Bộ đếm web cho blog miễn phí

Trang chủ www.docsachysinh.com

Ebook online

ĐẠI CƯƠNG SẮT VÀ HEMOGLOBIN

TRÊN QUAN NIỆM SINH HỌC PHÂN TỬ TẾ BÀO

Phùng Trung Hùng - Nguyễn Phước Long

Xin cảm ơn bạn Lê Minh Châu đã có đóng góp quan trọng cho bài viết này.

Giới thiệu

Hình 19.1: Sự phân bố của Sắt trong cơ thể sinh vật.

Sắt có vai trò rất quan trọng trong cơ thể con người, phần nhiều vì sắt tham gia quá trình chuyển hóa oxygen và tạo máu. Ở cơ thể người , sắt tồn tại ở 2 dạng: ferrous (Fe2+) và ferric (Fe3+). Sắt có ái tính cao đối với những nguyên tử có độ âm điện cao hay mật độ điện âm cao như là oxygen, nitrogen và sulfur, các nguyên tử này được tìm thấy dưới dạng đại phân tử trong tim và có sắt ở trung tâm đại phân tử đó.

Trong môi trường pH kiềm và trung tính, sắt tồn tại ở dạng Fe3+ và ở môi trường pH có tính acid, sắt thường tồn tại ở dạng Fe2+. Khi ở dạng Fe3+, sắt cùng với các anion, nước và peroxides tạo nên các phức hợp lớn. Các phức hợp lớn này ít tan trong nước, và vì tính chất này nên chúng thường tập hợp lại với nhau và tạo nên bệnh lí cho cơ thể. Sắt có thể bám vào rất nhiều đại phân tử và ngăn chặn việc hình thành cấu trúc hay phá hoại chức năng của các đại phân tử này. Vì vậy cơ thể cần có các protein bám sắt (iron-binding protein) để bảo vệc cơ thể khỏi những tác động có hại của sắt.

Hình 19.2: Phổ hấp thụ vùng nhìn thấy của Hb mang và không mang oxygen.

Heme không những quan trọng vì nó có vai trò tạo nên hemoglobin và vài enzyme (như cytochrome oxi hóa khử và cytochrome giải độc nhóm P450) mà chúng còn quan trọng vì rất nhiều bệnh xảy ra do khiếm khuyết enzyme trong quá trình sinh tổng hợp chúng. Sự khiếm khuyết này làm δ-aminolevulinic acid, (ALA) và các heme trung gian có màu bất thường khác xuất hiện trong hệ tuần hoàn, nước tiểu và các mô khác như răng và xương gây nên rối loạn bệnh lí. Vài rối loạn trong quá trình sinh tổng hợp heme diễn ra rất âm thầm như porphyrias.

Chuyển hóa sắt

Fe2+ liên kết với protoporphyrin IX tạo heme. Có rất nhiều heme có các protein liên quan đến việc vận chuyển oxygen (hemoglobin), dự trữ oxygen (myoglobin) và enzyme xúc tác như là nitric oxide synthase (NOS) và prostaglandin synthase (cyclooxygenase). Có rất nhiều sắt không tạo heme nhưng có chứa protein như iron-sulfur protein trong sự phosphoryl hóa oxi hóa hay các protein dự trữ và vận chuyển sắt (transferrin và ferritin).

Hình 19.3: Phức hợp Fe(II)-porphyrin có gắn kết Oxygen

Sắt được đưa vào cơ thể con người ở 2 dạng: sắt tự do và sắt heme. Trong ruột, sắt tự do bị khử từ dạng Fe3+ thành dạng Fe2+ ở trên lớp niêm mạc của tế bào ruột non và được chuyển đến các tế bào bằng transporter kim loại hóa trị 2 (divalent metal transporter, DMT1). Ruột hấp thu được sắt heme khi heme bám vào protein vận chuyển heme (heme carrier protein, HCP1).Sau đó, sắt trong heme được tách ra khỏi heme bởi enzyme dị hóa heme, heme oxygenase. Sắt có thể được dự trữ trong trong tế bào ruột ở dạng bám vào ferrintin. Sắt được vận chuyển qua màng đáy bên của tế bào ruột vào hệ tuần hoàn nhờ vào transport protein ferroportin (hay còn gọi là IREG1- iron regulated gene 1). Sau đó, enzyme hephaestin (ferroxidase chứa đồng có chức năng tương tự ceruloplasmin) oxi hóa Fe2+ thành Fe3+. Khi đi vào hệ tuần hoàn, Fe3+ gắn vào transferrin và thông qua hệ cửa để đến gan. Gan là nơi dự trữ chính của sắt. Nơi sử dụng sắt nhiều nhất là tủy xương, nơi tổng hợp heme.

Hình 19.4: Cấu trúc của Heme

Sắt đưa vào cơ thể được hấp thu ở tá tràng. Sắt tự do thường tồn tại ở dạng Fe2+ở ruột và bị khử thành Fe3+ bởi ferrireductase. Ở tá tràng, quá trình khử này được diễn ra bởi duodenal cytochrome B (DCYTB) và ferrireductases bờ bàn chải ruột (vì nghiên cứu cho thấy những con chuột knock-out gene DCYTB không bị giảm khả năng hấp thu sắt).  Fe2+ được hấp thu vào ruột bởi ivalent metal transporter 1 (DMT1). DMT1 thuộc họ protein vận chuyển tan (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A2. Sắt heme được hấp thụ nhờ vào heme carrier protein 1 (HCP1). Khi vào ruột, heme bị thoái giáng bởi heme oxygenase và giải phóng Fe2+. Fe2+ bám vào ferritin và được được dự trữ ở ruột hay đi vào tuần hoàn bởi ferroportin (IREG1). Ferroportin cũng thuộc họ protein vận chuyển tan trong dung dịch nước (solute carrier protein family) và được kí hiệu là SLC11A3. Khi vào máu, sắt được transferrin vận chuyển ở dạng Fe3+ vì khi đi qua ferroportin, Fe2+ đã được hephaestin (1 loại ferroxidase) oxi hóa thành Fe3+.

Transferrin được sản xuất ở gan và là protein huyết thanh có khả năng vận chuyển sắt. Mặc dù còn rất nhiều kim loại khác có thể bám vào transferrin nhưng Fe3+ có ái lực cao nhất đối với transferrin. Fe2+ không bám vào transferrin. Có 2 dạng Fe3+ bám vào transferrin. Sắt được hấp thu vào tế bào nhờ sự phosphoryl hóa thụ thể màng tế bào của PKC. Sau đó phức hợp sắt-transferrin-thụ thể sẽ được nội bào hóa. Sau đó, vì tính acid của endosome, sắt được giải phóng còn transferrin và thụ thể được đưa trở về màng tế bào.

Hình 19.5: Chu trình của Transferrin trong tế bào

Hình 19.6: Hệ thống tải Sắt của các tế bào trong cơ thể đã được mô tả trong văn bản.

Nơi dự trữ sắt chính trong cơ thể đó là gan, đặc biệt là tế bào gan. Tế bào gan hấp thu sắt đã bám vào transferrin trong máu thông qua sự bám vào của transferrin và thụ thể transferrin. Sắt tự do (sắt không bám vào transferrin , NTBI) trong huyết tương được các tế bào gan hấp thu nhờ vào DMT1. Và vì Fe3+ là dạng chiếm đa số trong máu nên trước khi đến DMT1, Fe3+ cần được khử bởi ferrireductase. Sau khi phức hợp sắt-transferrin-thụ thể được nội bào hóa, Fe3+ được giải phóng do tính acid của endosome, sau đó Fe3+ sẽ bị khử bởi ferrireductase trong endosome là STEAP3 (6 kháng nguyên gian màng biểu mô của protein tiền liệt 3, six-transmembrane epithelial antigen of prostate protein 3). Fe2+ được vận chuyển ra ngoài endosome thông qua DMT1 và được dự trữ ở trong tế bào gan dưới dạng bám vào ferritin như ở tế bào ruột. Phức hợp transferrin và thụ thể transferrin quay trờ về màng tế bào gan và transferrin được giải phóng vào máu để tiếp tục vận chuyển các Fe3+ trong hệ tuần hoàn. Fe2+ từ tế bào gan vào máu nhờ vào ferroportin. Ở máu, Fe2+ bị oxi hóa bởi ceruloplasmin (ferroxidase bào tương) để chuyển thành dạng Fe3+. Fe3+ lại bám vào transferrin để đến các mô khác của cơ thể.

Hình 19.7: Sự tương tác giữa Hepcidin với Ferroportin kiểm soát các dòng điều hòa sắt chính vào dịch ngoại bào và huyết tương.

Ferritin là protein chủ yếu dùng để dự trữ sắt. Ferritin khi không bám vào sắt được gọi là apo-ferritin. Apo-ferritin là đại phân tử polymer gồm 24 tiểu đơn vị polypeptide. Vì cấu trúc multimer này mà apo-ferritin có thể cho 2000 nguyên tử sắc bám vào để tạo dạng ferric-phosphate. Sắt dự trữ trong cơ thể được chủ yếu tìm thấy ở gan, cơ và tế bào lưới nội mạc. Nếu không còn ferritin để bám vào thì sắt sẽ ở kế cận các phức hợp ferritin-sắt và tạo thành hemosiderin. Hemosiderin bao gồm ferritin, ferritin biến tính và các chất khác. Cấu trúc phân tử của hemosiderin hiện giờ vẫn chưa được làm rõ. Sắt trong hemosiderine không thể cung cấp sắt cho cơ thể khi cần thiết. Hemosiderin thường được tìm thấy ở đại thực bào và hiện diện khi chảy máu.

70% sắt có trong cơ thể con người được tìm thấy trong hemoglobin. Vì khả năng dự trữ và tái sử dụng sắt của cơ thể rất thấp (1-2mg) nên sắt cần được bổ sung trong khẩu phần ăn. Sắt dư cơ thể không hấp thụ sẽ chuyển sang dự trữ ở tế bào ruột non. Cơ chế điều hòa sắt, tái sử dụng và giải phóng sắt đã được làm sáng tỏ hơn khi người ta phá hiện ra hoạt động của hepcidin (protein điều hòa sắt trong gan). Hepcidin khởi đầu có 25 amino acid peptide gần giống peptide chống vi khuẩn giàu cysteine. Người ta nghiên cứu được rằng, hepcidin có khả năng ức chế sự biểu hiện của 1 hay nhiều kênh tải sắt (iron transporter) trên màng ruột (như DMT1 và Ireg1). Nồng độ hepcidin mRNA tăng khi có nhiều sắt được đưa vào cơ thể và giảm khi lượng sắt đưa vào ít và số lượng transporter do đó cũng thay đôi theo lượng sắt đưa vào. Cơ chế hepcidin trong điều hòa biểu hiện gene hay trong định vị kênh tải sắt ở ruột non vẫn chưa được hiểu rõ.

Quá trình điều hòa sử dụng sắt trong cơ thể được kiểm soát chủ yếu bởi điều hòa qua trung gian sắt trong quá trình dịch mã mRNA. Thụ thể tải hay ferritin mRNA đều có cấu trúc dạng stem-loop còn được gọi là yếu tố đáp ứng sắt (iron responsive element, IRE). Các IRE này có protein bám sắt có trung tâm là sắt-sulfur gần giống với enzyme aconitase của chu trình TCA. Các IRE khác có mRNA và enzyme tổng hợp protoporphyrin hồng cầu được mã hóa, ALA synthase, aconitase ti thể và Ireg1 (ferroportin).

Các triệu chứng lâm sàng của chuyển hóa sắt bất thường

Sắt có thể gắn kết với các protein và tạo rất nhiều đại phân tử và quá trình này có thể bị các phức hợp khác tác động vào. Khi sắt nội bào quá nhiều, cơ thể sẽ hình và lắng đọng hemosiderin, từ đó dẫn đến tế bào hoạt động bất thường hay thậm chí hủy hoại tế bào. Mặc dù vậy, khi sắt đưa vào cơ thể không đủ cũng có thể gây các tác động xấu lên cơ thể như ảnh hưởng đến quá vận chuyển oxygen trong hồng cầu. Sự suy giảm hấp thu ở ruột non, mất quá nhiều sắt heme vì chảy máu, đột biến ở IRE có thể gây khiếm khuyết trong quá trình chuyển hóa sắt.

Hemochromatosis là rối loạn về chuyển hóa sắt do đưa vào cơ thể quá nhiều sắt, sự bão hòa của protein bám sắt hay sự lắng đọng của hemosiderin trong mô. Gan, tụy và da là mô bị ảnh hưởng chính trong tình trạng này. Sắt lắng đọng trong gan dẫn đến xơ gan và lắng đọng trong tụy dẫn đến đái tháo đường. Quá nhiều săt lắng đọng của tạo ra các chấm màu đồng trên các cơ quan và da. Người bị hemochromatosis thường có các chấm này đi cùng với đái tháo đường nên còn được gọi là tình trạng đái tháo đường đồng (bronze diabetes).

Nguyên nhân chính của hemochromatosis là do thừa hưởng allele lặn trên nhiễm sắc thể thường. Locus gây ra hemochromatosis là locus HFE1 và là phức hợp tương hợp mô chủ yếu (major histocompatibility complex, MHC) loại 1, nằm trên nhiễm sắc thể số 6. Gene mã hóa chuỗi protein có 3 vùng dạng immunoglobulin. Chuỗi α liên kết với β2-microglobulin. HFE1 bình thường cùng với thụ thể transferrin tạo phức hợp điều hòa lượng sắt chuyển đến tế bào. Đột biến ở HFE1 làm tăng khả năng hấp thu và dự trữ sắt.

Đa số bệnh nhân mắc hemochromatosis di truyền đều có đột biến ở HFE1 làm thay thế Cys 282 bằng Tyr (C282Y). Đột biến này mất hình dạng của vùng immunoglobulin trong HFE1, Đột biến khác ở HFE1 làm thay His63 thành Asp (H63D)

Hemochromatosis cổ điển vẫn là nguyên nhân chủ yếu gây nên tình trạng quá tải sắt mặc dù còn rất nhiều nguyên nhân khác. Có ít nhất 4 locus ngoài HFE1 gây nên hemochromatosis. Các locus này gây ra các thể hemochromatosis loại 2A, 2B, 3 và 4.

Hội chứng GRACILE (GRACILE gồm chậm phát triển, tiểu amio acid, tắc mật, quá tải sắt, tích tụ acid lactic, chết sớm) là một rối loạn rất hiếm gặp gây chết ở trẻ sơ sinh do khiếm khuyêt trong gene BCS1L nằm trên vị trí 33 của nhánh dài nhiễm sắc thể số 2 (2q33). BCSL1 ở người tương đồng với dạng BCS1 ở trong nấm men. BCSL1 mã hóa họ AAA của ATPase cần thiết để cho sự gắn phức hợp III và phosphoryl hóa oxi hóa. Khiếm khuyết ở BCSL1 có thể gây ra hội chứng Björnstad.

Thiếu máu do thiếu sắt thường gây hiểu máu hồng cầu nhỏ và nhược sắt. Sự giảm sắt hấp thụ hay tăng bài tiết sắt quá mức làm ảnh hưởng quá trình tổng hợp globin của heme, gây ra giảm protein globin trong hồng cầu.

Nguyên nhân thường gặp nhất của thiếu máu do thiếu sắt là chảy quá nhiều máu trong kinh nguyệt hay chảy máu dạ dày ruột. Chảy máu dạ dày ruột có thể do dùng thuốc làm loét và ăn mòn lớp niêm mạc dạ dày, do loét ở đường tiêu hóa, u dạ dày, thoát vị gián tiếp, viêm dạ dày do uống rượu lâu năm.

Muốn chữa trị tình trạng thiếu máu do thiếu sắt trước hết cần phải xác định nguyên nhân và nguồn gốc của việc chảy máu qáu nhiều . Việc đưa Ferrous sulfate vào bằng đường miệng giúp bổ sung sắt, mặc dù vậy các liệu pháp tiêm sắt vào tĩnh mạch cũng cần thiết trong 1 số trường hợp. Những người bị thiếu máu do thiếu sắt trầm trọng cần được truyền hồng cầu.

Tổng hợp porphobillinogen và heme

Hình 19.8: Biểu diễn giai đoạn ti thể và endosome trong chuyển hóa sắt ở tế bào hồng cầu bình thường (a) và các thành phần ức chế tổng hợp heme của nó (b). Sắt được phóng thích từ transferrin vào trong endosome cùng quá trình khử Fe3+ bởi Steap3 và sự giảm pH (5.5), sau quá trình này, Fe2+ được đưa vào endosome nhờ hoạt động của DMT1. Giai đoạn sau tiến trình ở endosome vẫn còn chưa được rõ. Một giả thuyết được chấp nhận rộng rãi là cơ chế hoạt động liên quan tới sắt – chaperone để vận chuyển nó đến ti thể và các vị trí khác, tuy nhiên người ta đã phát hiện nhiều con đường vận chuyển sắt khác nữa. Ở tế bào hồng cầu, hơn 90% sắt phải vào được ti thể bởi vì ferrochelatase (FC) – enzyme gắn Fe2+ vào protoporphyrin IX tồn tại ở mặt trong màng trong ti thể. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng sự tương tác nhanh chóng giữa ti thể và endosome liên quan đến việc thông thương của sắt và quyết định số phận của nó (tương tự với ion Calcium đã đề cập ở một chương khác).

Quá trình sinh tổng hợp heme bắt đầu diễn ra ở ti thể, bắt đầu bằng việc 1 glycine và 1 succinylCoA ngưng tụ bởi enzyme δ-aminolevulinic acid synthase (ALAS), enzyme này cần pyridoxal phosphate. ALA còn được gọi 5-aminolevulinic acid, phản ứng này là phản ứng giới hạn trong quá trình sinh tổng hợp heme và là phản được điều hòa nhiều nhiều nhất.

Có 2 dạng ALAS. ALAS1 được gọi là  house-keeping gene và thấy ở tất cả loại tế bào, ALAS2 là dạng chuyên biệt hồng cầu của enzyme và chỉ được tìm thấy trong gan của thai nhi và trong tủy xương của người lớn.Gene ALAS1 nằm trên nhiễm sắc thể số 3 trong khi gene ALAS2 nằm trên nhiễm sắc thể X nên khiếm khuyết. Khiếm khuyết ở ALAS2 gây nên rối loạn được goi là  X-linked sideroblastic anemia, XLSA. Sideroblast ở đây là các nguyên hồng cầu không sắt heme trong các bào quan gọi là siderosome. XLSA còn được gọi  thiếu máu sideroblastic bẩm sinh, thiếu máu, sideroblastic di truyền, thiếu máu tải sắt di truyền, thiếu máu nhược sắc có liên quan đến nhiễm sắc thể X, thiếu máu nhược sắt di truyền và thiếu máu di truyền.

ALA được tổng hợp sẽ được vận chuyển từ ti thể đến bào tương, nơi ALA dehydratase (hay còn gọi là porphobilinogen synthase) dimer hóa 2 phân tử ALA để tạo thành hợp chất vòng pyrrole porphobilinogen. Sau đó, nhờ vào enzyme porphobilinogen deaminase (PBG deaminase) hay còn gọi là hydroxymethylbilane synthase hay uroporphyrinogen I synthase, 4 phân tử porphobilinogen cuộn xoắn lại tạo thành tetrapyrrole trung gian là hydroxymethylbilane. Hydroxymethylbilane có thể đi theo 2 con đường. Một con đường được điều hòa bởi enzyme là hydroxymethylbilane sẽ chuyển thành uroporphyrinogen III nhờ vào tác động của enzyme uroporphyrinogen synthase. Hai là Hydroxymethylbilane có thể chuyển thành uroporphyrinogen I mà không cần enzyme xúc tác.

Trong bào tương, nhóm acetate của uroporphyrinogen (dạng uroporphyrinogen III bình thường hay uroporphyrinogen I bất thường) đều được khử carboxyl bởi enzyme uroporphyrinogen decarboxylase. Kết quá là nhóm acetate sẽ được thay thế bằng nhóm methyl và uroporphyrinogen được chuyển thành coproporphyrinogen. Coproporphyrinogen III là trạng thái trung gian quan trọng trong quá trình tổng hợp heme.

Coproporphyrinogen III được chuyển vào bên trong ti thể, nơi 2 propionate bị khử carboxyl , tạo nhóm vinyl ở 2 vòng pyrrole. Protoporphyrinogen IX không có màu. Trong ti thể, protoporphyrinogen IX được chuyển thành protoporphyrin IX bởi protoporphyrinogen IX oxidase. Phản ứng oxi hóa này cần phân tử oxygen và gây mất 6 proton và 6 electron, tạo nên hệ thống vòng và qua đó tạo nên màu đỏ của heme. Phản ứng cuối cùng trong quá trình tổng hợp heme diễn ra ở ti thể, quá trình này đưa nguyên tử săt vào hệ thống vòng tạo heme B thông qua hoạt động của ferrochelatase.

Protoporphyrin IX

Enzymes ferrochelatase, ALA synthase và ALA dehydratase (enzyme chứa sulfhydryl) rất nhạy cảm với sự ức chế do ngộ độc kim loại nặng. Ngộ độc chì có thể làm tăng lượng ALA trong tuần hoàn nhưng lại không tăng porphobilinogen.

Ngoài dạng heme b được tìm thấy trong hemoglobin, còn có 3 dạng heme được tìm thấy trong cytochrome, các dạng này tham gia vào quá trình phosphoryl hóa oxi hóa. Loại c hiện diện trong cytochrome gồm các modified iron protoporphyrin IX. Trong heme c, 2 nhóm vinyl trong heme B liên kết cộng hóa trị với cysteine sulfhydryl của apoproein. Chỉ có heme c có liên kết cộng hóa trị. Heme a cũng là modified iron protoporphyrin IX, chỉ được tìm thấy trong cytochrome và trong hạt diệp lục của cây xanh.

Quá trình điều hòa sinh tổng hợp heme

Mặc dù heme có thể được tổng hợp ở tất cả các mô nhưng heme chủ yếu được tổng hợp ở hồng cầu (gần 85%) và tế bào gan (gần 15%). Điểm khác nhau ở 2 mô này chủ yếu là vì nhu cầu heme của 2 mô này làm 2 mô này có cơ chế khác nhau trong quá trình điều hòa sinh tổng hợp heme.

Trong tê bào gan, heme cần để liên kết với cytochrome loại P450 (loại này rất quan trọng trong quá trình khử độc). Còn rất nhiều cytochrome trong con đường phosphoryl hóa oxy hóa có chứa heme. Quá trình xúc tác tổng hợp là quá trình giới hạn trong sinh tổng hợp heme ở gan. Hemin là chất phản hồi âm của ALA synthase đồng thời hemin cũng ngăn chặn quá trình vận chuyển ALA synthase từ bào tương (nơi chúng được tổng hợp) đến ti thể (nơi chúng hoạt động) và ức chế sự tổng hợp enzyme này.

Trong hồng cầu, heme được tổng hợp để liên kết với hemoglobin. Khi hồng cầu trưởng thành, cả 2 quá trình tổng hợp heme và hemoglobin đều dừng lại. Heme và hemoglobin có thời gian sống bằng với thời gian sống của hồng cầu là 120 ngày. Ở các tế bào hồng cầu hình lưới (hồng cầu chưa trưởng thành), heme kích thích quá trình tổng hợp protein. Quá trình điều hòa tổng hợp heme trong hồng cầu diễn ra ở nhiều vị trí khác nhau như tác động vào ferrochelatse (enzyme có chức năng đưa sắt vào protoporphyrin IX), vào porphobilinogen deaminase chứ không phải chỉ ở mức độ tác động lên ALA synthase.

 

 

Hình 19.9: Cơ chế điều hòa sinh tổng hợp Heme ở tế bào hồng cầu (a) và các tế bào khác (b).

Chuyển hóa heme

Nơi dự trữ heme nhiều nhất trong cơ thề là hồng cầu. Chu trình 6g hemoglobin/ ngày tạo ra 2 vấn đề. Đầu tiên, vòng porphyrin có tính ưa nước và phải được hòa tan mới có thể tiết ra. Thứ 2, sắt cần phải được dự trữ để tổng hợp heme.

Hình 19.10: Quá trình chuyển Heme thành bilirubin qua phản ứng 2 giai đoạn xúc tác bởi Heme oxygenaes và biliverdin reductase.

Bình thường, các hồng cầu già yếu và heme từ các nguồn khác sẽ bị loại thải bởi hệ lưới võng nội mô của tế bào. Globin được tái sử dụng và chuyển thành amino acid. Heme được oxi hóa và vòng heme được mở ra bởi heme oxygenase (enzyme của lưới nội mô). Quá trình oxi hóa cần heme làm chất nền, và tất cả hemin (Fe3+) sẽ bị khử thành heme (Fe2+) bởi heme oxygenase. Quá trình oxi hóa diễn ra trên 1 carbon nhất định vào tạo thành tetrapyrrole biliverdin, Fe3+, và CO. Đây là phản ứng duy nhất trong cơ thể tạo ra CO. Đa số CO được loại ra khỏi cơ thể thông qua phổi vì vậy đo lường lượng CO trong khí thở ra dùng để đánh giá hoạt động của heme oxygenase.

Phản ứng kế tiếp là cầu nối methylene giữa vòng III và vòng IV bị khử bởi biliverdin reductase, sản phẩm là bilirubin. Bilirubin không liên hợp rộng như biliverdin nên tạo ra sự thay đổi màu của phân tử từ xanh lá – xanh (màu của biliverdin) sang màu vàng-đỏ (màu của bilirubin). Sự thay đổi chuyển hóa sau ở cấu trúc tetrapyrrol sẽ làm thay đổi màu của các bướu máu hay vết bầm (mô bị tổn thương sẽ chuyển từ màu xanh sậm sang màu đỏ vàng, sau đó là màu vàng và cuối cùng sắc tố được vận chuyển khỏi mô bị tổn thương). Các bilirubin ngoại biên được chuyển đến gan cùng với albumin (nơi phản ứng chuyển hóa còn diễn ra)

Heme

Bilirubin

Con đường thoái hóa heme thành bilirubin (M = methyl, P = propropmoc, V = vinyl)

Ở tế bào gan, bilirubin-UDP-glucuronyltransferase (bilirubin-UGT) thêm 2 glucuronic acid vào bilirubin để tạo dẫn xuất bilirubin diglucuronide tan trong nước. Sự tăng khả năng tan trong nước của tetrapyrrole hỗ trợ việc bài xuất phần còn lại của mật là sắc tố mật. UDP-glucuronyltransferase (UGT) gene (UGT1A) nằm trên vị trí 37 nhánh dài của nhiễm sắc thể 2 (2q37). Vài UGT1A enzyme, bào gồm bilirubin-UGT (còn được gọi là UGT1A1) được mã hóa bởi phức hợp UGT1A gene. Vùng 5’ của phức hợp UGT1A gồm 13 tandemly arrayed first exons, trong đó có 4 exon giả. Các tandemly arrayed exons được gọi là 1A1, 1A2, 1A3,… Exon 2,3,4,5 nằm ở vùng 3’ UGT1A. Tất cả đồng dạng UGT đều có đầu tận C mã hóa bởi các exon từ 2 đến 5. Mỗi exon đầu tiên đều có yếu tố khởi đầu của chúng. 9 exon đầu được nối với các exon từ 2 đến 5 để tạo 9 UGT1A bản sao với đầu 5 tận độc nhất và đầu 3 tận điển hình. Vùng tận N được mã hóa bởi từng exon đầu tiên độc nhất để xác định chất nền nhận chuyên biệt trong khi vùng C tận gồm 246 amino acid chỉ được mã hóa bởi 4 exon thường gặp để xác định sự liên kết với chất nền cho, UDP-glucuronic acid, Đồng dạng bilirubin-UGT (UGT1A1) bao gồm 533 amino acid.

Bilirubin diglucuronide

Ở những người có độ ly giải hồng cầu cao bất thường hay gan bị tổn thương do tắc đường mật, bilirubin và tiền chất của nó lắng đọng trong hệ tuần hoàn dẫn đến tình trạng bilirubin trong máu cao (hyperbilirubinemia), dẫn đến hiện tượng vàng biểu mô, da và mắt (jaundice). Ở những người bình thường, bilirubin trong ruột sẽ tác động lên vi khuẩn để sản xuất urobilinogen và urobilin (sản phẩm porphyrin cuối cùng). 2 chất này được tìm thấy trong phân. Bilirubin và sản phẩm chuyển hóa của nó được gọi là sắc tố mật.

Triệu chứng lâm sàng trong chuyển hóa heme.

Chuyển hóa heme dẫn đến các tình trạng bất thường trong lâm sàng ở 2 dạng: porphyrias (rối loạn từ khiếm khuyết trong enzyme của quá trình sinh tổng hợp heme) và bilirubin trong máu cao - hyperbilirubinemia (gây tăng nồng độ các chất trung gian trong quá trình tổng hợp heme ở huyết thanh và nước tiểu, rối loạn này được di truyền và ảnh hưởng đển chuyển hóa của bilirubin)

Sự tăng cao bilirubin lưu thông trong máu và lắng đọng làm vàng mô và rõ nhất là làm vàng kết mạc mắt. Ngộ độc bilirubin (bệnh về não liên quan đến bilirubin _ bilirubin encephalopathy) có thể đe dọa sự sống ở trẻ sơ sinh. Bệnh về não liên quan đế bilirubin có các triệu chứng như xuất hiện các hạch vàng, da vàng ở em bé. Các triệu chứng này được gọi bằng tên chung là “kernicterus”. Tùy theo độ nhạy cảm khác nhau về bilirubin của mỗi người mà kernicterus có thể xuất hiện ở những nồng độ bilirubin khác nhau nhưng tất cả các trường hợp bilirubin huyết tương tăng trên 20mg/dL được xem là nguy hiểm đối với trẻ sơ sinh. Kernicterrus xảy ra ở trẻ sơ sinh làm tăng bilirubin không liên hợp trong máu và xảy ra ở người trẻ (làm tăng bilirubin không liên hợp trong huyết thanh). Thay đổi xảy ra ở người lớn là do sự thiếu hụt enzyme bilirubin UDP glucuronyl transferase (bilirubin-UGT), enzyme có khả năng liên hợp bilirubin với glucuronic acid.

Bilirubin ức chế quá trình tổng hợp DNA, tách quá trình phosphoryl hóa oxi hóa và ức chế hoạt đông của ATPase trong ti thể ở não. Bilirubin ức chế rất nhiều loại enzyme như dehydrogenases, protein vận chuyển electron, hydrolyases và các enzyme của quá trình tổng hợp RNA, của quá trình tổng hợp protein và của quá trình chuyển hóa carbohydrate. Tất cả những tác động gây độc của enzyme sẽ không còn khi bám vào albumin. Albumin có vai trò rất quan trọng trong việc giải sự lắng đọng của bilirubin trong cơ thể bằng viêc vận chuyển chúng từ nơi được tổng hợp (tủy xươngva lách) đến nơi chúng được bài tiết (gan).

Hội chứng Gilbert và hội chứng Crigler Najjar gây ra bởi sự tăng cao chủ yếu nồng độ bilirubin không liên hợp trong máu. Hội chứng Dubin-Johnson và Rotor syndrome gây ra bởi sự tăng cao nồng bilirubin liên hợp trong máu. Bilirubin khi liên hợp với glucuronate có thể tan trong nước nên tình trạng tăng cao bilirubin liên hợp không gây ra các triệu chứng nguy hiểm bằng tình trạng tăng bilirubin không liên hợp trong máu.

Porphyrias là những rối loạn trong quá trình tổng hợp vừa do di truyền vừa do mắc phải. Nhưng rối loạn này được phân chia làm 2 loại: ở hồng cầu và ở gan, dựa vào vị trí tác động của enzyme khiếm khuyết. Có 8 dạng porphyrias được phân loại dựa vào enzyme khiếm khuyết trong quá trình tổng hợp heme. Khiếm khuyết enzyme uroporhyrinogen decarboxylase (UROD) thuộc gan gây porphyria cutanea tarda dạng I (PCT I), trong khi khiếm khuyết ở dạng không thuộc gan của UROD lại gây ra PCT loại II (PCTII). PCT là dạng thường gặp nhất của porphyria. Không dạng porphyria nào gây ra bởi sự khiếm khuyết ở dạng house-keeping gene ALAS (ALAS1). Dạng porphyria thuộc gan thường gặp nhất là porphyria từng cơn cấp (acute intermitten porphyria, AIP), gây ra bởi sự khiếm khuyết enzyme porphobilinogen deaminase, PBG deaminase (hay còn gọi là hydroxymethylbilane synthase và rarely uroporphyrinogen I synthase).

Tất cả các dạng porphyrias đều làm bài tiết các sản phẩm thứ phát của quá trình sinh tổng hợp heme, vì vậy chúng làm nước tiểu có màu đỏ và răng chuyển sang màu đỏ nâu. Sự tích tụ các sản phẩm thứ phát này ở da làm da đặc biệt nhạy cảm với ánh nắng. Vì vậy da dễ bị loét và tạo sẹo xấu. Tóc phát triển quá mức (hypertrichosis) cũng là 1 triệu chứng của porphyrias dẫn đến lông mọc ở toàn bộ mặt và chi. Triệu chứng này có trong hội chứng Werewolf thường thấy ở nhiều bệnh nhân bị porphyria.

Porphyria

Enzyme khiếm khuyết

Triệu chứng điển hình

Erythroid Class

X-linked sideroblastic anemia, XLSA

δ-aminolevulinic acid synthase 2, ALAS2

Tích tụ sắt, gây tử vong nếu không được điều trị 

Congenital erythropoietic porphyria, CEP

uroporphyrinogen III cosynthase

Nhạy cảm với ánh sáng

Erythropoietic protoporphyria, EPP

ferrochelatase

Nhạy cảm với ánh sáng

Hepatic Class

ALA dehydratase deficient porphyria, ADP

ALA dehydratase còn gọi là porphobilinogen synthase

Bệnh thần kinh tạng

Acute intermittent porphyria, AIP

PBG deaminase: còn được gọi là hydroxymethylbilane synthase hay rarely uroporphyrinogen I synthase

Bệnh thần kinh tạng

Hereditary coproporphyria, HCP

coproporphyrinogen oxidase

Bệnh thần kinh tạng, nhạy cảm với ánh sáng ở 1 số trường hợp

Variegate porphyria, VP

protoporphyrinogen oxidase

Bệnh thần kinh tạng, nhạy cảm với ánh sáng ở 1 số trường hợp

Porphyria cutanea tarda loại I, PCT loại I, còn được gọi là sporadic type PCT

hepatic uroporphyrinogen decarboxylase

Nhạy cảm với ánh sáng

Porphyria cutanea tarda loại II, PCT loại II, còn được gọi là familial type PCT và hepatoerythropoietic porphyria, HEP

uroporphyrinogen decarboxylase ở mô ngoài gan.

Nhạy cảm với ánh sáng và bệnh thần kinh tạng ở 1 số trường hợp

 

 Sửa lần cuối ngày 8/9/2012 - www.docsachysinh.com  

 Hãy cùng nhau chung tay xây dựng cộng đồng Y sinh học của Việt Nam bằng tri thức khoa học!