Hem – jest grupą prostetyczną (niebiałkową częścią) wielu enzymów. Występuje m.in. w hemoglobinie, mioglobinie oraz w cytochromach.

Część organiczna hemu posiada strukturę analogiczną do porfiryny. Wiąże ona atom żelaza (Fe), przez cztery wiązania N-Fe. Formalnie dwa z nich to wiązania kowalencyjne, a dwa koordynacyjne, choć w rzeczywistości są one równocenne. W wyniku delokalizacji wiązań szkieletu porfirynowego cząsteczka hemu jest całkowicie płaska i silnie absorbuje światło widzialne. W organizmach żywych zidentyfikowano szereg hemów (m.in. hem A, B, C, D, L, M, O, S) różniących się podstawnikami pierścienia porfirynowego.

Funkcje biologiczne

Hem wiąże się z częścią białkową enzymów poprzez dwie grupy karboksylowe (-COOH). Atom żelaza w hemie jest zdolny do wiązania dwóch ligandów (np. z cząsteczką tlenu O2), poprzez wiązania koordynacyjne, które są skierowane prostopadle do płaszczyzny hemu. Gdy do atomu żelaza nie są przyłączone żadne dodatkowe cząsteczki, ma on stopień utlenienia +2 (Fe2+). Gdy są do niego przyłączone dodatkowe ligandy, może osiągać wyższe stopnie utlenienia (Fe3+).

Hem nadaje białku i krwi czerwony kolor. Zaburzenia w biosyntezie hemu u człowieka objawiają się nadmiernym wydalaniem porfiryn w moczu (porfirie).

Biosynteza hemu

TU WKLEJ OBRAZEK Z ZAŁACZNIKA HEMcostam

Schemat syntezy hemu: 1 – syntaza ALA, 2- dehydrataza ALA, 3 – syntaza uroporfirynogenowa (UPG I), 4 – kosyntaza uroporfirynogenowa III (UPG III), 5 – dekarboksylaza uroporfirynogenowa, 6 – oksydaza uroporfirynogenowa, 7 – oksydaza protoporfirynogenowa, 8 – ferrochelataza.

Katabolizm hemu

Część białkowa hemoglobiny rozpada się do wolnych aminokwasów. W komórkach układu siateczkowo-śródbłonkowego Fe2+ jest utleniane do Fe3+ i przechodzi do puli ogólnej żelaza w organizmie a z pozostałej części porfirynowej hemu odszczepiony zostaje mostek α-metinowy w postaci CO i powstaje biliwerdyna (zielony barwnik). Po redukcji biliwerdyna daje czerwono-pomarańczową bilirubinę. Ta przenika do krwi, gdzie zostaje sprzęgnięta z osoczową albuminą tworząc nierozpuszczalną w wodzie bilirubinę pośrednią (wolną). W wątrobie kompleks ten rozpada się i bilirubina sprzęgana jest głównie z glukuronianem (75%) tworząc diglukuronid bilirubiny, w mniejszej ilości z siarczanem (15%) lub adenozynometioniną (10%) a pozostała część z glicyną lub tauryną - wszystkie te pochodne noszą nazwę bilirubiny bezpośredniej (związanej) i w zdrowej wątrobie stanowią 100% bilirubiny. Bilirubina związana wydalana jest z żółcią do jelita, gdzie pod wpływem enzymów bakteryjnych glukuronian jest odszczepiany a bilirubina redukowana do bezbarwnego urobilinogenu. Część urobilinogenu jest zwrotnie wchłaniana w jelicie krętym i jelicie grubym, z krwią wędruje do nerek i wydalana jest z moczem, przekształcając się na powietrzu w żółtą urobilinę. Większość urobilinogenu jest jednak utleniana przez bakterie jelitowe do brązowej sterkobiliny i wydalana z kałem.

Hemoglobina

Hemoglobina, oznaczana też skrótami Hb lub HGB – czerwony barwnik krwi, białko zawarte w erytrocytach, którego zasadniczą funkcją jest przenoszenie tlenu – przyłączanie go w płucach i uwalnianie w tkankach. Mutacje genu hemoglobiny prowadzą do chorób dziedzicznych: anemii sierpowatej, talasemii lub rzadkich chorób zwanych hemoglobinopatiami.

Budowa hemoglobiny

Cząsteczka hemoglobiny jest tetramerem złożonym z dwóch par białkowych podjednostek. Podjednostki oznaczone są najczęściej literami greckiego alfabetu (np. α,β,γ,δ).

Nazwa hemoglobiny Pary podjednostek

HbA α2β2

HbF α2γ2

HbA2 α2δ2

HbS α2S2

Podjednostki nie są związane kowalencyjnie. Każda podjednostka zawiera jako grupę prostetyczną (niebiałkową) cząsteczkę hemu. Cząsteczka hemu zawiera położony centralnie atom żelaza (Fe2+) umożliwiający jej wiązanie cząsteczek tlenu (O2). Jedna cząsteczka hemoglobiny może przyłączyć od jednej do czterech cząsteczek tlenu, co powoduje że hemoglobina może występować albo w stanie "odtlenowanym" (deoxyHb) lub w różnym stopniu "utlenowania" (oxyHb). Hem nadaje białku (i krwi) czerwony kolor.

Konformacja łańcuchów α i β ludzkiej hemoglobiny wykazuje podobieństwa do cząsteczki mioglobiny.

Podział hemoglobin

Hemoglobiny "prawidłowe"

* HbA (HbA1) (2α2β) – prawidłowa hemoglobina dorosłych

* HbA2 (2α2δ) – prawidłowa hemoglobina dorosłych; stanowi około 1,5% – 3% hemoglobiny

* HbF (2α2γ) – hemoglobina płodowa; ma większe powinowactwo do tlenu niż HbA, dzięki czemu jest w stanie pobrać tlen z krwi matki przez łożysko i uwolnić go w tkankach płodu. W życiu pozamacicznym jest zastępowana, gdyż słabiej uwalnia tlen w tkankach przy wyższym ciśnieniu parcjalnym tlenu. U dorosłych do 2%

* hemoglobiny embrionalne – mają podobne właściwości jak HbF:

o Hemoglobina Gower 1 (ξ2ε2)

o Hemoglobina Gower 2 (α2ε2)

o Hemoglobina Portland (ξ2γ2)

* HbA1c – HbA z przyłączoną nieenzymatycznie, trwale cząsteczką glukozy do N-końcowych aminokwasów łańcuchów globiny. Duże stężenie świadczy o proporcjonalnie podwyższonej glikemii, co może pozwolić na określenie średniego poziomu glukozy w surowicy przez okres 2-3 miesięcy, a to ma znaczenie np. w ocenie skuteczności leczenia cukrzycy. Norma stanowi 4-6% ogólnej ilości hemoglobiny. Produkty przejściowe pomiędzy HbA1 a HbA1c stanowią formy HbA1a oraz HbA1b będące zasadami Schiffa, w których glukoza jest przyłączona odwracalnie. Ogólna liczba wszystkich form glikowanej hemoglobiny powinna mieścić się w zakresie 6-8% ogólnej ilości hemoglobiny.

Hemoglobiny nieprawidłowe

* HbS -mutacja punktowa – podmiana hydrofilowego kwasu glutaminowego w pozycji A2 (6β) na hydrofobową walinę co powoduje powstanie lepkich miejsc i tworzenia agregatów nieutlenowanej HbS, które zniekształcają erytrocyty prowadząc do niedokrwistości sierpowatokrwinkowej

* HbM – mutacja powodująca zamianę histydyny w pozycji F8 na tyrozynę, która stabilizuje żelazo w hemie w formie Fe3+ zamiast Fe2+. Hemoglobina z Fe3+ nazywa się methemogolobiną (metHb) i nie wiąże się z tlenem.

* Hemoglobina typu Chesapeake – zamiana argininy na leucynę w pozycji FG4 (92 w łańcuchu α)

* Hemoglobina typu Bristol – zmiana waliny na kwas asparaginowy w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji

* Hemoglobina typu Sydney – zmiana waliny na alaninę w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji

* Hemoglobina typu Hikari – zmiana lizyny na asparaginę w pozycji 61 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji

* Hemoglobina typu Milwaukee – zmiana waliny na kwas glutaminowy w pozycji 67 łańcucha β. Zmiana nie powoduje zaburzenia funkcji

* Hemoglobina typu Lepore – (2α2Lepore) – hemoglobina w jednym z typów β-talasemii, wynik delecji genów kodujących łańcuchy β i δ. Ich resztki tworzą gen kodujący łańcuch Lepore.

Bibliografia:

* Lubert Stryer, Biochemia, PWN, Warszawa 2003, str. 154, (Wyd. 2 popr.) ISBN 83-01-13978-1

* Franciszek Kokot, Stefan Kokot: Badania laboratoryjne : zakres norm i interpretacja. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2005. ISBN 83-200-3172-9.