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
  • Triptofano pirolase
  • Sintase de óxido nítrico (ON)
• Os 4 principais tipos de grupo heme são:
  • Heme A: parte do complexo IV do sistema de transporte de eletrões
  • Heme B:
    • O tipo mais frequente de hemoglobina
    • Presente na hemoglobina, mioglobina, peroxidase e ciclooxigenase
  • Heme C: presente nas proteínas do citocromo c e nas ligações via cisteína
  • Heme O: 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.
• A presença de mutações no ALAS2 (gene para a sintase do ácido aminolevulínico eritroide) causa anemia 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).

• Duas moléculas de ácido aminolevulínico deslocam-se para o citosol e condensam-se para formar o PBG (um pirrol), ocorrendo a remoção de duas moléculas de água durante a etapa:
  • Enzima: desidratase do ácido aminolevulínico ou a sintase do PBG
  • Local: citosol
  • A desidratase do ácido aminolevulínico é sensível ao Mg²⁺ e ao pH 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).

• 4 moléculas de PBG condensam-se para formar HMB, um tetrapirrol linear.
  • Enzima: desaminase do PBG/sintase do HMB
  • 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 (composto linear) é convertido em UPG III:
  • Enzima: sintase do UPG III
  • Local: citosol
  • A ciclização do HMB linear resulta no UPG III, que corresponde ao 1.º intermediário cíclico da via.
  • O HMB 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 do CPG (CPOX, pela sigla em inglês)
  • Local: mitocôndrias
• A presença de quantidades reduzidas da oxidase 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 ALAS (para a sintase do ácido aminolevulínico):
  • O gene ALAS2 regula a sintase do ácido aminolevulínico no eritrócito.
  • O gene ALAS1 desempenha um papel no fornecimento do grupo heme a células não eritroides.
• Outros fatores:
  • Disponibilidade de ferro (↓ ferro, ↓ tradução do gene 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 ALAS → ↓ 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, 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, pela sigla em inglês) e proteínas de ligação ao IRE (IRBPs, pela sigla em inglês) ou proteínas reguladoras do ferro (IRPs, pela sigla em inglês):
  • Envolvida na regulação pós-transcricional de genes relacionados com o ferro
  • Controla a absorção, o armazenamento e a libertação do ferro a nível celular
  • IRE: parte da região não traduzida (UTR, pela sigla em inglês) do mRNA dos genes 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, 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 (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.
    • 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 frequentemente associada a mutações no gene 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 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.