Hem (chémia)

Hem alebo hém (zo ) je koordinačný komplex, ktorý sa skladá zo železa koordinovaného porfyrínom, ktorý funguje ako tetradentátny ligand, a jedným alebo dvoma axiálnymi ligandmi. Táto definícia je všeobecná a mnohé zobrazenia vynechávajú axiálne ligandy. Hem je často viazaný v enzýmoch pomocou kovalentnej väzby, teda ako prostetická skupina. Spomedzi metaloporfyrínov, ktoré sú využívané metaloproteínmi ako prostetické skupiny, je hem najbežnejšie využívaný a definuje skupinu takzvaných hemoproteínov, ktoré viažu hem. Hemy sú bežne známe ako zložka hemoglobínu, červeného farbiva v krvi, ale sú prítomné i v mnohých iných biologicky významných hemoproteínoch, ako sú myoglobín, cytochrómy, kataláza, hemová peroxidáza a endoteliálne syntázy oxidu dusnatého. V hemoglobíne je hem nutný na viazanie kyslíka v krvi. Hem sa syntetizuje v kostnej dreni a v pečeni.

Funkcia 

Hemoproteíny majú rôznorodé biologické funkcie, medzi ktoré patrí transport dvojatómových plynov, chemická katalýza, detekcia dvojatómových plynov a prenos elektrónov. Atóm železa v heme funguje ako zdroj a cieľ pre elektróny pri prenose elektrónov alebo redoxných reakciách. V peroxidázových reakciách je molekula porfyrínu zdrojom elektrónov a je schopná delokalizovať radikálové elektróny v konjugovanom kruhu. Pri transporte a detekcii dvojatómových plynoch sa molekuly plynu viažu na hemové železo. Počas detekcie dvojatómových plynov sa plyn viaže ako ligand, čo spôsobuje konformačnú zmenu v bielkovine v okolí hemu. Všeobecne sa plyny viažu len na redukovaný hem, teda hem obsahujúci FeII, zatiaľ čo u väčšiny peroxidáz dochádza k premene medzi oxidačnými stavmi FeIII a FeIV a u hemoproteínov, ktoré sa účastnia mitochondriálnych redoxných procesov, dochádza k premene medzi oxidačnými stavmi FeII a FeIII.

Objavili sa špekulácie, že pôvodná evolučná funkcia hemoproteínov bola prenos elektrónov v primitívnych fotosyntetických dráhach založených na síre u organizmov podobných siniciam predtým, než sa objavil molekulárny kyslík.

Hemoproteíny dosahujú svoju pozoruhodnú funkčnú diverzitu pomocou úpravy okolia hemového makrocyklu v proteínovej matrici. Schopnosť hemoglobínu efektívne prenášať kyslík k rôznym tkanivám je napríklad daná špecifickými aminokyselinovými reziduami, ktoré sa nachádzajú poblíž molekuly hemu. Hemoglobín reverzibilne viaže kyslík v pľúcach pri vysokom pH a nízkej koncentrácii oxidu uhličitého. Keď je situácia opačná (nízke pH a vysoká koncentrácia CO2), hemoglobín uvoľňuje kyslík v tkanivách. Tento fenomén, ktorý tvrdí, že väzbová afinita hemoglobínu ku kyslíku je nepriamo úmerná kyslosti a koncentrácii oxidu uhličitého, sa nazýva Bohrov efekt. Molekulárny mechanizmus, ktorý stojí za týmto efektom, je stérická organizácia globínového reťazca – histidínové reziduum, ktoré sa nachádza poblíž hemovej podjednotky, sa v kyslých podmienkach (ktoré vznikajú rozpusteným oxidom hličitým napríklad v svaloch) stáva kladne nabitým, čo vedie k uvoľneniu kyslíka z molekuly hemu.

Druhy

Hlavné hemy 

Existuje niekoľko biologicky dôležitých druhov hemu:

Najbežnejším hemom je hem B, medzi ostatné hlavné druhy hemu patria hem A a hem C. Izolované hemy sú bežne označované veľkými písmenami, zatiaľ čo hemy viazané na bielkoviny sú označované malými písmenami. „Cytochróm a“ teda označuje hem A viazaný v špecifickej kombinácii s membránovým proteínom (cytochrómom), ktorý tvorí časť cytochróm c oxidázy.

Ostatné hemy 
 Táto sekcia obsahuje číslovanie uhlíkov v porfyríne, ktoré odpovedá staršiemu číslovaniu používanému biochemikmi a nie číslovaniu 1-24, ktoré odporúča IUPAC a je zobrazené v tabuľke vyššie.
 Hem l  je derivát hemu B, ktorý je kovalentne viazaný na bielkovinu v laktoperoxidáze, eozinofilperoxidáze a tyroperoxidáze. Hem I je kovalentne viazaný na Glu a Asp laktoperoxidázy pomocou esterových väzieb s 1- a 5-metylovými skupinami hemu. Predpokladá sa, že podobné väzby existujú i u eozinofilperoxidázy a tyroperoxidázy. Hem I je charakteristickou súčasťou zvieracích peroxidáz – rastlinné preoxidázy využívajú hem B. Laktoperoxidáza a eozinofilperoxidáza sú obranné enzýmy zodpovedné za zničenie infikujúcich baktérií a vírusov. Tyroperoxidáza je enzým, ktorý katalyzuje biosyntézu dôležitých tyroidných hormónov. Keďže laktoperoxidáza ničí infikujúce organizmy v pľúcach a výkaloch, je to dôležitý obranný enzým.
 Hem m je derivát hemu B, ktorý je kovalentne viazaný v aktívnom mieste myeloperoxidázy. Hem M takisto obsahuje dve esterové väzby na 1- a 5-metylových skupinách hemu, ktoré sú prítomné i v cicavčích perodixázach obsahujúcich hem I. Okrem toho má nezvyčajnú väzbu medzi sírou metionínu a 2-vinylovou skupinou hemu, čo tomuto enzýmu umožňuje ľahko oxidovať chloridy na chlórnany a bromidy na brómnany. Myeloperoxidáza sa nachádza v cicavčích neutrofiloch a je zodpovedná za ničenie infikujúcich baktérií a vírusov. Je možné, že brómnany syntetizuje "omylom" (promiskuitná aktivita). Chlórnany i brómnany sú veľmi reaktívne zlúčeniny, ktoré sú zodpovedné za tvorbu halogénovaných nukleozidov, ktoré majú mutagénne vlastnosti.
 Hem D je ďalší derivát hemu B, v ktorom je propiónová skupina na uhlíku C6 hydroxylovaná a tvorí γ-spirolaktón. Kruh III je takisto hydroxylovaný na pozícii 5 v konformácii trans voči laktónovej skupine. Hem D je miestom redukcie kyslíka na vodu v mnohých typoch baktérií pri nízkom obsahu kyslíka.
 Hem S je príbuzný hemu B a takisto má formylovú skupinu na pozícii 2 namiesto vinylovej skupiny. Hem S sa nachádza v hemoglobíne niektorých morských červov. Správna štruktúra hemu B a hemu S bola prvýkrát popísaná nemeckým chemikom Hansom Fischerom.

Názvy cytochrómov typicky (ale nie vždy) naznačujú, ktorý druh hemu je prítomný v ich štruktúre: cytochróm a obsahuje hem A, cytochróm c obsahuje hem C a podobne. Tento zvyk bol prvýkrát použitý pri zverejnení štruktúry hemu A.

Použitie veľkých písmen na označenie druhu hemu 
Používanie veľkých písmen pri popisovaní hemov bolo zavedené v poznámke v článku od Puustinena a Wikstroma, ktorá popisuje, v ktorých prípadoch by sa mali používať veľké písmená: „uprednostňujeme veľké písmena pri popise štruktúry hemu v izolovanej podobe. Malé písmená je potom možné používať pre cytochrómy a enzýmy, ako i na popis individuálnych skupín hemov viazaných na proteíny (napríklad cytochróm bc, aa3 komplex, cytochróm b5, hem c1 v bc1 komplexe, hem a3 v aa3 komplexe, atď.)“ Inak povedané, chemické zlúčeniny by mali byť označované veľkými písmenami, ale konkrétne prípady štruktúr by mali byť označované malými písmenami. Cytochrómoxidáza, ktorá vo svojej štruktúre obsahuje dva hemy A (heme a a hem a3), obsahuje dva moly hemu A na jeden mol proteínu. Cytochróm bc1, ktorý obsahuje hemy bH, bL a c1, obsahuje hem B a hem C v pomere 2:1. Tento spôsob označovania evidentne začal v článku od Caugheyho a Yorka, v ktorom označili produkt izolácie hemu z cytochrómu aa3 ako hem A, čím ho odlíšili od ostatných pripravených produktov: „Náš produkt nie je po všetkých stránkach identický s hemom a získaným v roztoku v iných prácach redukciou hemínu a. Z tohto dôvodu ho budeme označovať ako hem A, kým sa zjavné rozdiely nevysvetlia.“ V neskoršom článku od Caugheyho skupiny sa využívajú veľké písmena na označenie izolovaných hemov B, C i A.

Syntéza 

Enzýmový proces, ktorým vzniká hem, sa nazýva syntéza porfyrínu, keďže všetky intermediáty sú tetrapyroly, ktoré sú chemicky zaradené medzi porfyríny. Tento proces je zachovaný v rôznych organizmoch. U ľudí existuje prakticky výlučne na syntézu hemu. U baktérií sa ním syntetizujú i iné zložité látky, ako sú kofaktor F430 a kobalamín (vitamín B12).

Dráha začína syntézou kyseliny δ-aminolevulovej (dALA alebo δALA) z aminokyseliny glycínu a zo sukcinyl-CoA, ktorý pochádza z Krebsovho cyklu. Enzým katalyzujúci rýchlosť určujúci krok, ALA syntáza (ALAs), je negatívne regulovaný koncentráciou glukózy a hemu. Mechanizmus inhibície ALAs hemom alebo hemínom spočíva v znížení stability syntézey mRNA a znížením prechodu mRNA do mitochondrie. Tento mechanizmus má i terapeutický význam: infúzia hemarginátu alebo hematínu a glukózy môže zastaviť prípady akútnej intermitentnej porfýrie u pacientov s vrodenými poruchami metabolizmu tohto procesu vďaka redukcii transkripcie ALA syntázy.

Orgány, ktoré sa podieľajú na syntéze hemu, sú pečeň (v ktorej je rýchlosť syntézy hemu veľmi premenlivá, podľa dostupnosti hemu v organizme) a kostná dreň (v ktorej je syntéza hemu relatívne konštantná a závisí na produkcii globínových reťazcov), aj keď každá bunka vyžaduje hem na správne fungovanie. Kvôli toxickým vlastnostiam hemu sú však vyžadované bielkoviny ako hemopexín (Hx) na udržiavanie fyziologických zásob železa, ktoré sa používajú pri syntéze hemu. Hem vystupuje ako intermediát v katabolizme hemoglobínu v bilirubínovom metabolizme. Nedostatky rôznych enzýmov v syntéze hemu môžu viesť k rôznym poruchám, ktoré sa označujú ako porfýrie. Medzi ne patrí akútna intermitentná porfýria, kongenitálna erytropoetická porfýria, neskorá kožná porfýria, dedičná koproporfýria, variegátna porfýria a erytropoetická protoporfýria.

Syntéza v potravinách 
Impossible Foods, spoločnosť vyrábajúca náhrady mäsa založené na rastlinách, využíva urýchlenú syntézu hemu, ktorá využíva kvasinky a leghemoglobín z koreňov sóje fazuľovej, a vznikajúci hem pridáva do bezmäsitých (vegánskych) Impossible burgerových fašírok. DNA pre produkciu leghemoglobínu bola extrahovaná z koreňových hľúz sóje a exprimovaná v bunkách kvasiniek, ktoré nadprodukujú hem pre použitie v bezmäsitých burgeroch. Tento proces vraj pomáha vytvoriť chuť mäsa vo výsledných produktoch.

Rozklad 

Rozklad začína v makrofágoch v slezine, ktoré odstraňujú staré a poškodene červené krvinky z krvného obehu. V prvom kroku sa hem premieňa na biliverdín pomocou hemoxygenázy (HO). Ako redukčné činidlo je použitý NADPH a do reakcie vstupuje molekulárny kyslík, produktmi sú potom oxid uhoľnatý a uvoľnené železo v podobe katiónu Fe2+. Oxid uhoľnatý, CO, potom funguje ako bunkový posol a pomáha vazodilatácii (rozťahovaniu ciev).

Okrem toho vyzerá, že rozklad hemu je evolučne zachovaná odpoveď na oxidatívny stres. V skratke, keď sú bunky vystavené voľným radikálom, vzniká rýchly nábeh na expresiu izoenzýmu hemoxygenázy-1 (HMOX-1) ktorá katabolizuje hem ako odpovede na stres. Dôvod, prečo bunky musia exponenciálne zvýšiť svoju kapacitu rozkladať hem ako reakciu na oxidatívny stres, stále nie je úplne objasnený, ale vyzerá to tak, že je to súčasť cytoprotektívnej odpovede, ktorá bráni pred potenciálne škodlivými účinkami voľného hemu. Keď sa nazbiera veľké množstvo voľného hemu, systémy zodpovedné za jeho rozklad či detoxifikáciu ho nemusia stihnúť spracovať, takže môže dôjsť k prejavu jeho škodlivých účinkov.

V druhej reakcii sa biliverdín premieňa na bilirubín pôsobením biliverdínreduktázy (BVR):

Bilirubín sa potom prenáša naviazaný na bielkovinu (sérový albumín) do prečene pomocou sprostredkovanej difúzie, kde sa konjuguje s kyselinou glukurónovou, aby bol lepšie rozpustný vo vode. Táto reakcia je katalyzovaná UDP-glukuronozyltransferázou:

V tejto podobe je bilirubín vylúčený z pečene do žlče. Vylučovanie bilirubínu z pečene je aktivny prenos spotrebovávajúci energiu, ktorý je zároveň rýchlosť určujúcim procesom. Črevné baktérie dekonjugujú bilirubíndiglukuronid a premieňajú bilirubín na urobilinogény. Časť urobilinogénu je absorbovaná bunkami čriev a prenesená do obličiek, odkiaľ sa vylučuje močom (v podobe urobilínu, ktorý je zodpovedný za žltú farbu moču a vzniká oxidáciou urobilinogénu). Zvyšok pokračuje tráviacim traktom a premieňa sa na sterkobilinogén. Ten sa oxiduje na sterkobilín, ktorý sa vylučuje a je zodpovedný za hnedú farbu výkalov.

Súvis so zdravím a chorobami 
Reaktivita hemu je v homeostáze riadená jeho vložením do uspôsobených vreciek hemoproteínov. Počas oxidačného stresu však môžu niektoré hemoproteíny, napr. hemoglobín, uvoľniť svoje hemové prostetické skupiny. Neviazaný (voľný) hem, ktorý vzniká týmto spôsobom, môže byť veľmi cytotoxický, pravdepodobne kvôli prítomnosti železa v kruhu protoporfyrínu IX, ktorý funguje ako Fentonovo činidlo a nekontrolovane katalyzuje tvorbu voľných radikálov. Katalyzuje oxidáciu a agregáciu bielkovín, tvorbu cytotoxických lipidových peroxidov cez lipoperoxidáciu a poškodzuje DNA prostredníctvom oxidatívneho stresu. Kvôli jeho lipofilným vlastnostiam rozrušuje lipidové dvojvrstvy v organelách, napríklad mitochondrách a jadre. Tieto vlastnosti hemu môžu u mnohých buniek viesť k programovanej bunkovej smrti, čo je efekt, ktorý hrá dôležitú úlohu v niektorých zápalových ochoreniach, ako sú malária a sepsa.

Rakovina 
Existuje asociácia medzi vysokým príjmom hemového železa z mäsa a zvýšeným rizikom kolorektálneho karcinómu. Obsah hemu v červenom mäse je asi desaťkrát vyšší než v bielom mäsa, napríklad kuratách. Review z roku 2019 zistila, že príjem hemového železa je spojený so zvýšeným rizikom rakoviny prsníka.

Gény 
Nasledujúce gény (radené abecedne) sú súčasťou chemickej dráhy, ktorá vedie k produkcii hemu:
 ALAD: aminolevulátdehydratáza (nedostatok spôsobuj porfýriu ALA-dehydratázovej deficiencie)
 ALAS1: aminolevulátsyntáza 1
 ALAS2: aminolevulátsyntáza 2 (nedostatok spôsobuje sideroblastickúhypochrómnu anémiu)
 CPOX: koproporfyrinogénoxidáza (nedostatok spôsobuje hereditárnu koproporfýriu)
 FECH: ferochelatáza (nedostatok spôsobuje erytropoetickú protoporfýriu)
 HMBS: hydroxymetylbilánsyntáza (nedostatok spôsobuje akútnu intermitentnú porfýriu)
 PPOX: protoporfyrinogénoxidáza (nedostatok spôsobuje variegátnu porfýriu)
 UROD: uroporfyrinogéndekarboxyláza (nedostatok spôsobuje neskorú kožnú porfýriu)
 UROS: uroporfyrinogén III syntáza (nedostatok spôsobuje kongenitálnu erytropoetickú porfýriu)

Referencie

Zdroj 

Tetrapyroly
Kofaktory
Zlúčeniny železa
Koordinačné zlúčeniny