Klinické a molekulární aspekty poruch metabolismu

železa

seminářMartin Vokurka

duben 2005

Zkrácená internetová verze

Železo je 4. nejhojnější prvek kůry zemské

Využívají ho všechny živé organismy

Železo

Jako součást hemových i nehemových proteinů plní důležité funkce:

Proces tvorby energie* transport kyslíku (hemoglobin)* transport elektronů (cytochromy)Transformace a detoxikace látek (cyt. P450)Množení buněk, proliferace tkáníImunitní děje, likvidace patogenů

Schopnost železa existovat ve 2 redoxních stavech(Fe2+, Fe3+)

umožňuje jeho využití v katalytických centrech základních biochemických reakcí.

I během transportních dějů prodělává železo přechod mezi oběma stavy:

ferrireduktáza (Fe3+ Fe2+)

ferroxidáza (Fe2+ Fe3+)

Musí disponovat mechanismy, jak železo získat* anorganicky* „organické“ – jeden z druhého

Mohou o železo kompetovatprůběh infekce je trochu i „bojem o železo“

Musí se před železem chránit* regulovat jeho příjem a distribuci* neponechávat jej ve „volné“ formě

Stejné vlastnosti, pro které je železo užitečné

v každé z těchto reakcí, z něj dělají i potenciálně

toxický prvek.

Fentonova reakce: Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH* + OH-

Železo

Katalyzuje tvorbu kyslíkových radikálů

– poškození orgánů

Nadbytek železa, zejména volného, je pro buňky toxický

+ likvidace patogenů...

Železo - hlavní orgány

Kostní dřeň – erytropoeza

Játra – zásobárna + regulace

Makrofágy (RES) – zpracování hemu a zásoby

Duodenum – resorpce

LABORATORNÍ VYŠETŘENÍ

- KO - S-Fe- saturace Tf- TIBC (celková vazebná kapacita)- sérový feritin- solubilní sérový transferinový receptor (sTfR)- protoporfyrin v erytrocytech- vyšetření kostní dřeně

Množství železa v organismu i buňkách a jeho distribuce jsou

regulovány.

Poruchy těchto regulací jsou spojenys některými chorobnými stavy.

Hlavní poruchy

- snížené množství železa v organismu – sideropenie* ztráty (krvácení)* špatná výživa a resorpce (GIT onemocnění)* zvýšená potřeba (těhotenství…)

- zvýšené množství1) primárně – hereditární hemochromatóza (HH)2) sekundárně – hemosideróza(např. opakované transfuze u útlumu kostní dřeně)

- porušená distribuce a kinetikaanémie chronických chorob

Sideropenie

sideropenie a sideropenická anemie:mikrocytární, hypochromnídalší projevy - únava, změny na sliznicích, kůži, nehtech atd.

Resorpce Fese zvyšuje

anémieManifestní

Latentníiron deficiencyerythropoiesis

Prelatentnívyčerpání zásob

sérové železosaturace Tfprotoporf. v ery

sérový feritinTIBCželezo v kost. dřeni

Těhotenství

potřeba cca 1000 mg železa

-300 mg plod-50-75 mg placenta-450 mg zvýšená erytropoeza-200 mg porod

Ženy mají nižší zásoby železa než muži

Železo - kinetika

62,5 % erytron25 % zásobárny0,1 % plasmaDenní obrat několikanásobek množství v plasmě

4 000 mg

1) resorpce železa2) recyklace železa

Železo - vstřebávání

3 “typy” železa + 3 cesty resorpce

- dvojmocné železo nehemové* DMT1* ferrireduktáza (Dcytb)

- hemové železo(endosomální proces ??)

- trojmocné železo3 integrin-mobilferrin

- 1/3 ž. v potravě, ale2/3 ž. vstřebaného- v buňce uvolněno hemoxygenázou

- značnou část v potravě (až 2/3), nevstřebatelné při pH>3- vliv ostat. složek potravy nasolubilitu- následná redukce v cytosolu komplexem tzv.paraferritinu

enterocyty v duodenu

DMT1 (divalent metal transporter, též DCT1 či Nramp2), může transportovat i jiné divalentní kationy (kovy)exprese se zvyšuje při nedostatku železa – má 3’IREuvnitř buněk se podílí i na endosomálním transportujednořetězcový transmembránový glykoprotein (90,000, 12q13)

Redukce trojmocného železa1) potrava - např. askorbová kyselina2) Dcytb (ferrireduktáza) – duodenální cytochromredukuje železo, v apikální membráně enterocytů, je indukovatelná hypoxií a nedostatkem železa;

Výstup železa z enterocytů/buněk

Ferroportin1 (Ireg1, MTP1) – transportní molekula přenášející železo z buňky (enterocytů, hepatocytů, makrofágů, Kupfferových buněk aj.)jednořetězcový transmembránový glykoprotein (62,000, 2. chromozom), regulován 5’IRE a reaguje na hypoxii

Hephaestin – transmembránový protein blízký ceruloplasminu (155,000, Xq11-12), druh ferroxidázy (oxidace Fe při výstupu z enterocytu)

Ceruloplasmin –slouží k oxidaci železa (ferroxidáza),jednořetězcový glykoprotein (132,000, 3q21-24) s 6 atomy mědi

Železo - transport

Transferin – jednořetězový glykoprotein (79,500, 1 globulin) s dvěma homologními vazebnými místy pro železo v trojmocné formě za fyziol. podmínek je saturován asi z 30 %

Železo - vstup do buněk

Transferinový receptor (TfR) – vazba Tf se železemdva typy - TfR1 a TfR2TfR1 (CD71, 3q21) hojnější v orgánech s výj. jater, regulován prostřednictvím IRE na 3’ konci, transmembr.glykoprotein, tvořen 2 identickými řetězci; 185,000TfR2 (7q22) je hojnější v játrech, nemá IRE a jeho přesná regulace není dosud známa; 215,000

DMT1 – transport z endosomu

Feritin – sférický protein (440,000), heteropolymer 24 podjednotek 2 typů – H a L s rozdílou lokalizací na chromozomech,váže a skladuje trojmocné železo (až 4500 atomů), H podjednotka oxiduje železo, regulován 5’ IRE

Ferrochelatáza – mitochondriální enzym katalyzující vložení Fe2+ do tetrapyrolu – protoporfyrinu IX (vzniká hem)

Železo - využití v buňce

Železo - regulace

ORGANISMUS

buňky molekuly

resorpce železa enterocyty

posttranskripční:IRE/IRP

transferinový receptor (TfR)feritinaj. (dle typu buňky)

transkripční:hypoxie

* vázána na obsah železa* vázána na potřebu železa

Málo Fe Hodně FeIRP1IRP2 degradován

c-akonitáza

vazba na IRE

IRP – iron responsive proteinsIRE – iron responsive elements:

vlásenkové struktury na UTR regionechmRNA

syntéza TfR1

Málo Fe

3’ stabilizace (TfR1)

5’ není translace (feritin)

IRP1IRP2

vazba na IRE

3’ degradace (TfR1)

5’ stabilizace – translace

není vazba na IRE

Hodně FeIRP1IRP2

Málo Fe

degradovánc-akonitáza

syntéza feritinu

Regulační molekuly v kinetice železa

•hepcidin•HFE•transferinový receptor 2 (TfR2)•hemojuvelin

Hlavní orgány*játra*střevo

Hepcidin(HAMP = hepatic antimicrobial peptide)

* peptid 20, 22, 25 aminokyselin se 4 cystinovými můstky

* produkovaný v játrech (hepatocytech)

* antimikrobiální účinky

Ovlivnění kinetiky železa:

- snižuje resorpci železa enterocyty- působí sekvestraci železa v makrofázích

Předpokládá se i účast v regulaci transplacentárního transportu

Exprese hepcidinu je regulována/zvýšena:

- železem- zánětem (LPS, IL-6)

snížená resorpce v GITnedostatek železasekvestrace k makrofázích

zvýšená resorpce v GITnadbytek železav makrofázích málo železa

hereditární anémie chronickýchhemochromatóza (HH) chorob

Důsledky nedostatku a nadbytku hepcidinu

Shrnutí významu hepcidinu v patologii lidských onemocnění

1. mutace hepcidinu jako vzácná příčina juvenilní hemochromatózy

2. dysregulace hepcidinu jako patogenetický faktor u ostatních forem hereditární hemochromatózy

3. nadprodukce hepcidinu jako patogenetický mechanismus změny kinetiky železa při anémii chronických chorob

HEPCIDIN JE PRAVDĚPODOBNĚ

HORMONEM REGULACE ŽELEZA

V ORGANISMU

HFE

membránový proteinMHC třídy I (dř. HLA-H), 6p21, váže 2-mikroglobulin. Kontaktem s TfR1 ovlivňuje (snižuje) resorpci železa (v jakém bodu?). Ovlivňuje celkovou regulace železa v organismu.Mutace HFE způsobuje většinu případů HH.

AR dědičné onemocnění (až 0,3%ní výskyt, ale s neúplnou penetrancí) nadměrná resorpce železa ve střevěhromadění železa v játrech, pankreatu, srdci, hypofýze, gonádách a dalších orgánech pestré klinické příznaky

Hereditární (genetická) hemochromatóza (HH)

Hlavní typy HH a regulační proteiny

HFE - 1996Hemojuvelin (HJV) - 2003Hepcidin - 2000, 2001TfR2 - 1999

Ferroportin – 1999, 2001

Jejich mutace jsou zodpovědné za jednotlivé typyhereditární hemochromatózy

typ 1juven. HH – typ 2Ajuven. HH – typ 2Btyp 3 typ 4

Nepřiměřeně nízká exprese hepcidinu byla prokázána u typů 1-3 HH

Hepcidin – předpokládaná regulace

Současné hypotézy předpokládají, že exprese hepcidinu by mohla být regulována přes saturaci transferinu a stabilizaci TfR2 na úrovni proteinu v kooperaci s HFE a modifikována pomocí HJV (zatím zcela neznámým mechanismem).

Tyto regulační závislosti nejsou zřetelné na úrovni změn množství mRNA těchto genů

HEPCIDIN

HEPATOCYT

TfR2

hemojuvelinHFE

TfR1 Tf-Fe

HEREDITÁRNÍ HEMOCHROMATÓZA

Anémie chronických chorob (ACD)

Anémie provázející zánětlivá a nádorová onemocněníDruhá nejčastější anemie

•chronické infekce•chronické neinfekční záněty•autoimunitní choroby•malignity•traumata, pooperační stavy

obv. normocytární, normochromní, později může být hypochromní až mikrocytární

Anémie chronických chorob

* Produkce zánětových cytokinů ovlivňujících erytropoezu

* Typické změny kinetiky železa:

- snížená sérová koncentrace Fe- nesnížená saturace transferinu- zvýšený obsah železa v Mo-Ma systému- zvýšená sérová koncentrace feritinu

V kostní dřeni úbytek sideroblastů a současně je dost železa v makrofázích

IRON DEFICIENCY versus ACD

Serum Iron Transferrin Ferritin

Iron Deficiency

ACD

sTfR hepcidin

??

stav tkáňových zásob+

reaktant akutní fáze

ŽELEZO A INFEKCE

1. Nezbytné pro bakterie2. Nezbytné pro imunitní děje

* likvidace bakterií (kyslíkové radikály)* stav sliznic apod.* množení imunitních buněk

Kompetice o železo mezi bakteriemi a organismem

Lidský organismus i bakterie Fe potřebují

Získat Fe je pro organismy relativně složitý proces

Bakterie mají siderofory – sloučeniny s vysokou afinitou k železu

Organismus má mechanismy, jak železo před bakteriemi sekvestrovat

Fe

siderofory

laktoferin

siderocalin/NGAL

hepcidin – změna distribuce Fe(snížení resorpce, sekvestrace v M)

Hepcidin

Předpokládá se, že hraje roli v patogenezi ACD, resp. ve změně kinetiky železa tuto anémii provázející

ZÁVĚRY

Železo plní v organismu klíčové role nutné pro metabolismus, buněčnou proliferaci, hojení detoxikaci aj.

Železo je důležité pro správný průběh imunitních dějů a likvidaci patogenů

Nedostatek železa je spojen s poruchami těhotenství a vývoje plodu

Nadbytek železa je pro organismus toxický, zvyšuje riziko některých infekcí

Železo je důležité i pro invadující mikroorganismy

ZÁVĚRY

Některé infekce probíhají v přítomnosti (většího množství) železa snadněji.

Těžší nedostatek železa však obranyschopnost rovněž snižuje.

ZÁVĚRY

V metabolismus železa se uplatňuje řada nových proteinů a transportérů

Hlavní regulátorem metabolismu železa v organismu (hormonem) je peptid hepcidin

Organismus disponuje různými mechanismy, jimiž se snaží železo před bakteriemi sekvestrovat

Některé děje v metabolismu železa, jeho regulaci a patogenezi jeho poruch nejsou dosud zcela objasněny

KONEC