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5. Hämoglobin Hb = Apoprotein (Globin) + prosthetische Gruppe (Häm) Häm besteht aus Protoporphyrin IX und Fe2+ Fe-Koordinationsstellen: 4x Häm, 1x Polypeptid (prox. His F8), 1x O2 Häm in hydrophober Bindungstasche His E7 stabilisiert mit H-Brücke O2-Bindung Es verhindert Oxidation von Hä...

5. Hämoglobin Hb = Apoprotein (Globin) + prosthetische Gruppe (Häm) Häm besteht aus Protoporphyrin IX und Fe2+ Fe-Koordinationsstellen: 4x Häm, 1x Polypeptid (prox. His F8), 1x O2 Häm in hydrophober Bindungstasche His E7 stabilisiert mit H-Brücke O2-Bindung Es verhindert Oxidation von Häm und Produktion von Sauerstoffradikalen Die Hb-Familie Je 1 Gen-Cluster für alpha und beta-Ketten - alpha-Cluster: alpha1 + 2 - beta-Cluster: epsilon, Ggamma, Agamma, delta, beta 21 Hb-Typen werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten exprimiert Hb Gene sind Resultate mehrerer Genduplikationen. Wozu benötigen wir verschiedene Varianten? —> HbF hat höhere Affinität für O2. O2 wird in der Plazenta vom mütterlichen HbA an das höheraffine, fetale HbF abgegeben. —> 2,3- BPG bindet weniger stark an HbF als an HbA (im zentralen Loch). Weil HbF = 2alpha und 2 gamma- Ketten. gamma-Kette —> beta-His143 wird zu Ser (His ist positiv geladen, Ser hingegen negativ) Konservierte AS in Hb und Mb —> As, die wichtig für die Erhaltung der Struktur sind. Sie können nicht verändert werden, ohne dass es zu Funktionsverlusten kommt. - Proximales His F8 (Hämbindung) - Distales His E7 (Stabilisiert O2) - Hydrophobe AS der Häm-Tasche (Stabile Hämbindung; Phe CD1, Val, Leu) - Verklammerung von F- & H-Helix (H-Brücke stabilisiert die Deoxy-Form: Tyr HC2) Funktionen 1. O2-Transport: Lunge —> Gewebe 2. CO2-Transport: Gewebe —> Lunge 3. H+-Transport: Gewebe —> Lunge 4. Pufferung 1. Sauerstofftransport —> Lunge zum Gewebe - 5 Liter Blutplasma binden 14 ml O2 - Herzzeitvolumen: 6-20 Liter Blut pro Minute - < 60 ml O2 pro min - Verbrauch des menschl. Körpers: 300-3500 ml O2 pro Minute —> Hb erhöht O2 Bindekapazität 70-fach —> 5 L Blut binden 1000 ml O2 Hämoglobin & Myoglobin - Hb: O2-Transport im Blut aller Wirbeltiere (außer Eisfisch), Hohe O2-Sätigung in der Lunge, erleichterte Abgabe im Gewebe - Mb: Sauerstoffspeicher im Muskel, intrazellulärer O2-Transport von der Zellmembran zu den Mitochondrien —> f. rote Farbe von Herz- und Skelettmuskel verantwortlich Sauerstoffbindekurve: Hb: sigmoid - Tetramer (2 alpha und 2 beta Ketten = 574 AS) - 64 kDa - 4 Häm Mb: hyperbol - Monomer (153 AS) - 17 kDa - 1 Häm —> Da Sauerstoff schlecht löslich in Blut ist, benötigt es Transporter. Hb und Mb besitzen ca. 25% Sequenzidentität, Ähnliche Sekundär- und Tertiärstruktur, 80% alpha-Helices. > Inneres: hydrophob (AS-Reste: Leu, Ile, Phe, Met, …)—> Einlagerung des hydrophoben Häm > Äußeres: vorwiegend hydrophil (AS: Glu, Asp, Lys, Arg, Asn, Gln) —> Löslichkeit Die beiden hydrophilen und geladenen Propionyl-Reste des Häms sind nach außen gerichtet. 22 Bindung von erstem O2 am schwersten —> dann immer leichtere Bindung der anderen O2 = O2-Bindung an die vier Untereinheiten ist kooperativ (durch Konformationsänderung = Verdrehung der Ketten um 15° —> Untereinheiten rücken näher zusammen, zentrales Loch wird im Oxy-Hb kleiner) Fe rutscht bei O2-Bindung (R) dann in Hämebene —> Drehung des Histidin F8 (prox. Histidin) um 8°. —> Bewegung der F-Helix; wird nachgezogen —> Hebelarm —> Interaktion mit der Hämgruppe Deoxy-Hb —> T tense Oxy-Hb —> R relaxed —> Kooperativität nur möglich bei mehreren Untereinheiten —> Kooperativität ist verantwortlich für sigmoide Bindungskurve Häm-Gruppe Protoporphyrinring IX —> Eisen bindet in der Mitte > Fe2+ - Ferro-Form, Häm > Fe3+ (oxidiert) - Ferri-Form, Hämin Aromatische Scheibe (planar) Konjugiertes System mit delokalisierten Elektronen Chromophore (rote Farbe des Blutes) Gruppen d. Häms: - Methyl (CH3) - 4 - Ethenyl / Vinyl (CH2CH3) - 2 - Proprionyl / Carboxyethyl (CH2CH2COO-) - 2 - 4 Pyrolringe (verbunden durch Methinbrücken) Insgesamt ist das Molekül hydrophob. Der hydrophile Teil konzentriert sich auf eine Seite: Propionylgruppe Fe Bindung an Protoporphyrin durch 4 Koordinationsstellen (=N-) HÄM hat 2 freie Koordinationsstellen: - 1.-4. Koordinationsstelle: Fe an Ring gebunden - 5. Koordinationsstelle: Protein (Hb oder Mb) —> proximaler Histidinrest der Globinkette (F8) - 6. Koordinationsstelle: O2 (H-Brücke mit distalen Histidin E7) -> Sauerstoff kann nur an Fe2+ binden -> CO2 bindet nicht an Häm! Es kann aber an Hämoglobin binden Distales His E7 stabilisiert die Oxy-Hb/Mb - Form. - es verhindert die Freisetzung von Superoxidanionen - es verhindert die Bildung von Met-Hb (Fe3+) Hb-Form Ox-Stufe d. Fe 6. Koordinationsstelle Farbe Deoxyhämoglobin 2+ leer blau-violett Oxyhämoglobin 2+ O2 —> oxygeniert hellrot Methämoglobin 3+ (oxidiert) H20 oder CN- gelb-braun CO-Hämoglobin 2+ CO kirschrot 23 CO und Häm CO bindet stärker an Häm als O2 (bindet 25 000 Mal stärker an freies Häm) Durch HisE7 entsteht ein forcierter Winkel, der die CO-Bindung schwächt, zudem stabilisiert es die O2-Bindung (CO bindet dann 200 Mal besser). CO erschwert die Abgabe von O2 - Bindung von CO an Hb erhöht Affinität von O2 für Hb. Bei 50% CO-Hb wird a. weniger O2 gebunden b. O2-Bindungskurve hyperbolisch (wie Myoglobin) c. P50 Wert sinkt d. O2 kann nicht mehr an Gewebe abgegeben werden e. Therapie: Gabe von reinem Sauerstoff 2,3-Bisphosphoglycerat (BPG) Normale Konzentration: 4,7 mM BPG: - sehr negativ geladen - Bildung aus 1,3-BPG als Seitenweg der Glykolyse (Bisphosphoglycerat-Mutase) - 1 BPG pro Hb- Tetramer (also pro vier Untereinheiten) - Bindestelle: zentrales Loch - = „Allosterischer Effektor“ (da er an anderer Stelle als der O2 bindet) - wird bei Oxygenierung herausgeworfen (Bindungsstelle wird zu klein) - springt bei Deoxygenierung in die Lücke und zwingt O2 zum Verlassen des Hb-Moleküls (erniedrigt Sauerstoffaffinität des Hb, leichtere Abgabe ans Gewebe) BPG macht im Deoxy-Hb Salzbrücken zu den positiv geladenen Seitenketten (Lys, His) der betaKetten und verklammert es durch diese zusätzlich —> dies stabilisiert die Deoxy/ T-Form. Erys: BPG erniedrigt O2-Affinität des Hbs —> leichtere Abgabe ans Gewebe —> Rechtsverschiebung der O2-Bindungskurve Blutkonserven: bei Lagerung steigt die O2-Affinität, da BPG zerfällt. Verhindert wird dies durch Zugabe von stabilen Analoga: Glukose, Inosin. Hypoxische Zustände: zB Obstruktion der Bronchialwege, Asthma, Emphysem, BPG-c kann auf 8 mM steigen. Höhenadaption: Kurzzeitiger Anstieg von BPG, dann erhöhte Bildung von Erys. Transport von H+ und CO2 durch Hb —> BOHR-Effekt - Stoffwechsel verursacht Anreicherung von H+ und CO2 im Gewebe - HbO2 + H+ + CO2 Hb-H+-CO2 + O2 Gewebe: höhere H+ und CO2-Konzentration verstärken O2-Abgabe —> Affinität sinkt (Rechtsverschiebung) Lunge: niedrigere H+ und CO2-C verstärken O2-Aufnahme —> Affinität erhöht (Linksverschiebung) Was ist die molekulare Basis des Bohr-Effekts? 24 1. Protonierung von beta-His146 Salzbrücke zu beta-Asp94 = 40% des Bohr-Effekts —> H+ sind allosterische Effektoren beta-His146 ist protoniert bei pK = 8,0 —> Höhere H+-c, Deoxy-Hb stabilisiert, pH geringer, Salzbrücke zu Asp94 > Bindung & Transport von CO2 N-terminale Aminogruppen können CO2 binden, CO2 bindet nicht an die Hämgruppe! R-NH2 + CO2 R-NH-COO- + H+ Carbamat = R-NH-COO- CO2-Bindung stabilisiert ebenfalls Deoxy-Hb (T) Form —> Freisetzung von O2 begünstigt —> CO2 ist ebenso ein allosterischer Effektor CO2 Transport vom Gewebe zur Lunge: - Allosterischer Effektor: Beeinflusst Affinität für Liganden obwohl er an anderer Stelle bindet. - 2,3-BPG erleichtert O2-Abgabe ans Gewebe, bindet und stabilisiert Deoxy-Hb durch Salzbrücken, wichtig für Höhenadaption, Normal: 4,7 mM, bei Hypoxie bis zu 8 mM Gewebe Lunge pCO2 = 46 mm Hg pO2 = 30-40 mm Hg pCO2 = 40 mm Hg pO2 = 100 mm Hg CO2-Transport im Plasma: - in physik. Lösung ca. 10% - als Bicarbonat Plasma ca. 50% CO2-Transport im Ery: - als Carbamino-Hb ca. 15% - als Bicarbonat ca. 25% 25 - Bohr-Effekt: beschreibt die Abhängigkeit zwischen der O2-Bindungsaffinität von Hämoglobin und dem Säuredruck der Umgebung (H+ und CO2). Der Bohr-Effekt und die kooperative Bindung von O2 machen Hb zum idealen Sauerstofftransporter. Bei sinkendem pH (Azidose), und steigendem CO2-Partialdruck sinkt die Bindungsaffinität von Hb und die Sauerstofffreisetzung wird begünstigt. Eine hohe CO2-c sorgt dabei für eine Verminderung des pH-Wertes und hat damit indirekten Einfluss. Niedriger pH —> stabilisiert Deoxy-Hb —> fördert O2-Abgabe > Salzbrücken zwischen protoniertem beta-his146 und beta-Asp94 > Rechtsverschiebung Erhöhtes CO2 stabilisiert Deoxy-Hb und fördert O2-Abgabe > Bildung von N- terminalen Carbamat > Rechtsverschiebung 6. Hämoglobinopathien - zählen zu den häufigsten Erbkrankheiten —> mehr als 1000 Genmutationen bekannt 1. Hb mit abweichender AS Sequenz (Protein) a) Met-Hb Bindung (HbM; Fe2+ —> Fe3+) b) Erhöhte O2-Affinität (meiste Variante) c) Erniedrigte O2-Affinität d) Instabilität e) Veränderte Löslichkeit: Aggregation 2. Verminderte Synthese einer Globin-Kette (Genexpression) a) Thalassämien a) Methämoglobinbildung (Hämiglobin, Ferrihämoglobin) > Normal: ca. 1% > Oxidiertes Eisen: Fe3+ —> braune Farbe > kann kein O2 mehr binden > Oxidativer Stress (Superoxidanion, H2O2) > Denaturierung der Proteinketten —> Aggregation —> Heinz’sche Innenkörper: Präzipitate aus denaturiertem Hb in Erythrozyten Auslöser: 1. Genetisch bedingt (Problem mit Met-Hb/Cytochrom b5 Reduktase, Glukose-6-Phosphat Dehydrogenase, Mutation: HbM) Enzymdefekte: Met-Hb Reduktase = Cytochrom b5 Reduktase > Autosomal rezessiv > Typ 1: Kein Enzym in Erys, blaue Hautfärbung > Typ 2: Kein Enzym im ganzen Körper —> Entwicklungsstörungen > Therapie: Ascorbinsäure, Riboflavin, Methylenblau Mutationen des Hb: HbM HbM Boston - Distales His E7 wird von Tyr E7 ersetzt. His - Fe Interaktion aufgehoben 26 HbM Iwate - Proximales His und Tyr F8 sind 5. u. 6. Ligand der Hämgruppe, (kein Platz für O2. 2. Erworben (Alimentär, Toxisch/Medikamentös) Auslöser: Nitrate (NO3-) & Nitrite (NO2-) —> Oxidationsmittel In Düngemittel, Trinkwasser bei Säuglingen - überlasten Enzyme Aromatische Nitro- und Aminoverbindungen … in Farbstoffen, Lokalanästhetika, Sonnenschutz, Klebstoff Einige Medikamente …Antibiotika, Antimalaria, Paracetamol Führt zu: Zyanose —> Kopfschmerzen, Dyspnoe, Schwindel, Benommenheit, Brustschmerzen —> Herzrasen, Koma, Azidose —> Tod (>70%) Reduktion (Antioxidatien): Erythrozyten enthalten Methämoglobinreduktase (Enzym zur Rückwandlung von Met-Hb) Met-Hb Reduktase = Cytochrom b5 Reduktase Prosthetische Gruppe: Häm & Flavin Benötigt NADH für Katalyse (Welches aus der Glykolyse hervorgeht) Fe3+-Reduktion durch Glutathion (GSH) GSH ist ein atypisches Tripeptid: Glu (E) - Cys (C) - Gly (G) > Amidbindung von Glu - Cys durch gamma-Carboxygruppe des Glu (nicht alpha) Reduktion von Met-Hb führt zu Bildung von GSSG (= Glutathion Disulfid) aus 2 Molekülen GSH via Cys Disulfidbrücken Therapie: - Absetzen von oxidierenden Substanzen - Methylenblau, Ascorbinsäure, Riboflavin - Glucose: Quelle für Produktion von NADH & NADPH - Bluttransfusion (bei schlimmen Fällen) Therapeutische Auslösung der Met-Hb-Bildung - Behandlung v. Cyanidvergiftungen (Met-Hb bindet CN- anstelle der Cytochrom C Oxidase) b-d) Pathologische Hb Mutationen > HbM > Mutationen des beta146His zerstören Bohr- Effekt & erhöht O2-Affinität > Mutationen in hydrophober Häm-Tasche erniedrigt O2-Affinität e) Sichelzellanämie - häufigste Hb-pathie - besonders häufig in Afrika - Autosomal rezessiv vererbt - Lebenserwartung: 40-50 Jahre bei optimaler Therapie Heterozygote: kaum Symptome Homozygote: breites Spektrum an schweren Symptomen 27 Symptome: Atemnot & Herzklopfen, Akute abdominale Schmerzen, Pneumonie, Priapismus, Milztumor, Ikterus, Hämaturie, Niereninsuffizienz, Knochennekrosen … Hämolytische Anämie (Blutarmut auf Grund v. Zerstörung d. Erys)—> Mikrothrombosen Pathomechanismus - Bildung von Sichelzellen im peripheren, venösen Bereich - Mehr Deoxy-Hb —> aggregiert und bildet Faserstrukturen —> Zerstörung d. Erys —> Hämolyse - Mutation in beta-Kette von Hb: beta6Glu —> Val (GAG —> GTG) - Sichelzellen sind weniger flexibel, die O2-Bindung ist dabei nicht gestört - Verstopfen Kapillaren unter Ausbildung von Mikrothrombosen Aggregation von deoxygeniertem HbS: 1. Bindung zwischen zwei HbS Tetrameren 2. Bildet Kettenmolekül aus vielen HbS-Molekülen —> Aggregation —> HbS Fasern (14 Ketten) 3. Erys mit HbS-Fasern haben veränderte Flusseigenschaften —> Aggregation d. Erys —> Mikrotrhombosen 4. Membran der Erys wird geschädigt: Hämolyse & Anämie —> HbSS (homozygot) wandert nicht weit in der Elektrophorese, da Glu6-Austausch zu Val zu einem Verlust der negativen Ladung führt. Mögliche biochemische Schutzmechanismen von HbAS gegen Malaria 1. Vermehrte Entfernung infizierter Zellen 2. Produktion von O2 Radikalen 3. Produktion von miRNAs (Inhibieren Translation von Parasiten mRNAs Therapie 1. Symptomatische Behandlung 2. Hydroxyurea (Zytostatikum, Vermehrte Bildung von HbF) 3. Stammzellentransplantation 4. Gentherapie 2a) Thalassämien Verminderte Synthese einer Globin-Kette (alpha oder beta) Auch Thalassämie verleiht realtiven Schutz gegen Malaria > beta-Thalassämie Über 200 versch. Mutationen bekannt Heterozygot (häufig symptomlos) Homozygot (Cooley’s Anämie) LE: 50-60 Jahre (ohne Therapie: Tod im Kindesalter) Keine oder weniger beta-Ketten alpha-Ketten alleine können keine Tetramere bilden —> freie alpha Ketten aggregieren —> binden an Ery-Membran und zerstören sie (Knochendeformation, Hämolytische Anämie, Hämolyse) Manifestation nach der Geburt wenn HbF durch HbA ersetzt wird Kompensation: Hereditäre Persistenz des HbF —> mildere Symptomatik 28 > alpha-Thalassämie Synthese der alpha- Ketten gestört Adult: HbH (beta-Tetramer) Fetus: HbBart (gamma-Tetramer) —> Keine Kooperativität, höhere Affinität, kein Bohreffekt, Instabil, verklumpt, Erys haben bizarre Form, kurze Lebensdauer, hämolytische Anämie Bis 2/4 mutante Allelen: asymptomatisch (da 4 alpha-Globin Allele existieren) 7. Eisenstoffwechsel —> Eisen ist ein essentielles Spurenelement 1. Einteilung des Körpereisens Resorption: 1-2mg/Tag —> Speicherung von 4mg im Plasma Einteilung Wo mg % Funktionseisen - Hämoglobin - Myoglobin - Enzymeisen > Hämenzyme > Cytochrome, Fe/S ZB Katalase, Met-Hb Reduktase, Cyt c Oxidase 2500-3000 mg 200-300 mg 350-400 mg 65% 8% ca.10% < 1% Gesamt 3500 - 4500 mg —> 45 - 60 / kg 29 2. Erythrozyten … haben keinen Zellkern (fehlende Genexpression), keine Mitochondrien (kein Citratzyklus, Atmungskette), kein ER (keine Glykosilierung, Sezernierung von Proteinen), keine Ribosomen … Energiegewinnung: aus anaerober Glykolyse & Pentosephosphatweg … Lebensdauer: 100-120 Tage —> Differenzierung von Blutzellen wird von Zytokinen gesteuert (EPO —> Erythropoese) Stammzelle —> Proerythroblast —> Makroblast —> Normoblast —> Retikulozyt — > Ery … Zellkernverlust ab Normoblast … Verlust des Retikulum/Ribosomen, Mitochondrien ab Retikulozyt DIfferenzierungszeit: 7-10 Tage Gesteigerte Erythropoese: - Blutverlust - Gabe von EPO - Absinken von pO2 im Gewebe mehr EPO im Plasma Mehr Retikulozyten im Blut EPO > Glykoprotein - produziert in der Niere > stimuliert durch O2-Mangel > Ohne EPO können keine Erys gebildet werden > EPO verhindert Apoptose von Vorläuferzellen > Doping 3. Aufnahme, Transport, Speicherung & Umsatz von Eisen a) Intestinale Resoption von EIsen > Orale Eisenaufnahme: ca 10 mg/Tag (davon werden 1 mg resorbiert) Fe2+: Fisch, Fleisch, Geflügel Fe3+: Gemüse, Hülsenfrüchte, Getreide, Nüsse (Nicht-Häm Eisen) —> Häm-Eisen (Fe2+) Aufnahme in Enterozyten: Heme Carrier Protein (HCP1) ua Freisetzung von Eisen aus Häm durch Hämoxygenase > Freisetzung im Magen > Reduktion: Fe3+ —> Fe2+ im MagenDarm Trakt Eintritt in Mucosazellen als Fe2+ 30 Reduktionsmittel fördern Resorption: Ascorbinsäure/Vit C Cystein-SH der Nahrung Ferrireduktase (Zellmembran) Resorption gehemmt: Oxalat (Kaffee, Tee) Phosphate (Eigelb) Calcium Polyphenole, Tannine (Wein) > Aufnahme über DMT1 Transporter (Cotransport mit H+) > Speicherung von Eisen als Ferritin Serum-Ferritin: Normal: 40-160 microgramm/l Erschöpfter Speicher: < 10 microgramm/l Überschüssiges Eisen: Nach 2-3 Tagen Desquamation der Darmepithelzellen (Mucosablock) - ca. 1 mg/Tag > Austritt in Kapillaren der Blutbahn Mobilferrin (Transport) IREG 1/Ferroportin (FPN) Hephaestin (oxidiert Fe2+) Ferritin als Speicher > Übergabe von Fe3+ an Transferrin im Blutplasma (beta-Globulin) —> Fe3+ bevorzugt zu Fe2+; Oxidation von Fe2+ zu Fe3+ verursacht Bildung von ROS —> Freisetzung aus Ferritin, Fe3+ —> Fe2+ durch Ferritin- Reduktase —> Ferritinspeicherung, Fe2+ zu Fe3+: Ferrioxidase I = Caeruloplasmin = Homolog zu Hephaestin b) Eisenausscheidung 1 mg/Tag über Darmepithel, Hautzellen, Urin, Galle, Schweiß …kann nicht gesteigert werden. Nur Resorption kann angepasst werden (mittels Hepcidin = Peptidhormon aus der Leber - bindet an Ferroportin und reduziert Eisenaufnahme) … Effizienz der Resoprtion hängt von Eisenvorräten im Körper ab (Normal: 10-15%) bei der Menstruation: 15-30 mg / Monat 30-60 ml Blut Schwangerschaft: Eisenverlust bei Entbindung: Kind (300mg) + Placenta (100mg) + Blut (150mg) = 550 mg Bedarf: - Männer: 1 mg/Tag - Frauen (menstruierend): 2 mg/Tag - Frauen (Schwangerschaft): 2-3 mg/Tag +1 für Geburt und Kind = 3-4 mg Eisen/Tag c) Eisenmangel 31 Häufigster Mangelzustand: Verursacht durch Nahrungszufuhr, Resorption von Eisen, erhöhter Verlust durch Blutungen. Diagnostik: MCH - Mean Corpuscular Hemoglobin Hk - Anteil der Erys am Blutvolumen MCV - Mean Corpuscular Volume MCHC - Mean Corpuscular Hb Concentration Serum- Eisen Transferrin Transferrinbeladung Serumferritin —> mikrozytäre, hypochrome Eisenmangel- Anämie (Erys klein, zentrale Hb-arme blasse Zone) Eisenverlust: Biochemische und morphologische Veränderungen 1 Depletion der Eisenspeicher in Leber und Knochenmark 2 Serum-Ferritin sinkt ab 3 Hb sinkt —> Veränderung der Erys 4 Konzentration von Serum-Transferrin steigt —> Körper versucht mehr Eisen vom Blut in Zellen zu bringen 5 Sättigung des Transferrins sinkt: normal 21-50% 6 Depletion von eisenhaltigen Enzymen: Enzyme funktionieren nicht mehr richtig. Auch zum Einbau von Zink in Häm. KLINIK: Eisenmangelanämie Diagnose: Mikrozytose, Hypochromie, Fehlendes Speichereisen, Sehr niedriges Serumferritin, Erhöhtes Serum-Transferrin, Erniedrigte Transferrin- Beladung ( Apoferritin: 24 Untereinheiten à 20 kDa gesamt 480 kDa > bindet 4500 Atome Fe3+, Eisen hat etwa 25% Gewichtsanteil > Oxidation von Fe2+ zu Fe3+ durch Ferrioxidase I / Caeruloplasmin > Fe3+ freigesetzt durch Ferritin-Reduktase: Reduktion 3+ —> Fe2+ Transferrin: Blutplasmaprotein & Transport > Glykoprotein des Blutplasmas (beta1-Globulin) > M = 78 kDa > 200-300 mg/100ml Plasma > Transferrineisen: 70-180 mikrogramm/100ml Plasma > Nur teilweise beladen; 21—50% im Normalfall (Bindungsapazität: bis 360 mikorgramm) > Bindung von 2 Fe3+ und 3 HCO3- > 70-80% des Transferrineisens gehen an die roten Blutzellen 32 > Eisenaufnahme durch Transferrin-Rezeptoren Transferrin-Zyklus Regulation der Eisenhomöostase Feedback-Mechanismus: - Eisenkonzentration beeinflusst Translation von mRNAs - bei niedrigem Eisen verliert Aconitase Fe —> IRP1 (Iron Regulatory Protein 1) - IRP1 bindet an Iron Response Elements (IRE) und stabilisiert mRNAs von a) Transferrin Rezeptor (TfR) und b) DMT1 - IRP1 bindet an Iron Response Elements (IRE) und verhindert Translation von a) Ferritin und b) ALA Synthase (für die Häm-Synthese) Hämosiderose (=vermehrte Eisenablagerung - v.a. im Leberparenchym) Ursachen: Alkoholbedingte Leberzirrhosen, häufige Bluttransfusionen und dadurch Eisenüberversorgung. —> Hämosiderin: Speicher nach Anfüllen von Ferritinspeichern - Hämosiderin = abgebautes Ferritin; unlöslich/aggregiert - Assoziiert mit Zellbestandteilen (Lipide, Nukleotide) - Bis zu 33% Eisen als Eisenhydroxid (Fe(OH)3) - Kommt nur intrazellulär vor, v.a. in Makrophagen Hämochromatose - Genetische Krankheit - Defekt im HFE-Gen 33 - Autosomal-rezessiv (ca. 10% d. Nordeuropäer sind heterozygot, Homozygot: 25% haben manifestierte Hämochromatose) - HFE Protein reguliert Eisenaufnahme durch Bindung an den Transferrin Rezeptor Das überschüssige Eisen wird dann abgelagert in: —> Leber, Pankreas, Herzmuskel (Myokard), Haut, Gelenke Führt zu Leberzirrhose, Diabetes, Schäden am Myocard und Hoden Therapie: Ernährung anpassen, Aderlässe +++ > Transport durch Mobilferrin (Fe2+) & Austritt in Blut durch Ferroportin > Oxidation durch Hepheastin von Fe2+ zu Fe3+ > Transport im Blut durch Transferrin (Fe3+) —> bindet max. 2 Fe3+, Aufnahme via Transferrin Rezeptor (wird recycled) > Speicherung als Fe3+-Ferritin im Darmepithel/Blut (bis zu 4500 Atome Fe3+) > Zusätzlicher Speicher: Hämosiderin (abgebautes, aggregiertes Ferritin) 34 Zusammenfassung 1. Eisen im Körper: ca. 70% Hb/Mb ca. 10% Enzyme ca. 20% Speichereisen < 1% Transporteisen 2. Aufnahme von Eisen kann reguliert werden: —> Feedback: wenig Eisen —> +DMT1, +TfR, -Ferritin, -ALA Synthase (Hämsythese) 3. Bedarf: Männer 1 mg/Tag, Frauen 2-3 mg/Tag (bzw. 4-5 mg bei Schwangerschaft) 4. Ausscheidung: ca. 1 mg/Tag, kann nicht gesteigert werden 5. Eisen wird resorbiert 6. Eisenaufnahme vom Lumen als Fe2+ über DMT1 oder als Häm über HCP1 und Fe2+- Freisetzung durch Hämoxygenase. 4. Häm: Anabolismus & Catabolismus EXKURS: Hämsynthese - 70% Körpereisen in Hämgruppe des Hb und Mb - Synthese hauptsächlich in Erythroblasten und Retikulozyten - Synthetisiert in Mitochondrien und im Zytosol - ALA Synthase katalysiert ersten Schritt der Häm-Synthese (Feedback-Mechanismus: Transkription stimuliert von EPO, Translation reguliert durch IRP1) —> Blei inhibiert ALA Synthase Exkurs: Bleivergiftung: - Quellen von Blei: Wasserrohre, Keramikglasur, Nahrung (Muscheln, Pilze), Tabakrauch - Führt zu Blutarmut und Enzephalopathie und neurologische Schäden Hämabbau - Abbau der Erys in Milz, Knochenmark und Leber - Globin: Proteinabbau - Wiederverwendung der AS - Hämkatabolismus - Wiederverwertung des Eisens (ca. 20 mg Eisen/Tag) - Abbau des hydrphoben Häm-Gerüsts —> Mobilisierung des Eisens rotes Häm —(Hämoxygenase)—> Biliverdin + CO + Fe2+ Biliverdin —(Biliverdinreduktase)—> gelbes Bilirubin (reduziert Methingruppe zu Methylen) - Bilirubin wird an Albumin gebunden und zur Leber transportiert - in der Leber (ER) —> UDP- Glucuronyltransferase: Verestert Proprionsäureketten mit Glucuronsäure: Bilirubin-Diglucuronid = konjugiertes/direktes Bilirubin - Konjugation mit Glucuronsäure macht Bilirubin wasserlöslich - Ausscheidung in die Galle durch aktiven Transport (Multispezifischer organischer Anionentransporter) - Weiterer Abbau im Darm (Urobilin —> Stercobilin) - Teil geht über enterohepatischen Kreislauf in die Niere 35 5. Krankheiten Hyperbilirubinämie: Ikterus bei über 2 mg/100ml —> Übertritt von Bilirubin ins Gewebe —> Gelbfärbung der Haut, Skleren (Lederhaut) a) Prähepatischen Ikterus (v.a. bei Hämolyse —> vermehrt indirektes Bilirubin) > Sichelzellenanämie, Thalassämie, G6PD-Mangel, Morbus haemolyticus neonatorum (Rhesus-Faktor: Mutter Rh- und Kind Rh+) b) Intrahepatischen Ikterus (Lebererkrankungen —> beide Arten, Leberenzyme erhöht) c) Posthepatischen Ikterus (Gallengangverschluss, Gallensteine —> konjugiertes Bilirubin) Eisenmangelanämie > Mikrozytäre und hypochrome Anämie, kein Speichereisen, -Serumferritin, +Transferrin, Transferrinsättigung niedrig Hämosiderose > Eisenablagerungen (Hämosiderin) durch Überversorgung Hämochromatose > Genetischer Defekt im HFE-Gen > Vermehrte Aufnahme von Eisen via Transferrin Rezeptor > Ablagerung in Leber, Pankreas, Myokard, Haut, Gelenken 8. Blutgerinnung Gleichgewicht: Blutgerinnung (Abdichtung von Gefäßverletzungen, Thrombosen, Infarkte) und Fibrinolyse (Auflösen von Blutgerinnseln, Hämorrhagische Diathese = Blutungsneigung) Hämorrhagische Diathese - Ursachen: > vaskulär: Vit-C-Mangel (vermindert Kollagensynthese) > zellulär: Thrombozytopenie (zB bei Leukämie) > plasmatisch: Mangel an Gerinnungsfaktoren (ua. Faktor VIII), Vit K Mangel Blutstillung - 4 Phasen 1) Vaskuläre Phase —> Vasokonstriktion 2) Zelluläre Phase —> Aggregation der Thrombozyten 3) frühe plasmatische Phase —> Blutgerinnung 4) späte plasmatische Phase —> Fibrinolyse Phasen entsprechen Mechanismen, die gleichzeitig nebeneinander ablaufen. 1) Vasokonstriktion - Kontraktion der glatten Muskelzellen (verletztes Gefäß) - Auslöser: Freisetzung vasokonstriktorischer Substanzen (Serotonin & Thromboxana A2) Serotonin — aktivierte Thrombozyten Thromboxan TxA2 — aktivierte Thrombozyten, verletzte Endothelzellen Noradrenalin — sympathische Nervenendigungen 36 - Folge: Verlangsamung des Blutstroms - Dauer: nur kurzzeitig (1-2 min), rascher Abbau Synthese von Thromboxan: aus Eicosanoiden (= mehrfach ungesättigte C20 Fettsäuren) —> ua. Arachidonsäure —> 1. Abspaltung von Arachidonsäure (durch Phospholipase A2) —> 2. Bld. zyklisches Peroxid Dioxygenase katalysiert 2 Reaktionen: COX = zyklisches Endoperoxid und Hydroperoxid —> 3. Reduktion COX: 2 enzymatische Aktivitäten: Dioxygenase & Peroxidase (Reduktion von Peroxid durch Verbrauch von Glutathion) —> 4. Bld. Prostanoide ! Trotz gleichen Entstehungsmechanismus haben Prostanoide unterschiedliche Wirkungen. zB wirken Prostacyclin und Thromboxan gegensätzlich. (vasodilatativ und -konstriktiv) ! Oxidation durch COX ist ein wichtiger Regulationsschritt der medikamentös von großer Bedeutung ist. —> nicht steroidale Entzündungshemmer (Aspirin) und steroidale Entzünungshemmer (Cortisol) —> Reversible Kompetition um Bindung an COX Substratbindungsstelle: Serin- und Argininrest nicht-steroidal: wirken direkt auf COX steroidal: indirekt über negative und positive Regulation der Gen-Expression von COX / Lipocortin ! ASS wird auf Serin-Rest in COX übertragen —> irreversibel Hemmung. Thrombose-Prophylaxe durch Langzeit-Therapie mit ASS *Thrombose-Prophylaxe durch Langzeit- Therapie mit ASS Cortisol (steroidal) hemmt die Genexpression von COX stimuliert Genexpression von Lipocortin = Inhibitor von PLA2 (Phospholipase A2) 2) Zelluläre Phase Thrombozyten: Entstehung aus Megakaryozyten —> kein Zellkern, LD: 8-10 Tage Granula: Serotonin, TxA2, ADP Membranrezeptoren: > Matrixproteine (Kollagen) > Sekretproteine des Endothels (vWF) > Gerinnungsfaktoren (Thrombin, Fibrinogen) > TxA2 37 Aktivierung erfolgt in 3 Stufen 1) Adhäsion - Ablagerung an subendothelialer Matrix 2) Formänderung - Ausbildung von Fortsätzen (Pseudopodien) 3) Aggregation - Verknüpfung von Thrombozyten über Pseudopodien Die Adhäsion an Kollagen erfolgt mittels Rezeptoren. TxA2 aus aktivierten Thrombozyten und Endothel bewirken Formänderung (Pseudopodienformierung). Aggregat noch reversibel, da Fibrinogen noch nicht aktiviert. Erst durch Blutgerinnungskaskade wird Fibrinogen zu Fibrin. Quervernetzung von Fibrin führt zu irreversiblen Aggregat —> weißer Thrombus 4) Frühe Plasmatische Phase - viele Gerinnungsfaktoren sind Serin-Proteasen - Bildung als inaktive Vorstufe = Zymogene - Aktivierung nacheinander = Kaskade durch limitierte Proteolyse - Ziel: Umformung von Fibrinogen (löslich) zu Fibrin (unlöslich) = roter Thrombus 2 Aktivierungswege: Extrinsisches / Exogenes System Intrinsisches / Endogenes System Gewebefaktor-Weg - Verletzung des Bindegewebes der Gefäßwand - Freilegen des Gewebefaktors = Thromboplastin - Schnell Kontaktfaktor-Weg - Verletzung des Endothels auf der Gefäßwand - Kontaktfaktor = negative Ladungen auf Strukturproteinen - Langsam 38 —> Faktor II (Prothrombin) —> Thrombin Faktor I (Fibrinogen) —> Fibrin —> Vernetzung (Fibrinpolymer) - Gerinnungskaskade erfolgt über 2 Aktivierungswege: Gewebefaktorweg (über Thromboplastin) und Kontaktweg (über exponierte negative Ladungen) - Beide Wege münden gemeinsam in der proteolytischen Aktivierung von Faktor X - Faktor X spaltet Prothrombin zu Thrombin - Thrombin spaltet Fibrinogen zu Fibrin - Thrombin katalysiert außerdem seine eigene Aktivierung über Spaltung vorgeschalteter Gerinnungsfaktoren Ca2+ (Faktor IV) wird für Aktivierung benötigt > IX > X > VII > Prothrombin —> verankert Faktoren an Plasmamembran —> an Phospholipid (Phospatidyl-Serin) in Membranfragmenten Die Gerinnungsfaktoren sind gamma-carboxyliert ___________________________ unspezifisch / spezifisch a) spezifisch Bindegewebe —> Protein-Protein-Wechselwirkung (Thromboplastin, III) spaltet… VII —> VIIa X* —> Xa Thrombin Fibrinogen I —> Fibrin (Vernetzung) b) unspezifisch Subendotheliale Matrix, Kontakt-Aktivierung, negative Ladungen XII* —> XIIa (*Hagemann-Faktor) XI —> XIa IX —> IXa Xa Thrombin Fibrinogen I —> Fibrin (Vernetzung) ** VIIa aktiviert zusätzlich XIa ***Thrombin sorgt für > Autokatalyse von VIIIa > V —> Va > XIII —> XIIIa (für Fibrinvernetzung) > Thrombozytenaktivierung Fibrinmonomer —> (ionische Verknüpfung)—> Fibrinaggregat —> Vernetzung durch XIII —> Fibrinpolymer —>… Fibrinolyse durch Plasminogen —> Plasmin - Plasmin ist eine Protease - Die Aktivierung von Plasmin ist an die Fibrin-Bildung gekoppelt tPA — tissue plasminogen activator uPA — Urokinase > Durch die Spaltung von V und VIII verhindert Plasmin die weitere Blutgerinnung (Inaktivierung durch Proteolyse bzw. neg. Rückkopplung) > Neg. Rückkopplung: Fibrin aktiviert tPA, welcher Plasminogen spaltet. uPA wird durch Gewebeverletzungen aktiviert > Serinproteasen-Inhibitor Antithrombin (AT) - hohe Aktivität für aktivierte Gerinnungsfaktoren (Proteasen) Antithrombin: = ein Serpin = Serin-Proteasen-Inhibitor durch Bindung mit Heparin wird die Wirkung aufs 1000-fache gesteigert (Lysin an Sulfat) Enzym Art Aktivität tPA Serinprotease 1. Einwanderung in Thrombus mit Plasminogen 2. Analgerung an Fibrin > Aktivitätssteigerung = negative Rückkopplung der Blutgerinnung uPA Serinprotease - als Monomer kaum aktiv - Gefäßverletzung > Dimerisierung + Aktivierung = negative Rückkopplung der Blutgerinnung Streptokinase bakterielles Protein ohne Enzymaktivität (keine Kinase) 1. Anlagerung an Plasminogen > Aktivierung 2. keine Bindung an Fibrin nötig > entkoppelt von Fibrinbildung 40 Heparin: ein Polyanion der Mastzelle aus Glucuronsäure und Glucosamin intrazelluläres Glykosaminoglykan (Mastzellen, Schleimhaut, Respirationstrakt) bindet Histamin in Granula kein physiologischer Regulator des Gerinnungssystems Heparansulfat: extrazelluläres GAG (Matrix von Gefäßbindegewebe), Grad der Sulfatisierung - Blutgerinnungssystem wird durch limitierte Proteolyse aktiviert - Signalwege stehen über positive und negative Rückkopplungsmechanismen in Verbindung - Diese dienen einer schnellen Aktivierung sowie der Feinregulation um Überschussreaktionen zu vermeiden - Informationsfluss erfolgt über ein Mehrstufenverstärkerprinzip