Metabolismo do Grupo Heme

Estrutura e Função do Grupo Heme

Estrutura

• O grupo heme apresenta uma estrutura plana que contem um anel de porfirina com um átomo de ferro no centro (ferroprotoporfirina).
• O heme está presente em:
  • Hemoglobina
  • Mioglobina
  • Citocromos
  • Peroxidase
  • Catalase Catalase An oxidoreductase that catalyzes the conversion of hydrogen peroxide to water and oxygen. It is present in many animal cells. A deficiency of this enzyme results in acatalasia. Nocardia/Nocardiosis
  • Triptofano pirolase
  • Sintase de óxido nítrico (ON)
• Os 4 principais tipos de grupo heme são:
  • Heme A Heme A Part of complex IV of electron transport system. Heme Metabolism: parte do complexo IV do sistema de transporte de eletrões
  • Heme B Heme B Most common type of hemoglobin. Present in hemoglobin, myoglobin, peroxidase and cyclooxygenase. Heme Metabolism:
    • O tipo mais MAIS Androgen Insensitivity Syndrome frequente de hemoglobina
    • Presente na hemoglobina, mioglobina, peroxidase e ciclooxigenase
  • Heme C Heme C Present in cytochrome c proteins and links via cysteines. Heme Metabolism: presente nas proteínas do citocromo c e nas ligações via cisteína
  • Heme O Heme O Functions in bacterial oxidases. Heme Metabolism: desempenha funções nas oxidases bacterianas

Função

• Transporte de O₂ dos pulmões para os tecidos
• Ao nível dos citocromos, promove a oxidação e a redução do ferro, que é essencial na cadeia de transporte dos eletrões

Biossíntese do Grupo Heme

O grupo heme é sintetizado nos normoblastos, mas não nos eritrócitos maduros. A sua biossíntese ocorre em 8 etapas.

1.ª Etapa

A 1.ª etapa consiste na síntese do ácido aminolevulínico.

• A succinil coenzima A (CoA) e a glicina condensam (na presença de piridoxal fosfato) formando o ácido delta-aminolevulínico:
  • Enzima: ácido aminolevulínico sintase (etapa limitante da velocidade da via)
  • Local: mitocôndrias
  • Processo controlado pela presença de proteínas de ligação ao Fe²⁺
• Devido ao envolvimento do piridoxal fosfato (uma forma ativa da vitamina B₆) na síntese do ácido delta-aminolevulínico, caso ocorra deficiência da piridoxina, pode observar-se anemia Anemia Anemia is a condition in which individuals have low Hb levels, which can arise from various causes. Anemia is accompanied by a reduced number of RBCs and may manifest with fatigue, shortness of breath, pallor, and weakness. Subtypes are classified by the size of RBCs, chronicity, and etiology. Anemia: Overview and Types.
• A presença de mutações no ALAS2 ( gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics para a sintase do ácido aminolevulínico eritroide) causa anemia Anemia Anemia is a condition in which individuals have low Hb levels, which can arise from various causes. Anemia is accompanied by a reduced number of RBCs and may manifest with fatigue, shortness of breath, pallor, and weakness. Subtypes are classified by the size of RBCs, chronicity, and etiology. Anemia: Overview and Types sideroblástica ligada ao cromossoma X (o ferro acumula-se devido à diminuição da produção do grupo heme).

2.ª Etapa

A 2.ª etapa consiste na formação de porfobilinogénio ( PBG PBG Heme Metabolism).

• Duas moléculas de ácido aminolevulínico deslocam-se para o citosol e condensam-se para formar o PBG PBG Heme Metabolism (um pirrol), ocorrendo a remoção de duas moléculas de água durante a etapa:
  • Enzima: desidratase do ácido aminolevulínico ou a sintase do PBG PBG Heme Metabolism
  • Local: citosol
  • A desidratase do ácido aminolevulínico é sensível ao Mg²⁺ e ao pH pH The quantitative measurement of the acidity or basicity of a solution. Acid-Base Balance e é facilmente inativada por metais pesados.
• O envenenamento por chumbo pode prejudicar esta etapa. (A desidratase do ácido aminolevulínico é inibida pelo chumbo.)
• A doença genética rara caracterizada pelo défice da enzima, leva à porfiria da desidratase do ácido aminolevulínico.

3.ª Etapa

A 3.ª etapa consiste na formação de hidroximetilbilano ( HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding).

• 4 moléculas de PBG PBG Heme Metabolism condensam-se para formar HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding, um tetrapirrol linear.
  • Enzima: desaminase do PBG PBG Heme Metabolism/sintase do HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding
  • Local: citosol
  • As moléculas ligam-se através dos seus anéis de amina.

• A redução da atividade da enzima resulta em porfiria intermitente (patologia na qual ocorre acumulação dos precursores da porfirina).

4.ª Etapa

A 4.ª etapa consiste na formação de uroporfirinogénio (UPG).

• O HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding (composto linear) é convertido em UPG III:
  • Enzima: sintase do UPG III
  • Local: citosol
  • A ciclização do HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding linear resulta no UPG III, que corresponde ao 1.º intermediário cíclico da via.
  • O HMB HMB Excessive menstrual blood loss (objectively defined as > 80 mL blood loss/cycle). Can be based on heavy flow, as determined by the patient Abnormal Uterine Bleeding também pode ciclonizar espontaneamente em UPG I (não fisiológico), sendo necessário que a sintase do UPG III o transforme em UPG III.
• A deficiência enzimática ocorre na doença autossómica recessiva designada por porfiria eritropoiética congénita.

5.ª Etapa

A 5.ª etapa consiste na síntese de coproporfirinogénio (CPG) III.

• Envolve a descarboxilação da UPG III a CPG III com a eliminação de 4 moléculas de CO ₂:
  • Os grupos acetato são descarboxilados em grupos metil.
  • Enzima: descarboxilase do uroporfirinogénio (UROD, pela sigla em inglês)
  • Local: citosol
• A presença de mutações na UROD causa porfiria cutânea tardia e porfiria hepatoeritropoiética.

6.ª Etapa

A 6.ª etapa corresponde à síntese de protoporfirinogénio (PPG).

• Oxidação do CPG III a PPG IX:
  • Para que esta reação ocorra é necessário a presença de oxigénio molecular.
  • Ocorre a descarboxilação de 2 cadeias laterais propiónicas em grupos vinil.
  • Enzima: oxidase Oxidase Neisseria do CPG (CPOX, pela sigla em inglês)
  • Local: mitocôndrias
• A presença de quantidades reduzidas da oxidase Oxidase Neisseria do CPG III leva à coproporfiria hereditária.

7.ª Etapa

A 7.ª etapa consiste na formação de protoporfirina (PP).

• O PPG IX é convertido em PP IX através de processos de oxidação:
  • As pontes de metileno são oxidadas em pontes de metenil.
  • Enzima: Oxidade PPG (PPOX, pela sigla em inglês)
  • Local: mitocôndrias
• A porfiria variegata é causada pela presença de mutações na PPOX.

8.ª Etapa

A 8.ª etapa consiste na formação do grupo heme.

• Fixação do ferro ao PP:
  • O ferro é inserido na região central do anel de porfirina.
  • Enzima: ferroquelatase (FECH, pela sigla em inglês)/heme sintase
  • A enzima também facilita a quebra da ligação do PP com o Zn, formando Zn PP.
  • Local: mitocôndrias
• A presença de mutações que afetam a FECH podem levar à protoporfiria eritropoiética (EPP, pela sigla em inglês).
• O chumbo também inibe a FECH.

Resumo da síntese do grupo heme

Regulação da Síntese do Grupo Heme

• A síntese do grupo heme ocorre principalmente na medula óssea (> 80%) e no fígado.
• A taxa de síntese depende da expressão do gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics ALAS ALAS An enzyme of the transferase class that catalyzes condensation of the succinyl group from succinyl coenzyme a with glycine to form delta-aminolevulinate. It is a pyridoxal phosphate protein and the reaction occurs in mitochondria as the first step of the heme biosynthetic pathway. The enzyme is a key regulatory enzyme in heme biosynthesis. In liver feedback is inhibited by heme. Heme Metabolism (para a sintase do ácido aminolevulínico):
  • O gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics ALAS2 regula a sintase do ácido aminolevulínico no eritrócito.
  • O gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics ALAS1 desempenha um papel no fornecimento do grupo heme a Heme A Part of complex IV of electron transport system. Heme Metabolism células não eritroides.
• Outros fatores:
  • Disponibilidade de ferro (↓ ferro, ↓ tradução do gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics ALAS2)
  • A síntese do grupo heme deve ser coordenada com a síntese de globina para produzir hemoglobina.
• ↓ Síntese do grupo heme:
  • O excesso de heme exerce um feedback negativo na expressão do gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics ALAS ALAS An enzyme of the transferase class that catalyzes condensation of the succinyl group from succinyl coenzyme a with glycine to form delta-aminolevulinate. It is a pyridoxal phosphate protein and the reaction occurs in mitochondria as the first step of the heme biosynthetic pathway. The enzyme is a key regulatory enzyme in heme biosynthesis. In liver feedback is inhibited by heme. Heme Metabolism → ↓ produção da sintase do ALA
  • Hemina:
    • Produzido quando o ferro ferroso é oxidado a ferro férrico na presença de heme livre em excesso
    • ↓ produção da sintase do ácido aminolevulínico e transporte mitocondrial
  • ↑ Concentração celular de glicose:
    • Previne a indução da sintase do ácido aminolevulínico
    • Justifica a administração de glicose num ataque agudo de porfiria
• ↑ Síntese do grupo heme:
  • Heme intracelular baixo (como, por exemplo, quando a heme oxigenase hepática degrada o heme) → estimula a produção da sintase do ácido aminolevulínico
  • A hipoxemia induz a libertação de eritropoietina a nível renal, com consequente aumento da produção de eritrócitos e hemoglobina.
• Fármacos e outros agentes:
  • O chumbo inibe as etapas catalisadas pela ferroquelatase e pela desidratase do ácido aminolevulínico.
  • A isoniazida diminui a disponibilidade da piridoxal fosfato.
  • Os fármacos que são metabolizados via citocromo P450 (que contém o grupo heme), como os barbitúricos, induzem a síntese de heme.

Catabolismo do Grupo Heme

O grupo heme decompõem-se, com consequente formação de produtos finais como os pigmentos biliares, como a bilirrubina excretada pela bílis. As etapas de catabolismo do grupo heme são as seguintes:

• A degradação inicia-se nos macrófagos do baço, que removem da circulação os eritrócitos senescentes e danificados.
• Os eritrócitos são removidos pelas células do sistema reticuloendotelial, sendo que aquando da sua lise ocorre a libertação de hemoglobina.
  • O grupo heme é oxidado a biliverdina pela heme oxigenase.
  • A biliverdina é então reduzida a bilirrubina pela biliverdina redutase.
• A bilirrubina é transportada para o fígado e é conjugada com o ácido glucurónico.
• A bilirrubina conjugada é transportada para o intestino delgado através do ducto biliar e depois para o intestino grosso.
• A bilirrubina é convertida em urobilinogénio através da redução feita pelas bactérias:
  • Uma pequena fração é reabsorvida e sofre excreção renal. (A urobilina é responsável pela coloração amarelada da urina.)
  • No intestino grosso, o urobilinogénio é convertido em estercobilinogénio, que é posteriormente oxidado em estercobilina. (A estercobilina é responsável pela coloração acastanhadas das fezes.)
• A circulação entero-hepática consiste na reabsorção do urobilinogénio no intestino, com consequente regresso ao fígado através do sistema porta.

Metabolismo do Ferro

Absorção e transporte de ferro

Absorção de ferro:

• Fontes de ferro:
  • Comida/dieta
  • Decomposição de produtos que contém ferro (por exemplo, hemoglobina)
  • Libertação das reservas reticuloendoteliais
• O ferro dietético é absorvido pelos enterócitos no duodeno e jejuno proximal.
  • O ferro no estado férrico (Fe³⁺) é reduzido ao estado ferroso (Fe²⁺) pela ferrirredutase presente na superfície dos enterócitos.
  • O ácido ascórbico favorece a redução do ferro férrico ao estado ferroso.
  • O transportador de metal divalente ( DMT1 DMT1 Transports Fe²⁺ (not Fe³⁺) from the apical surface of enterocytes to the interior of the cell. Heme Metabolism, pela sigla em inglês) transporta o Fe²⁺ (não Fe³⁺) da superfície apical dos enterócitos para o interior da célula.
  • Os outros transportadores incluem endossomas e transportadores do grupo heme.
  • Para que o ferro atinja a circulação, a ferroportina ajuda a exportar o ferro da célula intestinal.

Transporte do ferro:

• Para que a ferroportina transporte o ferro para fora da célula, é necessário este estar sob a forma Fe³⁺ para se ligar à transferrina (em circulação).
• O Fe²⁺ é oxidado a Fe³⁺ com a ajuda de hefaestina (proteína membranar que contém cobre e que apresenta atividade de ferroxidase).
• O Fe³⁺ entra em circulação ligado à transferrina (proteína sintetizada a nível hepático e com função de transporte do ferro).
• Desta forma, o ferro é transportado para os tecidos.
• A transferrina liga-se aos recetores da transferrina, expressos em quantidades significativas nas células com maior necessidade de ferro (por exemplo, na medula eritroide).

Armazenamento do ferro

• A transferrina transporta o ferro para:
  • Hematopoiese na medula óssea
  • Armazenamento de ferro no fígado (local de armazenamento primário) e outros órgãos
  • Processos celulares que requerem ferro
• Formas de armazenamento do ferro:
  • Ferritina:
    • Principal proteína de armazenamento do ferro
    • 4500 átomos de ferro (quando totalmente preenchida)
• Hemossiderina: ↑ ferro → a ferritina forma grânulos de hemossiderina (pigmento de hemossiderina = agregados de micelas de ferritina)

Regulação do Ferro

• Regulação a nível molecular através do elemento de resposta ao ferro ( IRE IRE Heme Metabolism, pela sigla em inglês) e proteínas de ligação ao IRE IRE Heme Metabolism (IRBPs, pela sigla em inglês) ou proteínas reguladoras do ferro (IRPs, pela sigla em inglês):
  • Envolvida na regulação pós-transcricional de genes Genes A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. DNA Types and Structure relacionados com o ferro
  • Controla a absorção, o armazenamento e a libertação do ferro a nível celular
  • IRE IRE Heme Metabolism: parte da região não traduzida (UTR, pela sigla em inglês) do mRNA mRNA RNA sequences that serve as templates for protein synthesis. Bacterial mRNAs are generally primary transcripts in that they do not require post-transcriptional processing. Eukaryotic mRNA is synthesized in the nucleus and must be exported to the cytoplasm for translation. Most eukaryotic mRNAs have a sequence of polyadenylic acid at the 3′ end, referred to as the poly(a) tail. The function of this tail is not known for certain, but it may play a role in the export of mature mRNA from the nucleus as well as in helping stabilize some mRNA molecules by retarding their degradation in the cytoplasm. RNA Types and Structure dos genes Genes A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. DNA Types and Structure alvo (por exemplo, ferritina, recetor de transferrina e outras proteínas metabolizadoras de ferro)
    • A ferritina e a ferroportina têm os IREs no 5′ UTR.
    • O recetor de transferrina (TfR, pela sigla em inglês) tem os IREs na 3′ UTR (onde a ligação das IRBP protege da degradação por parte da nuclease).
  • IRBPs: potenciador ou inibidor da tradução, que se liga ao ferro ou ao IRE IRE Heme Metabolism, dependendo da regulação que é necessária
• Na deficiência de ferro (níveis baixos de ferro):
  • Ferritina:
    • Não é necessário ferritina ou ferro para armazenamento, dado que existem baixos níveis de ferro para a utilização pelas células.
    • Os IRBPs ligam-se aos IREs de ferritina na UTR 5′ e bloqueiam o início da tradução.
    • Menor quantidade de ferritina a libertar ferro para as células.
  • TfR:
    • Como é necessária a transferrina, os IRBPs ligam-se aos IREs do TfR e produzem um efeito diferente.
    • A ligação do IRBP a IREs na UTR 3′ estabiliza o mRNA mRNA RNA sequences that serve as templates for protein synthesis. Bacterial mRNAs are generally primary transcripts in that they do not require post-transcriptional processing. Eukaryotic mRNA is synthesized in the nucleus and must be exported to the cytoplasm for translation. Most eukaryotic mRNAs have a sequence of polyadenylic acid at the 3′ end, referred to as the poly(a) tail. The function of this tail is not known for certain, but it may play a role in the export of mature mRNA from the nucleus as well as in helping stabilize some mRNA molecules by retarding their degradation in the cytoplasm. RNA Types and Structure (protegendo-o das endonucleases).
    • Esta ligação permite uma maior tradução de TfR, aumentando a absorção do ferro.
• Excesso de ferro (níveis elevados de ferro):
  • Ferritina:
    • É necessária ferritina para ligar o excesso de ferro.
    • O ferro liga-se aos IRBPs (impedindo que a ligação dos IREs), o que permite a tradução da ferritina.
  • TfR:
    • O ferro em excesso liga-se aos IRBPs.
    • A dissociação dos IRBPs dos IREs na 3′ UTR expõe os transcritos a endonucleases, aumentando a degradação do mRNA mRNA RNA sequences that serve as templates for protein synthesis. Bacterial mRNAs are generally primary transcripts in that they do not require post-transcriptional processing. Eukaryotic mRNA is synthesized in the nucleus and must be exported to the cytoplasm for translation. Most eukaryotic mRNAs have a sequence of polyadenylic acid at the 3′ end, referred to as the poly(a) tail. The function of this tail is not known for certain, but it may play a role in the export of mature mRNA from the nucleus as well as in helping stabilize some mRNA molecules by retarding their degradation in the cytoplasm. RNA Types and Structure.
    • Assim, ocorre a inibição da absorção do ferro.

Regulação da disponibilidade do ferro

Em certas condições é necessário ocorrer uma diminuição ou aumento na absorção de ferro e nos níveis de ferro circulante. Esta via é regulada pela hepcidina:

• Peptídeo derivado do fígado que regula a concentração plasmática do ferro
• Ações (através da ligação da ferroportina):
  • Inibe a absorção intestinal de ferro
  • Inibe a libertação de ferro dos macrófagos com eritrócitos senescentes
• Deteção de ferro mediada por diferentes proteínas:
  • Proteína HFE (ferro hereditário)
  • TfR2
  • Hemojuvelina
• Afetada por:
  • ↑ Ferro: ↑ hepcidina para diminuir os níveis de ferro
  • ↑ Inflamação: ↑ hepcidina para limitar a disponibilidade do ferro para os microorganismos
  • ↑ Eritropoietina: ↓ hepcidina para aumentar o ferro necessário para a hematopoiese

Relevância Clínica

• Hemocromatose hereditária: patologia autossómica recessiva mais MAIS Androgen Insensitivity Syndrome frequentemente associada a mutações no gene Gene A category of nucleic acid sequences that function as units of heredity and which code for the basic instructions for the development, reproduction, and maintenance of organisms. Basic Terms of Genetics HFE . Ocorre um aumento da absorção intestinal do ferro, com a sua deposição em vários órgãos, como no fígado, coração, pele e pâncreas. A apresentação clínica inclui a tríade de cirrose, diabetes Diabetes Diabetes mellitus (DM) is a metabolic disease characterized by hyperglycemia and dysfunction of the regulation of glucose metabolism by insulin. Type 1 DM is diagnosed mostly in children and young adults as the result of autoimmune destruction of β cells in the pancreas and the resulting lack of insulin. Type 2 DM has a significant association with obesity and is characterized by insulin resistance. Diabetes Mellitus e pele bronzeada. O diagnóstico é feito através do estudo da cinética do ferro, que mostra uma elevação da transferrina e da ferritina. É recomendado o rastreio genético para os membros da família. O tratamento consiste na flebotomia (ou, em alguns casos, no tratamento com quelantes do ferro) para prevenir a progressão da doença. A presença de fibrose hepática é um fator de mau prognóstico.
• Porfirias: grupo de patologias metabólicas causadas por uma perturbação na síntese do grupo heme. Normalmente, a porfiria é causada por um defeito enzimático hereditário. Dependendo da enzima envolvida, os padrões da doença diferem, sendo que as variantes podem ser clinicamente diferenciadas entre formas agudas e não agudas. Os doentes com porfiria apresentam erupções cutâneas fotossensíveis e, por vezes, sintomas sistémicos, como dor abdominal e neuropatia. O tratamento das porfiria consiste na evicção de fatores desencadeantes, como a exposição solar e o consumo de álcool. Quando ocorrem crises, o tratamento é dirigido para o alívio dos sintomas.
• Icterícia: coloração amarelada anormal da pele e/ou escleras causada pela acumulação de bilirrubina. A hiperbilirrubinemia é causada por um aumento na produção de bilirrubina ou uma diminuição na captação hepática, conjugação ou excreção de mesma. Normalmente, as etiologias envolvem o fígado e podem ser pré-hepáticas, intra-hepáticas ou pós-hepáticas. Outros sintomas que ocorrem na hiperbilirrubinemia são, o prurido, a coloração clara das fezes e escura da urina. O diagnóstico é feito com base nos estudos da função hepática e em exames de imagem. A abordagem é focada no tratamento da patologia subjacente.