Hem

Rozbalit box

Obsah boxu

Hem (z řeckého αἷμα, haima, krev) je komplexní organická molekula, která patří mezi metaloporfyriny. Jedná se o prostetickou skupinu (neboli kofaktor) mnoha důležitých proteinů, jako jsou hemoglobin, myoglobin, cytochromy, kataláza a peroxidáza. Základem struktury hemu je porfyrinový kruh, v jehož centru je vázán atom železa (Fe). Právě tento atom železa dává hemu jeho charakteristické vlastnosti, především schopnost vázat kyslík a účastnit se redoxních reakcí. Hem je zodpovědný za červenou barvu krve.

🧪 Struktura a typy

Základní strukturou hemu je heterocyklický makrocyklus známý jako porfyrin. Ten je tvořen čtyřmi pyrrolovými jádry spojenými methinovými můstky. V centru této planární molekuly je chelátově vázán iont železa. Železo se v hemu může nacházet ve dvou oxidačních stavech:

Fero-forma (Fe²⁺): Redukovaná forma, která je schopna reverzibilně vázat molekulární kyslík (O₂). Nachází se v funkčním hemoglobinu a myoglobinu.
Feri-forma (Fe³⁺): Oxidovaná forma, která není schopna vázat kyslík. Nachází se například v methemoglobinu nebo v enzymech jako kataláza a peroxidáza.

Existuje několik typů hemu, které se liší postranními řetězci navázanými na porfyrinový kruh. Tyto modifikace ovlivňují redoxní potenciál a další vlastnosti molekuly.

Hem B: Nejběžnější typ, který se nachází v hemoglobinu a myoglobinu. Obsahuje protoporfyrin IX s centrálním atomem železa.
Hem A: Nachází se v cytochromu a oxidáze (komplex IV dýchacího řetězce). Má delší, hydrofobní isoprenoidový řetězec, který ho ukotvuje v membráně.
Hem C: Je kovalentně vázán na protein (konkrétně na cysteinové zbytky) v cytochromu c. Tato vazba zabraňuje jeho disociaci.
Hem O: Varianta hemu A, která se nachází u některých bakterií.

⚙️ Funkce v organismu

Hem plní v živých organismech několik zásadních rolí, které jsou odvozeny od schopnosti jeho centrálního atomu železa měnit oxidační stav a vázat ligandy.

💨 Přenos plynů

Nejznámější funkcí hemu je transport kyslíku v krvi. V hemoglobinu, proteinu v červených krvinkách, váže každá ze čtyř hemových skupin jednu molekulu kyslíku v plicích a uvolňuje ji ve tkáních s nízkou koncentrací O₂. Podobně myoglobin, který se nachází ve svalových buňkách, slouží jako lokální zásobárna kyslíku. Hem je také schopen vázat jiné plyny, jako je oxid uhelnatý (CO) nebo oxid dusnatý (NO), často s mnohem vyšší afinitou než kyslík, což může vést k otravě.

⚡ Přenos elektronů

V cytochromech, které jsou klíčovou součástí elektronového transportního řetězce v mitochondriích, hem funguje jako přenašeč elektronů. Železo v hemu reverzibilně přechází mezi Fe²⁺ a Fe³⁺ stavem, čímž přijímá a odevzdává elektrony. Tento proces je zásadní pro produkci ATP, hlavní energetické měny buňky.

🔬 Katalytická aktivita

Hem je prostetickou skupinou mnoha enzymů:

Cytochrom P450: Superrodina enzymů, které se podílejí na metabolismu a detoxikaci cizorodých látek (xenobiotik), léků a steroidních hormonů v játrech.
Kataláza a peroxidáza: Tyto enzymy chrání buňky před poškozením reaktivními formami kyslíku tím, že katalyzují rozklad peroxidu vodíku (H₂O₂) na vodu a kyslík.
Syntáza oxidu dusnatého (NOS): Produkuje oxid dusnatý, důležitou signální molekulu podílející se na regulaci krevního tlaku a dalších fyziologických procesech.

🧬 Biosyntéza

Syntéza hemu je komplexní, osmistupňový proces, který probíhá částečně v mitochondrii a částečně v cytosolu buňky. Hlavními místy syntézy jsou kostní dřeň (pro tvorbu hemoglobinu) a játra (pro tvorbu cytochromů).

Výchozími látkami jsou aminokyselina glycin a sukcinyl-CoA (meziprodukt Krebsova cyklu).

První a zároveň regulační krok probíhá v mitochondrii, kde enzym ALA-syntáza katalyzuje kondenzaci glycinu a sukcinyl-CoA za vzniku kyseliny δ-aminolevulové (ALA).
ALA je transportována do cytosolu.
Dvě molekuly ALA kondenzují za vzniku porfobilinogenu (PBG).
Čtyři molekuly PBG se postupně spojují a cyklizují za vzniku prvního porfyrinového prekurzoru, uroporfyrinogenu III.
Následuje několik dalších kroků (dekarboxylace, oxidace), které vedou ke vzniku protoporfyrinu IX.
Protoporfyrin IX je transportován zpět do mitochondrie.
V posledním kroku enzym ferrochelatáza vkládá do centra protoporfyrinového kruhu iont Fe²⁺, čímž vzniká finální molekula hemu.

Regulace syntézy probíhá primárně na úrovni prvního enzymu, ALA-syntázy. Vysoká koncentrace hemu inhibuje tento enzym, což představuje klasický příklad negativní zpětné vazby.

📉 Degradace

Životnost červených krvinek je přibližně 120 dní. Po této době jsou pohlceny makrofágy v retikuloendoteliálním systému, především ve slezině a játrech. Zde dochází k degradaci hemoglobinu.

Globinová (proteinová) část je rozložena na jednotlivé aminokyseliny, které jsou znovu využity.
Hem je metabolizován enzymem hemoxygenáza.
Při této reakci se porfyrinový kruh otevírá, uvolňuje se iont železa (Fe³⁺) a vzniká oxid uhelnatý (CO) a zelený pigment biliverdin.
Železo je navázáno na transportní protein transferin a transportováno do kostní dřeně k recyklaci nebo uloženo ve formě feritinu.
Biliverdin je následně redukován enzymem biliverdinreduktáza na žlutooranžový pigment bilirubin.

Bilirubin je v krvi nerozpustný, proto se váže na albumin a je transportován do jater. V játrech je konjugován s kyselinou glukuronovou, čímž se stává rozpustným ve vodě a může být vyloučen do žluče a následně do střeva. Zde je střevními bakteriemi dále metabolizován na urobilinogen a sterkobilin, které dodávají stolici a moči jejich charakteristické zbarvení.

🩺 Klinický význam a poruchy

Poruchy metabolismu hemu mohou vést k řadě závažných onemocnění.

Porfyrie: Skupina vzácných genetických onemocnění způsobených deficitem některého z enzymů syntézy hemu. To vede k hromadění toxických meziproduktů (porfyrinových prekurzorů) v těle. Projevy mohou být neurologické (bolesti břicha, psychózy) nebo kožní (extrémní citlivost na sluneční světlo).
Anémie z nedostatku železa: Nejčastější typ anémie. Nedostatek železa v těle znemožňuje syntézu dostatečného množství hemu, a tím i hemoglobinu, což vede ke snížené schopnosti krve přenášet kyslík.
Sideroblastická anémie: Porucha posledního kroku syntézy hemu, kdy se železo neefektivně vkládá do protoporfyrinového kruhu. Železo se hromadí v mitochondriích erytroblastů.
Žloutenka (Ikterus): Žluté zbarvení kůže a očního bělma způsobené vysokou hladinou bilirubinu v krvi. Může být způsobena nadměrným rozpadem červených krvinek (hemolytická žloutenka), poškozením jater (hepatocelulární žloutenka) nebo ucpáním žlučových cest (obstrukční žloutenka).
Otrava oxidem uhelnatým: Oxid uhelnatý (CO) se váže na hemové železo v hemoglobinu s afinitou přibližně 250krát vyšší než kyslík. Vzniká tak stabilní karbonylhemoglobin, který není schopen přenášet kyslík, což vede k dušení na buněčné úrovni.
Methemoglobinemie: Stav, kdy je železo v hemoglobinu zoxidováno z Fe²⁺ na Fe³⁺, čímž vzniká methemoglobin. Ten není schopen vázat kyslík. Může být způsobena geneticky nebo expozicí některým chemikáliím a lékům.

🧑‍🔬 Pro laiky

Představte si hem jako malý molekulární magnet na kyslík. Nachází se hlavně v našich červených krvinkách, uvnitř bílkoviny zvané hemoglobin. Každá molekula hemu má ve svém středu atom železa. Právě toto železo funguje jako magnet, který v plicích "chytne" molekulu kyslíku, když se nadechneme. Červená krvinka pak s tímto cenným nákladem putuje po celém těle a tam, kde je kyslík potřeba (například ve svalech), ho zase "pustí". Hem je také důvodem, proč je naše krev červená – je to barva komplexu železa a porfyrinu.

Kromě přenášení kyslíku pomáhá hem také v našich buňkách vyrábět energii (v dýchacím řetězci) a v játrech se podílí na zneškodňování škodlivých látek a léků. Když červené krvinky zestárnou, tělo hem recykluje: cenné železo si schová pro další použití a zbytek přemění na žlučová barviva, která se vyloučí z těla.

Šablona:Aktualizováno