КоА: гем стартует именно из сукцинил-КоА и глицина.
• Забывать про два компартмента: первая и последние три реакции идут в митохондрии, четыре средние - в цитозоле; метаболиты курсируют через мембрану.
• Смешивать порфириноген и порфирин: промежуточные продукты - восстановленные бесцветные порфириногены; окрашенный ароматический порфирин появляется только на стадии протопорфирина IX.

FAQ

Почему именно изомер IX? Уропорфириноген III-синтаза переворачивает четвёртое пиррольное кольцо при замыкании цикла, давая асимметричный изомер типа III. После декарбоксилирований это закономерно приводит к протопорфирину IX - единственному биологически синтезируемому изомеру.

Зачем синтез разнесён между митохондрией и цитозолем? Старт привязан к митохондрии, где доступны сукцинил-КоА (из цикла Кребса) и железо для финальной вставки. Промежуточные водорастворимые стадии удобнее вести в цитозоле; такое разделение к тому же даёт дополнительные точки контроля транспортом метаболитов.

Чем гем a отличается от гема b? Гем b - это базовый протогем (Fe + протопорфирин IX без дополнительных модификаций). Гем a получается из него присоединением фарнезильной цепи и заменой метила на формильную группу; он работает в цитохром-c-оксидазе дыхательной цепи.

Коротко

Гем - комплекс $\mathrm{Fe^{2+}}$ с протопорфирином IX, тетрапиррольным ароматическим кольцом с метильными, винильными и пропионатными заместителями. Синтез идёт в восемь шагов: АЛК-синтаза конденсирует глицин и сукцинил-КоА в АЛК (лимитирующая стадия), затем через порфобилиноген, уропорфириноген III и копропорфириноген путь приходит к протопорфирину IX, в который феррохелатаза вставляет железо. Регуляция в печени - по обратной связи гемом, в эритроидной ткани - через железо-чувствительный IRE на мРНК ALAS2. Дефект любого фермента даёт свою порфирию: неврологическую (PBGD) или фотокожную (UROD, феррохелатаза).