Hemochromatóza. Hlavní autor a editor: Prof. MUDr. Jiří Horák, CSc.

Transkript

1

2

3

4 Hemochromatóza Hlavní autor a editor: Prof. MUDr. Jiří Horák, CSc. Autoři v abecedním pořadí: MUDr. Markéta Dostalíková, PhD., MUDr. Miluše Hendrichová, prof. MUDr. Jiří Horák, CSc., prof. MUDr. Ladislav Chrobák, CSc., prof. RNDr. Jan Kovář, DrSc., doc. MUDr. Pavel Kraml, PhD., MUDr. Karolina Krátká, RNDr. Jitka Neubauerová, RNDr. Ivana Půtová, doc. MUDr. Jaroslav Stránský, CSc., MUDr. Jan Stříteský, CSc. Recenze: Prof. MUDr. Jiří Ehrmann, CSc. MUDr. Libuše Husová, Ph.D. Grada Publishing, a.s., 2010 Cover Design Grada Publishing, a.s., 2010 Vydala Grada Publishing, a.s. U Průhonu 22, Praha 7 jako svou publikaci Odpovědný redaktor Mgr. Luděk Neužil Sazba a zlom Jan Šístek Obrázky dodali autoři. Počet stran stran barevné přílohy 1. vydání, Praha 2010 Vytiskla tiskárna PROTISK, s.r.o., České Budějovice Autoři děkují za významnou finanční podporu při vydání publikace Nadačnímu fondu České hepatologické společnosti. Publikace vznikla s podporou výzkumného záměru 3. lékařské fakulty Univerzity Karlovy č. MSM Prevence, diagnostika a terapie diabetes mellitus, metabolických a endokrinních postižení organismu. Publikaci doporučuje časopis Postgraduální medicína. Názvy produktů, firem apod. použité v této knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků, což není zvláštním způsobem vyznačeno. Postupy a příklady v knize, rovněž tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlepším vědomím autorů. Z jejich praktického uplatnění ale nevyplývají pro autory ani pro nakladatelství žádné právní důsledky. Všechna práva vyhrazena. Tato kniha ani její část nesmějí být žádným způsobem reprodukovány, ukládány či rozšiřovány bez písemného souhlasu nakladatelství. ISBN

5 Obsah Obsah Seznam autorů Metabolismus železa (Jiří Horák) Biologický význam a fyziologické funkce železa (Jan Kovář) Chemické vlastnosti železa a jejich biologický význam Železo vázající molekuly v organismu Fyziologické funkce železa v organismu Intracelulární metabolismus železa Železo jako regulační faktor Příjem železa potravou a jeho ztráty z organismu (Jiří Horák) Intestinální absorpce železa (Jitka Neubauerová, Jan Kovář) Absorpce nehemového železa Absorpce hemového železa Transport železa k orgánům a do buněk (Jitka Neubauerová, Jan Kovář) Transport železa v organismu Transport transferinového železa do buněk Transport netransferinového železa do buněk Regulace množství železa v organismu (Jan Kovář, Jitka Neubauerová) Mechanismy regulace množství železa v organismu Systém IRP/IRE a regulace množství železa v buňce Hepcidin a homeostáza železa v organismu Poruchy metabolismu železa (Jiří Horák) Geneticky podmíněné poruchy metabolismu železa (Markéta Dostalíková) Hemochromatóza

6 Hemochromatóza Další genetické poruchy metabolismu železa Sekundární akumulace železa (Jiří Horák) Orgánové důsledky akumulace železa (Jiří Horák) Játra Pankreas Srdce Endokrinní systém Klouby Ostatní orgány Epidemiologie genetické hemochromatózy (Markéta Dostalíková) Věk a pohlaví Výskyt mutací v HFE genu Původ mutací Klinické projevy genetické hemochromatózy (Jiří Horák) Diagnostika genetické hemochromatózy (Jiří Horák) Biochemické vyšetření (Jiří Horák) Molekulárně-biologická diagnostika (Markéta Dostalíková, Ivana Půtová) Zobrazovací metody (Jiří Horák) Indikace k jaterní biopsii (Jiří Horák) Histologická diagnostika genetické hemochromatózy (Jan Stříteský) Jaterní funkce u hemochromatózy (Miluše Hendrichová) Klinické nálezy (Jiří Horák) Screening genetické hemochromatózy (Markéta Dostalíková) Terapie genetické hemochromatózy (Jiří Horák)

7 Obsah 9 Metabolismus železa u jaterních chorob (Jiří Horák) Poškození jater alkoholem (Jiří Horák) Jaterní steatóza a nealkoholová steatohepatitida (Jiří Horák) Chronické virové hepatitidy (Jaroslav Stránský, Jiří Horák) Pozdní kožní porfyrie (Karolina Krátká) Metabolismus železa u mimojaterních chorob (Jiří Horák) Anémie z nedostatku železa (Ladislav Chrobák) Autoimunitní systémová revmatická onemocnění a hemochromatóza (Ivana Půtová) Autoimunita Autoimunitní systémová onemocnění Autoimunitní systémová onemocnění a výskyt autoprotilátek Autoimunitní systémová onemocnění a mutace v genu HFE Autoimunitní systémová onemocnění a asociace s HLA Hemochromatóza a asociace s HLA Železo a ateroskleróza (Pavel Kraml) Seznam použitých zkratek Literatura Rejstřík

8 Hemochromatóza Seznam autorů Hlavní autor a editor: Prof. MUDr. Jiří Horák, CSc. I. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha Autoři v abecedním pořadí: MUDr. Markéta Dostalíková, PhD. Ústav biochemie, buněčné a molekulární biologie 3. LF UK, Praha MUDr. Miluše Hendrichová I. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha Prof. MUDr. Jiří Horák, CSc. I. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha Prof. MUDr. Ladislav Chrobák, CSc. II. interní klinika FN, Hradec Králové Prof. RNDr. Jan Kovář, DrSc. Ústav biochemie, buněčné a molekulární biologie 3. LF UK, Praha Doc. MUDr. Pavel Kraml, PhD. II. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha MUDr. Karolina Krátká I. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha RNDr. Jitka Neubauerová Ústav biochemie, buněčné a molekulární biologie 3. LF UK, Praha RNDr. Ivana Půtová Ústav biochemie, buněčné a molekulární biologie 3. LF UK, Praha Doc. MUDr. Jaroslav Stránský, CSc. I. interní klinika 3. LF UK a FNKV, Praha MUDr. Jan Stříteský, CSc. Ústav patologie a 1. LF UK a VFN, Praha 8

9 Metabolismus železa 1 1 Metabolismus železa Jiří Horák Železo se tradičně řadí mezi stopové prvky nezbytné k životu. V organismu savců je železo součástí řady sloučenin, které zajišťují klíčové fyziologické funkce, jako je buněčné dýchání, přenos kyslíku k tkáním, syntézu DNA aj. (viz kap. 1.1). Nejznámější a kvantitativně nejvýznamnější látkou obsahující železo je hemoglobin, nutno ale zmínit také myoglobin, tkáňové enzymy a plazmatický transferin. Tělo zdravého dospělého člověka obsahuje asi mg železa na kilogram hmotnosti, celkem tedy přibližně 3,5 4 g železa. V erytrocytech je obsaženo kolem 1800 mg železa, v kostní dřeni asi 300 mg, v makrofázích přibližně 600 mg a na transferinu jsou navázány asi 3 mg železa [288]. Kolem 400 mg je vázáno v různých bílkovinách obsahujících železo a v zásobní formě je uloženo asi 1000 mg železa, z toho je v játrech jako feritin či hemosiderin uloženo přibližně 400 mg. Toto zásobní železo se může v případě potřeby mobilizovat a být znovu fyziologicky využito. Pokud množství zásobního železa klesne pod 1 gram, zvýší se vstřebávání železa z potravy až do doby, kdy je zásobní železo doplněno. Asi 98 % jaterního železa se nachází v hepatocytech a zbytek převážně v Kupfferových buňkách; ty ovšem mohou za určitých okolností železo významně akumulovat. V játrech je také syntetizována naprostá většina transferinu, ceruloplazminu, feritinu, hepcidinu, hemopexinu a haptoglobinu, tedy proteinů významně se podílejících na transportu, regulaci metabolismu a uchovávání železa. Ačkoliv je ceruloplazmin hlavní měď-přenášející bílkovinou krevní plazmy, jeho nejdůležitější úlohou je zřejmě usnadnění výstupu železa z buněk. Při intravaskulární hemolýze pak uvolněný hemoglobin v plazmě váže haptoglobin a podobně hemopexin váže hem. Vzniklé komplexy z plazmy rychle mizí. V játrech jsou také významně exprimovány proteiny regulující metabolismus železa, jako je hepcidin, HFE protein a transferinový receptor 2 [15]. Kromě hepatocytů hrají významnou roli v metabolismu železa i Kupfferovy buňky. Ty jsou součástí retikuloendotelového systému, fagocytují tedy stárnoucí erytrocyty a uvolňují z nich železo do krevní plazmy. V játrech zaniká asi % erytrocytů. Při nadměrné akumulaci 9

10 1 Hemochromatóza železa mohou Kupfferovy buňky železo hromadit, což cestou produkce cytokinů vede k aktivaci hvězdicovitých buněk a jaterní fibróze. Železo se do jater dostává převážně pomocí transferinu, avšak je-li transportní kapacita transferinu za patologických okolností saturována, může se významným zdrojem železa pro játra stát také železo nevázané na transferin (non-transferin-bound iron NTBI). Játra jsou také schopna získávat železo z cirkulujícího hemoglobinu, hemu a feritinu. Železo vázané na transferin přechází do hepatocytů převážně pomocí transferinového receptoru 1 (TfR1). Komplex transferin-transferinový receptor 1 je mechanismem endocytózy přenášen do nitra hepatocytů. Vznikající vezikuly se mění na endosomy, které po okyselení protony-přenášející ATPázou uvolňují železo z vazby na transferin. Železo je současně redukováno z trojmocného na dvojmocné a přechází přes endosomální membránu do cytoplazmy. Hepatocyty exprimují několikrát více transferinových receptorů než neparenchymové buňky v játrech, jako jsou Kupfferovy, sinusoidální, endotelové nebo hvězdicovité buňky. TfR1 je různou měrou exprimován na všech jaderných buňkách v těle. Játra jsou schopna získávat železo také z hemu a hemoglobinu. Uvolněný hemoglobin je v krevní plazmě vázán na játry tvořenou bílkovinu haptoglobin a vzniklý komplex je vychytáván makrofágy mechanismem endocytózy. Při degradaci hemoglobino-haptoglobinového komplexu v lyzosomech se uvolňuje hem a různé štěpy globinu. Hem je následně degradován hemoxygenázou 1 na biliverdin, z něhož v dalším kroku vzniká bilirubin. Pokud dojde k rozštěpení hemoglobinu již v krevní plazmě, je uvolněný hem vázán na další v játrech vznikající protein hemopexin. Na povrchu hepatocytů, makrofágů i dalších buněk je exprimován receptor, který váže komplex hem-hemopexin. Celá struktura je následně internalizována zřejmě v lyzosomech; hem je katabolizován hemoxygenázou 1. Za normálních okolností jsou obě popsané cesty málo významné, avšak při intravaskulární hemolýze se mohou stát cestami dominantními. Dalším potenciálním zdrojem železa pro hepatocyty je feritin. Zatímco tkáňový feritin představuje hlavní zdroj zásobního železa, plazmatický feritin železo prakticky neobsahuje. Proto se plazmatický feritin za fyziologických okolností jako přenašeč železa neuplatňuje. Pokud však dojde k orgánovému poškození, může se tkáňový feritin dostat do cirkulace a je účinně vychytáván játry, zejména pak hepatocyty. Uvnitř hepatocytu může být feritin metabolizován nebo uložen pro pozdější potřebu. 10

11 Metabolismus železa 1 Intracelulární železo katalyzuje reakce vedoucí ke vzniku kyslíkových radikálů, a proto je koncentrace volného železa uvnitř hepatocytů udržována na velmi nízké úrovni. Naprostá většina železa je uložena ve vazbě na feritin. Feritin je velká bílkovina složená ze 24 podjednotek a vytváří dutinu, která může obsahovat až 4500 atomů železa. Za normálních okolností je hlavním faktorem ovlivňujícím syntézu feritinu železo, při zánětech však jeho syntézu stimulují také cytokiny. Degradace bílkovinné složky feritinu probíhá v sekundárních lyzosomech. Když se zásoby železa v játrech výrazně zvýší, začne se v hepatocytech objevovat další zásobní forma železa, a to hemosiderin. Hemosiderin je produktem proteolýzy feritinových agregátů a na rozdíl od feritinu je ve vodě nerozpustný. Vytváří amorfní ložiska obsahující polymery hydroxidu železitého a degradovaných bílkovin. Pokud vznikne nedostatek železa, exprimují hepatocyty více transferinových receptorů a více receptorů je také vystaveno na plazmatické membráně. Naopak v situacích s nadbytkem železa, jako je genetická hemochromatóza nebo sekundární hromadění železa, jsou transferinové receptory na hepatocytech prakticky neprokazatelné. Přitom Kupfferovy buňky mohou TfR1 exprimovat zvýšeně. Transferinový receptor 2 (TfR2) zajišťuje nízkoafinitní transport železa do hepatocytu. Afinita TfR2 k transferinu je asi 25násobně nižší než afinita TfR1. Na rozdíl od TfR1 je TfR2 prokazatelný pouze na několika typech buněk, na prvním místě na hepatocytech. Zatímco vstup železa do jater je popsán již do značných podrobností, obrácený proces je prozkoumán mnohem méně. Je dobře známo, že v případě potřeby se železo uložené v hepatocytech, ať již jako feritin nebo jako hemosiderin, může rychle uvolňovat. U zdravých zvířat mohou játra uvolnit asi 6 % zásobního železa za den. Další železo přechází do plazmy z Kupfferových buněk. Hlavní látkou transportující železo přes plazmatickou membránu hepatocytů je feroportin 1 (FP1). Feroportin je exprimován nejen hepatocyty a enterocyty, ale také Kupfferovými buňkami a většinou ostatních buněk v těle. Exprese feroportinu hepatocyty při akumulaci železa stoupá, což je ochranný mechanismus proti přetížení železem. Ve stejné situaci však v enterocytech exprese feroportinu klesá a s ní i jeho vstřebávání ze střeva. Exkrece železa žlučí je za fyziologických okolností velmi nízká, avšak při akumulaci železa se může zvyšovat. Ve žluči lze pak prokázat železo jak volné, tak vázané na feritin a transferin. Železo se dostává 11

12 1 Hemochromatóza do žluče z lyzosomů, které se hromadí při kanalikulární membráně hepatocytů. Hlavní cestou transportu železa v organismu je jednosměrný tok od plazmatického transferinu k předchůdcům erytrocytů, z erytrocytů k makrofágům a zpět k plazmatickému transferinu. Asi 80 % z množství železa procházejícího denně transferinovým kompartmentem směřuje k a z erytrocytů a jejich prekurzorů. Nezralé erytroidní buňky získávají železo z transferinu pomocí specifického transferinového receptoru lokalizovaného na plazmatické membráně. Tzv. HFE protein, který je produktem genu pro hemochromatózu, se váže na transferinový receptor a zřejmě ovlivňuje jeho afinitu k transferinu; přesný mechanismus jeho účinku však není dosud znám. Vzniklý komplex sestávající z transferinového receptoru, transferinu obsahujícího železo a patrně i HFE proteinu je internalizován uvnitř endosomu, který v důsledku acidifikace uvolňuje železo. To je transportováno přes endosomální membránu prostřednictvím transportéru pro divalentní kovy ( DMT1). Většina železa je využita pro syntézu hemoglobinu a vstupuje do cirkulace v erytrocytech, menší množství může být uloženo intracelulárně ve vazbě na feritin. Homeostáza železa v organismu je přesně regulována rovnováhou mezi procesy vstřebávání železa v enterocytech, transportem železa ve vazbě na transferin v krevní plazmě, utilizací a ukládáním železa v kostní dřeni, v játrech i dalších orgánech. Za fyziologických okolností je udržována přesná regulace činnosti buněk, které železo z potravy vstřebávají ( enterocyty v duodenu), železo spotřebovávají (zejména prekurzory erytrocytů) a železo skladují ( hepatocyty a tkáňové makrofágy). Při udržování homeostázy železa se uplatňuje celá řada transportních a regulačních proteinů a peptidů, z nichž klíčová úloha připadá hepcidinu (původně popsanému jako hepatic bactericidal protein HAMP) čili LEAP (liver-expressed antimicrobial peptide), neboť byl původně izolován z moči jako látka s antimikrobiálními vlastnostmi [217]. Hepcidin je syntetizován v játrech a v menší míře i v tukové tkáni a jeho syntéza se snižuje při anémii, hypoxémii a dalších stavech, kdy stoupá potřeba železa v tkáních. Za fyziologických okolností hepcidin reguluje absorpci železa. Při nadbytku železa v organismu stoupá syntéza hepcidinu, což má za následek snížené uvolňování železa z enterocytů a makrofágů vyvolané interakcí hepcidinu s feroportinem. Feroportin je transportní protein pro export železa lokalizovaný v bazolaterální membráně enterocytů 12

13 Metabolismus železa 1 a v membránách makrofágů. Feroportin tak můžeme označit jako hepcidinový receptor. Naopak ve stavu sideropenie klesá syntéza hepcidinu a enterocyty a makrofágy uvolňují více železa. Vrozený deficit hepcidinu je podkladem těžké formy juvenilní hemochromatózy. U nemocných s homozygotní formou HFE vyvolané hemochromatózy byla nalezena paradoxně snížená jaterní exprese i sérová koncentrace hepcidinu a je tedy možné, že HFE protein reguluje expresi hepcidinu. Mutovaný HFE protein snad potlačuje syntézu hepcidinu v játrech, což vede k nadměrnému uvolňování železa z enterocytů duodena a makrofágů. Podle této představy hraje tedy hepcidin klíčovou roli nejen při fyziologické regulaci metabolismu železa, ale i u hemochromatózy podmíněné HFE. Syntéza hepcidinu v játrech je ovšem ovlivňována i transferinovým receptorem 2 a hemojuvelinem, a také mutace genů pro tyto proteiny má za následek akumulaci železa s fenotypem hemochromatózy (viz kap. 2.1). Při těžších zánětech stoupá koncentrace hepcidinu v séru, feroportin je zablokován a klesá absorpce železa, což lze považovat za jistou ochranu proti bakteriálním infekcím. Nadbytek i nedostatek železa mají za následek závažná poškození organismu; zatímco nedostatek železa ( sideropenie) patří k nejrozšířenějším lidským chorobám vůbec, velmi závažné zdravotní důsledky má i nadbytek železa. U stavů s nadbytkem železa, typicky u genetické hemochromatózy, se železo hromadí zejména v játrech, která mohou obsahovat několik (výjimečně až 40) gramů železa. Protože tělo nemá k dispozici účinný způsob jak se zbavit nadbytečného železa, je základním homeostatickým mechanismem v metabolismu železa přesná regulace jeho vstřebávání. Nemocní s velkým nadbytkem železa sice také více železa vylučují, to je ale zřejmě způsobeno ztrátou makrofágů s vysokým obsahem železa a ne cíleným regulačním mechanismem. V důsledku objevu tzv. genu pro hemochromatózu (HFE gen) v roce 1996 [98] došlo k explozi poznatků o metabolismu železa za normálních i patologických okolností. Ukázalo se, že přesná regulace příjmu železa existuje již ve fetálním údobí, kdy placenta reguluje transport železa z těla matky k plodu [117]. Při udržování homeostázy železa se uplatňuje celá řada transportních a regulačních proteinů a peptidů, z nichž klíčová úloha připadá hepcidinu. Z méně významných faktorů ovlivňujících metabolismus železa je nutno zmínit polymorfismus haptoglobinu. U zdravých mužů, nikoliv však u žen, je genotyp Hp 2-2 sdružen s vyšší koncentrací železa a feritinu v séru a s vyšší saturací transferinu než genotypy 1-1 a 2-1. Polymorfismus haptoglobinu tak může ovlivňovat průběh chorob 13

14 1 Hemochromatóza s poruchou metabolismu železa, jako je genetická hemochromatóza, infekce a ateroskleróza [80]. Železo přicházející do těla s potravou je převážně v trojmocné formě a před absorpcí musí být nejprve redukováno na formu dvojmocnou. Téměř veškeré vstřebávání železa z potravy probíhá v duodenu. Ferireduktázovou aktivitu v kartáčovém lemu duodenální sliznice vykazuje duodenální cytochrom b ( Dcytb). V dalším kroku přenáší železo do nitra enterocytu divalentní transportér kovů 1 ( DMT1). Mutace v genu DMT1 mají za následek poruchu vstřebávání železa, sideropenii a mikrocytární anémii. Exprese Dcytb i DMT1 je závislá na koncentraci železa v enterocytech. V enterocytu může být železo dočasně uloženo v podobě feritinu nebo transportováno dále do krevní plazmy. Železo uložené v enterocytu jako feritin může být z organismu ztraceno, když se buňka odloupne do střevního lumina. Transport železa enterocytem není zcela objasněn. V dalším kroku je železo exportováno přes bazolaterální membránu pomocí bílkoviny Ireg1 (iron-regulated transporter-1 feroportin) a poté je navázáno na transferin; zde hraje významnou úlohu transferinový receptor 2 (TfR2). Feroportin se nachází také v tkáňových makrofázích, jako jsou Kupfferovy buňky v játrech a makrofágy kostní dřeně a sleziny. Feroportin slouží také jako exportér železa v cirkulujících fagocytech, které pohlcují stárnoucí erytrocyty. Koordinovaná exprese feroportinu v enterocytech a makrofázích má základní význam pro homeostázu železa. Před navázáním na transferin musí být dvojmocné železo oxidováno na trojmocné. Tento krok katalyzuje intracelulární bílkovina hefestin, která je strukturou podobná ceruloplazminu, vykazuje feroxidázovou aktivitu a stimuluje uvolňování železa z enterocytu. Transferin následně přenáší železo k jednotlivým orgánům a tkáním. Transferin existuje ve třech izoformách apotransferin, monoferický a diferický transferin. Všechny cirkulují v lidské plazmě a jejich poměr závisí na saturaci transferinu při vysoké saturaci stoupá zastoupení diferického transferinu a obráceně. Přesný mechanismus, kterým železo přechází na transferin, nebyl dosud objasněn. Je možné, že hefestin oxiduje železo v těsné blízkosti apotransferinu, který snad vstupuje do cytosolu, aby získal železo. Transferin denně dopraví k prekurzorům erytrocytů asi 20 mg železa a stejné množství je recyklováno makrofágy ze stárnoucích erytrocytů. Úloha HFE proteinu v regulaci metabolismu železa ani v patogenezi GH nebyla dosud uspokojivě vysvětlena. HFE protein není transportní molekula ani transkripční faktor, nýbrž produkt HLA genu I. třídy. 14

15 Metabolismus železa 1 V dalších kapitolách jsou popsány biologické funkce železa, jeho příjem potravou, absorpce, transport k orgánům a regulace jeho zásob. 1.1 Biologický význam a fyziologické funkce železa Jan Kovář Chemické vlastnosti železa a jejich biologický význam Železo má schopnost existovat za běžných podmínek ve dvou stabilních oxidačních stavech, a to jako Fe 2+ a Fe 3+. Atom železa se tak může účastnit oxidoredukčních (redoxních) reakcí spojených s přenosem jednoho elektronu. Redoxní potenciál Fe 3+ /Fe 2+ komplexně vázaného železa se výrazně mění v závislosti na charakteru vazby a ligandů. Tyto unikátní chemické vlastnosti umožňují železu hrát rozhodující úlohu v oxidoredukčních pochodech organismů [9, 180]. Redoxní potenciál železa může organismus na základě složení železo vázající molekuly ovlivnit tak, že vyhovuje potřebám příslušné oxidoredukční reakce. Uvádí se, že redoxní potenciál železa v organismech se pohybuje v rozmezí od +300 do -500 mv. Vzhledem k tomu, že v přírodě v podstatě neexistuje další běžný prvek s analogickými vlastnostmi, je úloha železa v organismech víceméně nezastupitelná. Dokonce se předpokládá, že již formování prvotního metabolismu při vzniku života je spojené s oxidoredukčními reakcemi, kterých se účastnily běžně dostupné sloučeniny železa. Železo ve formě Fe 2+ je běžně rozpustné ve vodě, přičemž vzniká komplex [Fe(H 2 O) 6 ] 2+. Za normálních podmínek v oxidační atmosféře se však dvojmocné železo rychle oxiduje na železo trojmocné. Trojmocné železo je pak ve vodě rozpustné pouze za extrémně nízkého ph (ph < 1), přičemž vzniká komplex [Fe(H 2 O) 6 ] 3+. Vyplývá z toho, že za fyziologických podmínek oxidační atmosféry a fyziologického ph je rozpustné železo prakticky nedostupné. Při neutrálním ph je celková koncentrace rozpuštěného Fe 3+ ve vodě maximálně 10-9 M. Rovnovážná koncentrace volného Fe 3+ v organismech za fyziologických podmínek je dokonce pouze M. Prokaryotní a eukaryotní organismy problém vyřešily zavedením většinou nízkomolekulárních nosičů železa známých jako siderofory [205]. Siderofory mají vysokou afinitu k železu a jsou dobře rozpustné ve vodě. Na úrovni obratlovců 15

16 1 Hemochromatóza je otázka transportu trojmocného železa v použitelné formě vyřešena systémem specifických nosičových proteinů známých jako transferiny (viz kap. 1.4). V dávné evoluční historii života přechod z anaerobních podmínek, kdy rozpustné Fe 2+ železo bylo běžně dostupné, na aerobní podmínky, kdy nerozpustné Fe 3+ železo ve volné formě přestalo být dostupné, mohl představovat jeden z nejkritičtějších okamžiků ohrožujících veškerý život na Zemi. Hydroxidy trojmocného železa mohou v důsledku dehydratace polymerovat: nfe(oh) 3 (FeOOH) n + nh 2 O Tyto polymery se vyskytují i v organismech, přičemž obsahují 2 (ribonukleotidreduktáza) až více než 4000 (feritiny) atomů železa. Běžně jsou takovéto nerozpustné polymery trojmocného železa známé jako rez. Schopnost železa účastnit se oxidoredukčních reakcí je na jedné straně pro organismy velmi výhodná, ale na druhé straně může být pro organismy také velmi nebezpečná. Je to přesně v duchu známého rčení dobrý sluha, zlý pán. V důsledku normálních metabolických reakcí vznikají v buňce některé reaktivní sloučeniny kyslíku známé jako ROS (reactive oxygen species). Patří mezi ně i superoxidový anion (. O 2- ) a peroxid vodíku (H 2 O 2 ). Reakcí trojmocného železa se superoxidovým aniontem může vznikat dvojmocné železo. Dvojmocné železo potom reaguje s peroxidem vodíku v reakci známé jako Fentonova reakce za vzniku extrémně reaktivního a tím nebezpečného hydroxylového radikálu (. OH): Fe 2+ + H 2 O 2 Fe OH + OH - Hydroxylový radikál a i další ROS mohou kromě jiného poškozovat DNA a buněčné membrány v důsledku peroxidace lipidů. Nadbytečné železo je tak pro buňku toxické. Z tohoto důvodu je hladina železa v buňce i celém organismu pečlivě regulovaná (viz kap. 1.5), a tím udržovaná v příslušných mezích [9, 180]. 16

17 Metabolismus železa Železo vázající molekuly v organismu Kromě železa vázaného v nějaké formě na proteiny se v organismu nachází i železo vázané v nízkomolekulárních komplexech. Mezi takovéto komplexy patří Fe 3+ - citrát. Železo může tvořit komplexy také s dalšími kyselinami (acetát, laktát, pyruvát, askorbát), aminokyselinami a cukry. Úloha těchto i jiných nízkomolekulárních komplexů železa v organismu však nebyla zatím zcela objasněna [125]. Železo může být vázané na proteiny buď (1) jako volné železo, nebo (2) ve formě hydroxidů a jejich polymerů (viz kap ), (3) ve formě hemu, nebo (4) ve formě Fe-S klastrů. 1) Příkladem proteinů vázajících volné železo jsou nosičové proteiny ze skupiny transferinů. Sérový transferin má dvě vazebná místa pro Fe 3+. 2) Dobrým příkladem proteinu vázajícího železo ve formě hydroxidových komplexů je pak železo skladující protein feritin. Nerozpustný polymer hydroxidů trojmocného železa zde obsahuje i určité množství fosfátu [9, 180]. 3) Jako hem označujeme jeden z porfyrinů známý jako protoporfyrin IX, který čtyřmi koordinačními vazbami váže atom dvojmocného železa na atom dusíku všech čtyř přítomných pyrolových heterocyklů. Porfyriny jsou sloučeniny tvořené spojením čtyř pyrolových heterocyklů metenylovými můstky. Charakteristickou vlastností porfyrinů je právě schopnost tvorby komplexů s kovovými ionty, které jsou vázané na atom dusíku pyrolových heterocyklů. Příkladem porfyrinu vázajícího Mg 2+ je chlorofyl. Pokud je dvojmocné železo v hemu zoxidované na trojmocné železo, sloučenina se označuje jako hemin. Proteiny vázající hemovou skupinu se označují jako hemoproteiny. Typickým příkladem hemoproteinu jsou kyslík transportující hemoglobin, respirační protein myoglobin ze svalů a cytochromy, jakožto přenašeči elektronů v oxidoredukčních reakcích [214]. 4) Fe-S proteiny vážou skupinu známou jako Fe-S klastr, která se skládá z atomů železa a síry. Stechiometrie jednotlivých typů Fe-S klastrů se může lišit. Nejběžnější Fe-S klastry jsou typu 2Fe-2S, kde jednotlivé atomy leží střídavě v rozích rovnostranného čtyřúhelníku, a typu 4Fe-4S, kde jednotlivé atomy leží střídavě v rozích krychle. Typickým 17

18 1 Hemochromatóza * příkladem Fe-S proteinu je protein IRP1 regulující hladinu železa v buňce [31]. Přehled vybraných železo vázajících proteinů je uveden v tabulce 1.1. Tab. 1.1 Přehled vybraných železo vázajících proteinů protein vazba železa funkce sérový transferin dvě vazebná místa pro Fe transport F e v plazmě laktoferin dvě vazebná místa pro Fe vazba Fe v sekretech ovotransferin dvě vazebná místa pro Fe vazba Fe ve vaječném bílku melanotransferin jedno vazebné místo pro Fe protein v cytoplazmatické membráně nádorových buněk bez známé funkce hemoglobin he moprotein přenos kyslíku v krvi haptoglobin vazba hemoglobinu intravaskulární vazba a transport hemoglobinu hemopexin hemoprotei n intravaskulární vazba a transport hemu feritin vazba mnoha atomů Fe ve formě hydroxidových komplexů intracelulární ukládání Fe hemosiderin vazba mnoha atomů Fe ve formě hydroxidových komplexů degradační produkt feritinu myoglobin hemoprotein vazba kyslíku ve svalech cytochrom c hemoprotein přenos elektronů při oxidoredukčních reakcích v mitochondriích cytochrom P450 hemoprotein metabolismus xenobiotik v játrech feredoxin Fe-S pr otein přenos elektronů při fotosyntéze ribonukleotidreduktáza vazba 2 atomů Fe ve formě hydroxidového komplexu syntéza deoxyribonukleot idů 18

19 Metabolismus železa 1 protein vazba železa funkce IRP1 Fe-S protein regulace hladiny Fe v buňce IRP2 Fe-S protein regulace hladiny Fe v buňce Fyziologické funkce železa v organismu Fyziologické funkce železa v organismu vyplývají z jeho schopnosti účastnit se oxidoredukčních reakcí [9, 180]. Tato schopnost se potom odvozuje od chemických vlastností železa (viz kap ). Železo může fungovat v různých formách (viz kap ) jako součást (1) enzymů katalyzujících oxidoredukční reakce, (2) proteinů účastnících se přenosu elektronů a (3) proteinů fungujících jako přenašeče kyslíku. 1) Enzymy obsahující železo katalyzují širokou škálu oxidoredukčních reakcí s různými funkcemi. Aktivace a detoxifikace kyslíku se účastní oxidázy, katalázy a peroxidázy. Jsou to hemoproteiny. Katalázy rozkládají peroxid vodíku (H 2 O 2 ), který vzniká v důsledku působení oxidáz. U rostlin potom plní funkci kataláz peroxidázy. Cytochrom P450 (hemoprotein) se účastní detoxifikace xenobiotik v játrech. Enzymy obsahující železo katalyzují mnohé metabolické reakce včetně reakcí Krebsova cyklu. Příkladem je mitochondriální akonitáza a sukcinátdehydrogenáza. Oba dva tyto enzymy jsou Fe-S proteiny. Dalším příkladem důležitého enzymu obsahujícího železo je potom ribonukleotidreduktáza, která se účastní syntézy deoxyribonukleotidů. Ribonukleotidreduktáza obsahuje dva atomy Fe ve formě hydroxidového komplexu. 2) Cytochromy (hemoproteiny) se účastní přenosu elektronů v oxidoredukčních reakcích při oxidativní fosforylaci v mitochondriích. Hlavní skupiny cytochromů představují cytochrom a, cytochrom b a cytochrom c. Přenosu elektronů při fotosyntéze v chloroplastech se účastní Fe-S protein feredoxin. 3) Hemoprotein hemoglobin je schopen reverzibilně vázat kyslík a funguje jako přenašeč kyslíku v krvi. Hemoprotein myoglobin, podobný hemoglobinu, reverzibilně váže kyslík ve svalech, kde potom vytváří zásobu aktuálně použitelného kyslíku. 19

20 1 Hemochromatóza Zajímavá je úloha železa v obraně organismu před infekcí. Železo je nezbytné pro fungování víceméně všech organismů. Tedy i pro infekční mikroorganismus (bakterie, houba, prvok) v rámci hostitelského organismu je nezbytná možnost získávat železo. Vyvázání volného železa z tělních tekutin je proto účinnou obranou proti infekci. V krevní plazmě vyvazuje volné železo s vysokou afinitou sérový transferin, který zde funguje jako přenašeč železa. Další dva proteiny ze skupiny transferinů, tj. laktoferin a ovotransferin, mají podobnou úlohu. Laktoferin vyvazuje volné železo v tělních sekretech včetně mléka. Ovotransferin potom váže železo v bílku ptačích vajec. Úspěšné patogenní mikroorganismy používají pro získávání potřebného železa siderofory s vyšší afinitou k železu, než má transferin [167] Intracelulární metabolismus železa Intracelulární metabolismus železa [242] představuje na jedné straně (1) transport železa do buňky a na druhé straně (2) utilizaci železa buňkou, tj. inkorporaci do funkčních molekul obsahujících železo, (3) ukládání nadbytečného železa a (4) export železa z buňky. Pro udržování těchto procesů v rovnováze buňka používá hlavně systém IRP/IRE (iron regulatory protein/iron responsive element). Proteiny IRP1 a IRP2 monitorují hladinu železa v buňce. Při snížení hladiny železa zajistí IRP proteiny zvýšený transport železa do buňky a snížení jeho utilizace, ukládání a popř. jeho exportu. Při zvýšení hladiny železa dojde naopak ke snížení transportu do buňky a zvýšení utilizace, ukládání a exportu (viz kap ). Prostředníkem mezi transportem železa do buňky, jeho utilizací, ukládáním a exportem je pravděpodobně intracelulární pool železa, který nebyl zatím zcela jasně charakterizován. Většinou se předpokládá, že jde o nízkomolekulární komplexy železa, kde ligandem může být citrát, askorbát, aminokyselina nebo nukleotid (především ATP) a další látky. Některé hypotézy však existenci tohoto nízkomolekulárního poolu železa popírají a předpokládají přímé napojení transportu železa do buňky, jeho utilizace, ukládání nebo exportu. 1) Transport železa do buňky zajišťuje hlavně transferin s navázaným železem (viz kap ) prostřednictvím transferinového receptoru v plazmatické membráně [9, 180]. Jde o transferinovým receptorem zprostředkovanou endocytózu transferinu. Někdy se 20

21 Metabolismus železa 1 tento mechanismus příjmu železa označuje jako transferinový cyklus. Mechanismus je podrobně popsán dále (viz kap ). Vedle příjmu železa navázaného na transferin je buňka schopná přijímat i nízkomolekulární netransferinové železo. Mechanismus transportu nízkomolekulárního železa do buňky, s výjimkou enterocytů (viz kap ), není zatím známý. Bylo však identifi kováno několik molekul, které by se tohoto transportu mohly účastnit (viz kap ). 2) Utilizace železa představuje inkorporaci železa v příslušné formě do různých železo obsahujících funkčních molekul [9, 180]. Mezi tyto molekuly patří různé enzymy obsahující železo (např. sukcinátdehydrogenáza, ribonukleotidreduktáza), proteiny účastnící se přenosu elektronů ( cytochromy) a proteiny přenášející kyslík ( hemoglobin, myoglobin) (viz kap ). Inkorporace železa zahrnuje i syntézu hemu nezbytného pro formování hemoproteinů a syntézu Fe-S klastrů nezbytných pro formování Fe-S proteinů. Syntéza hemové skupiny probíhá částečně v cytosolu a částečně v mitochondriích a syntéza Fe-S klastrů v mitochondriích [88]. Proto je nezbytný transport železa přes mitochondriální membránu a také je nezbytné zajišťování homeostázy železa v rámci mitochondrií. Transport železa do mitochondrií pravděpodobně zajišťuje mitochondriální transportér železa mitoferin. Železo v mitochondriích může být uloženo v mitochondriálním feritinu (viz dále), nebo může být použito pro syntézu hemu a Fe-S klastrů. Předpokládá se, že transport Fe-S klastrů a hemu z mitochondrií může zajišťovat celá skupina transportérů (ABCB7, ABCG2, ABCme, FLVCR). Pro zajišťování homeostázy železa v mitochondriích je důležitý protein frataxin. Jeho přesná role však zatím není známá. 3) Železo se v buňce ukládá do molekul feritinu, který tvoří kulovitou schránku složenou u savců z 24 podjednotek [9, 18]. U obratlovců se feritin skládá ze dvou typů podjednotek, a to lehké podjednotky známé jako L- feritin (light feritin) a těžké podjednotky známé jako H- feritin (heavy feritin). L-feritin a H-feritin jsou kódované dvěma odlišnými geny. Jednotlivé feritiny se od sebe liší zastoupením L-feritinu a H-feritinu v závislosti na typu tkáně. Inkorporace železa do feritinu je spojená s oxidací dvojmocného železa na trojmocné feroxidázovou aktivitou feritinu. Jedna feritinová schránka je schopná pojmout víc než 4000 atomů železa ve formě nerozpustného 21

22 1 Hemochromatóza hydroxidového polymeru. K uvolnění železa z feritinu dochází při snížení hladiny železa v buňce. Otázka, jestli feritin funguje hlavně jako buněčná zásoba utilizovatelného železa nebo spíš jako bezpečné úložiště potenciálně nebezpečného železa, zůstává zatím nezodpovězena. Extracelulární feritin může u některých živočichů fungovat i jako přenašeč železa. V některých typech buněk lze najít hůře definovatelný hemosiderin, který pravděpodobně představuje nerozpustný degradační produkt feritinu. 4) Export železa z některých typů buněk (enterocyty, hepatocyty, makrofágy) zajišťuje transmembránový protein feroportin [88]. Feroportin je zatím jediný známý transportér železa ven z buňky. Významnou úlohu má feroportin především v intestinální absorpci železa prostřednictvím enterocytů (viz kap ) a také v udržování homeostázy železa v rámci celého organismu (viz kap ) Železo jako regulační faktor Vzhledem k tomu, že železo je pro fungování organismu nepostradatelné, je nakládání se železem v rámci buňky i v rámci celého organismu přísně regulované. Na úrovni buňky jde o dobře známý regulační systém IRP/ IRE (iron regulatory protein/iron responsive element), který je detailně popsán dále (viz kap ) [53]. Na úrovni organismu má potom centrální úlohu v udržování homeostázy železa peptid hepcidin, jehož fungování je také detailně popsáno dále (viz kap ) [157]. Vedle toho se železo jako takové účastní regulace exprese některých genů na transkripční úrovni. Zde existuje několik možností. Byl popsán regulační mechanismus hemin/hre (hemin responsive element). Železo zde prostřednictvím železo obsahujícího heminu inhibuje transkripci několika genů (např. tartarát-rezistentní kyselá fosfatáza) na základě vazby heminu na HRE v nekódujících oblastech těchto genů. Zdá se, že i samotné železo se může účastnit regulace transkripce některých genů. Železo může také ovlivňovat transkripci prostřednictvím železem produkovaných ROS (reactive oxygen species) (viz kap ), protože ROS regulují některé transkripční faktory včetně c-jun. Dále je známé, že deprivace železa simuluje hypoxii, a proto i regulační mechanismus HIF1/HRE (hypoxia inducible factor 1/hypoxia responsive element) může mít určitou úlohu při regulaci transkripce železem [41, 74]. 22

23 Metabolismus železa Příjem železa potravou a jeho ztráty z organismu Jiří Horák Lidský organismus přijímá železo v potravě obvykle v mírném nadbytku. Množství z potravy vstřebávaného železa je regulováno dosud ne zcela objasněným mechanismem tak, aby vstřebání pokrylo ztráty železa z organismu (odloupanými epiteliemi střeva a kůže) a v údobích růstu či gravidity také jeho zvýšenou potřebu; u menstruujících žen je nutno pokrýt také ztráty železa menstruační krví. Protože neexistuje žádný fyziologický způsob, kterým by tělo mohlo vylučovat nadbytečné železo, musí být regulace vstřebávání velice přesná, aby nedošlo na jedné straně k nedostatku či naopak k nadměrnému hromadění železa v organismu. Zatímco celosvětově a zejména v rozvojových zemích patří nedostatek železa k nejrozšířenějším zdravotním problémům, v zemích vyspělých se často setkáváme i s nepřiměřenou akumulací železa. Doporučený denní příjem železa silně kolísá podle pohlaví, věku a dalších faktorů. Nejvíce železa potřebují těhotné ženy a ženy menstruující, zatímco u žen v menopauze a u mužů činí doporučená dávka v potravě asi 10 mg denně. V průběhu těhotenství potřebuje žena získat asi 500 mg železa navíc v porovnání se ženou netěhotnou, což odpovídá 2 mg vstřebaného železa denně [291]. U většiny dospívajících dívek není přívod železa dostatečný k pokrytí fyziologických potřeb organismu a sideropenie je v této skupině velmi častá. V současné době neexistují moderní doporučené denní dávky pro železo českých odborníků. V obecných a stručných Výživových doporučeních pro obyvatelstvo ČR Společnosti pro výživu z roku 2004 o železe není vůbec zmínka [282]. V tabulce 1.2 jsou uvedeny hodnoty doporučené Německou společností pro výživu (Deutsche Gesellschaft für Ernährung), které jistě lze považovat za směrodatné. Z uvedených dávek železa se ovšem využije pouze zlomek denně se vstřebá asi 1 mg železa u zdravých mužů a 1,5 mg u menstruujících žen. Žlučí se ztrácí mezi 0,22 0,28 mg denně, deskvamovanými střevními epiteliemi 0,24 mg denně a močí 0,5 1 mg železa denně [291]. Ztráta železa menstruační krví vyvolává dodatečnou potřebu asi 0,56 mg železa denně [291]. Obsah železa v některých potravinách lze nalézt např. u J. Blatné [39]. 23

24 1 Hemochromatóza Tab. 1.2 Doporučený denní příjem železa (podle Deutsche Gesellschaft für Ernährung, věk železo mg/den mg/mj (nutriční denzita) muži ženy 1 muži ženy do 1 roku měsíce 3,4 0,5 0,3 0, měsíců 8 2,7 2,8 děti 1 4 roky 8 1,7 1, let 8 1,3 1, let 10 1,3 1, let ,3 1, let ,1 1,6 dospívající + dospělí let ,1 1, let ,9 1, let ,0 1, let ,1 1,4 65 a starší ,2 1,4 těhotné ženy 30 3,3 kojící ženy ,9 1) Nemenstruující ženy, které nejsou těhotné a nekojí: 10 mg/den 2) S výjimkou nedonošených novorozenců 3) Odhadnutá hodnota 4) Potřeba železa v potravě existuje až od 4. měsíce vzhledem k zásobám hemového železa u novorozence 5) Týká se kojících i nekojících matek; jde o náhradu železa ztraceného během těhotenství Při nízkých koncentracích sérového feritinu (pod 60 ng/ml) je množství vstřebaného železa nepřímo úměrné koncentraci feritinu. Při vyšších hodnotách se u zdravých osob vstřebává pouze tolik železa, kolik činí 24

25 Metabolismus železa 1 jeho přirozené ztráty [129]. Muži a ženy vstřebávají ze stejné diety stejné množství železa, pokud jsou jejich celotělové zásoby podobné. Celotělové zásoby železa jsou u mužů vyšší než u žen. U zdravých mužů činí mobilizovatelné železo asi 600 mg, u žen však pouze 250 mg [129]. Hemové železo se vstřebává výrazně lépe než železo nehemové, a to dvojnásobně až třínásobně i více. Jinak vyjádřeno, biologická dostupnost hemového železa činí %, nehemového 2 20 %. Z potravin živočišného původu se železo vstřebává významně lépe než z potravin původu rostlinného. Nejlepším ukazatelem celotělových zásob železa je koncentrace feritinu v séru. Jeden ng/ml sérového feritinu odpovídá u dospělého člověka přibližně 8 mg zásobního železa. Obecně je však korelace feritinémie se zásobami železa dosti volná a nepřiměřeně vysoké koncentrace feritinu lze nalézt u zánětů, infekčních nemocí, jaterních chorob, hladovění a abúzu alkoholu. U mužů s vyššími zásobami železa a koncentrací sérového feritinu přesahující 70 ng/ml je feritin nepřesným ukazatelem zásob železa. K významným změnám v bilanci železa dochází u nemocných s krevními ztrátami jakéhokoliv původu. Litr krve s normální koncentrací hemoglobinu obsahuje přibližně 500 mg železa. Při opakovaných krevních ztrátách se tak snadno vyvine sideropenie. Vstřebávání železa je kromě fyziologické regulace (viz kap. 1.3) ovlivňováno řadou faktorů, jejichž dlouhodobé působení může vést k akumulaci železa na straně jedné a k jeho deficitu na straně druhé. Vstřebávání železa (i nehemového) zvyšuje masitá strava, vitamin C a alkohol, zatímco stavy po resekci žaludku a některé složky potravy jako fytáty, kalcium, polyfenoly a vláknina vstřebávání železa snižují. Železo se intenzivně a trvale vstřebává u genetické hemochromatózy; zde jsou běžné hodnoty přesahující 4 mg/24 hodin. Anemičtí nemocní jsou schopni vstřebávat mg železa denně, ovšem pouze dočasně, a to do doplnění zásob celotělového železa. Při nedostatku železa činí frakční absorpce železa asi 40 % jak v případě hemového, tak nehemového železa v potravě. Při vyšších koncentracích feritinu však klesá absorpce nehemového železa více než železa hemového. Je tedy zřejmé, že aktuální stav zásob železa v těle je výsledkem dynamické rovnováhy řady často protichůdných dějů. Zatímco při nízkém a průměrném obsahu železa v potravě je jeho vstřebávání regulováno velmi přesně, při dlouhodobě vysokém obsahu biologicky dobře dostupného železa není útlum vstřebávání dostatečný k tomu, aby zabránil patologickému hromadění železa v organismu. 25

26 1 Hemochromatóza Chronický příjem mg železa denně může mít za následek jaterní cirhózu a srdeční selhání; horní hranice bezpečného příjmu železa zřejmě leží mezi mg denně. Vyšší než fyziologické zásoby železa v organismu mají nepochybně řadu alespoň potenciálně škodlivých účinků, a to vzhledem k železem katalyzovanému vzniku kyslíkových radikálů (viz kap. 3). Je na místě zmínit, že podle starších autorů je u zdravých osob s normálními zásobami železa nebezpečí patologické akumulace železa nepatrné, a to i při příjmu vysokých dávek železa v biologicky vysoce dostupných zdrojích. Na základě současných poznatků však musíme předpokládat, že alespoň u nosičů mutací HFE genu, kteří představují % evropské populace, může vést dlouhodobě nadměrný přívod železa k jeho akumulaci. 1.3 Intestinální absorpce železa Jitka Neubauerová, Jan Kovář Absorpce nehemového železa U savců probíhá absorpce železa z potravy prostřednictvím duodenálního epitelu tenkého střeva, který je organizován do klkovitých struktur za účelem zvětšení plochy absorpčního povrchu. Prekurzory enterocytů jsou přítomny v kryptách na bázi klků a jejich diferenciace ve zralé enterocyty je spojena s migrací podél osy klku. Membránové výběžky na apikálním povrchu enterocytů vytvářejí tzv. kartáčový lem, který dále zvětšuje plochu povrchu pro absorpci. Zralé enterocyty žijí pouze 1 až 2 dny a železo, které se v nich nahromadilo, je posléze odstraňováno z těla při odlupování odumřelých enterocytů do lumenu střeva [86]. Proteiny, které hrají roli v příjmu hemového a nehemového železa z potravy, se nacházejí na apikální membráně duodenálních enterocytů. Absorpce hemového a nehemového železa je realizována zcela odlišnými mechanismy. Většina nehemového železa z potravy je primárně přítomna v oxidované trojmocné (feri-) formě (Fe 3+ ), zatímco železo vázáné v hemu se zde nachází v dvojmocné (fero-) formě (Fe 2+ ). Hlavním proteinem importu nehemového železa do enterocytů je DMT1 (divalent metal transporter 1), také známý jako Nramp2, DCT1 26

27 Metabolismus železa 1 nebo SLC11A2 (obr. 1.1) [86]. Tento transmembránový protein rovněž transportuje i další kovy v dvojmocné formě jako je Mn 2+, Cu 2+, Cd 2+, Pb 2+, Co 2+ nebo Zn 2+. DMT1 je aktivní pouze v prostředí s nízkou hodnotou ph, protože pro výkon své funkce vyžaduje symport vodíkových protonů. Tento transportér je rovněž zodpovědný za přenos železa přes endozomální membránu neintestinálních buněk (viz kap ). Protein DMT1 tedy hraje klíčovou roli jak v intestinální absorpci železa, tak v transportu železa přes endozomální membránu, což bylo Obr. 1.1 Absorpce železa duodenálními enterocyty a jeho uvolňování do oběhu: Dcytb duodenal cytochrome b, DMT1 divalent metal transporter 1, HCP1 heme carrier protein 1, HO1 heme oxygenase 1 (viz také barevná příloha) 27

28 1 Hemochromatóza názorně dokumentováno na zvířecích modelech se spontánními či indukovanými mutacemi tohoto genu. Mezi nejznámější patří tzv. b (Belgrade) krysy a mk (microcytic anemia) myši. U těchto zvířat se projevuje hypochromní mikrocytární anémie díky narušené intestinální absorpci železa a defektní utilizaci železa v erytroidních prekurzorech. První homozygotní mutace v genu pro DMT1 byla rovněž nedávno identifikována také v lidské populaci. Jak už název proteinu naznačuje, DMT1 je schopen transportovat výlučně dvojmocné kovy, což znamená, že absorpci železa prostřednictvím DMT1 musí nezbytně předcházet luminální redukce Fe 3+ z potravy na Fe 2+. Jako potenciální intestinální ferireduktáza byl identifikován transmembránový protein Dcytb (duodenal cytochrome b) (viz obr. 1.1) [86]. Bylo zjištěno, že exprese tohoto proteinu je v intestinální sliznici myší indukována anémií, nedostatkem železa nebo hypoxií. Nicméně nedávno byla jeho úloha v redukci Fe 3+ na Fe 2+ v duodenu zpochybněna, neboť se prokázalo, že vyřazení genu Dcytb u myší významně nenarušilo intestinální absorpci železa za normálních podmínek. Zdá se tedy, že zde mohou hrát roli jiné, dosud neidentifikované intestinální reduktázy. Železo uvnitř enterocytu může být uskladněno ve feritinu (viz kap ) nebo transportováno přes bazolaterální membránu enterocytu do krevního oběhu (viz obr. 1.1). K uvolnění železa z feritinu dochází při snížení hladiny železa v buňce. Malé množství feritinu se nachází také v mitochondriích a v plazmě. A právě hladina sérového feritinu je jedním z klinických indikátorů množství železa v organismu, neboť odráží jeho celkové zásoby [190]. Pravděpodobně jediným proteinem zajišťujícím přímý export železa z enterocytu je feroportin (také známý jako IREG1, MTP1 nebo SLC40A1) [86]. Feroportin je lokalizován na bazolaterální membráně enterocytů a je zřejmě, stejně jako transportér DMT1, selektivní pro Fe 2+ (viz obr. 1.1). Bylo zjištěno, že se intestinální exprese tohoto transmembránového proteinu zvyšuje v odpovědi na nedostatek železa a hypoxii. Feroportin je rovněž zodpovědný za export železa z hepatocytů, makrofágů, placentálních syncytiotrofoblastů a buněk centrálního nervového systému. To, že je tento protein zcela klíčovou a pravděpodobně jedinou molekulou pro export železa z buněk bylo jasně dokumentováno za použití transgenních myší. Inaktivace feroportinu měla u nich za následek hromadění železa v enterocytech, makrofázích a hepatocytech. 28

29 Metabolismus železa 1 Dalším transmembránovým proteinem, který hraje roli v transportu železa přes bazolaterální membránu enterocytů do krevního oběhu je feroxidáza hefestin. Tento protein je membránovým homologem plazmatické feroxidázy ceruloplazminu, která se uplatňuje především u neintestinálních buněk. Hefestin je zodpovědný za oxidaci dvojmocného železa uvolněného z feroportinu na trojmocné, což umožňuje jeho následnou inkorporaci do sérového transferinu, který je schopen vázat železo pouze v jeho trojmocné formě (viz obr. 1.1). Hefestin byl identifikován díky spontánní mutaci v genu kódujícím tento protein u tzv. sla (sex-linked anemia) myší, které mají narušenou absorpci železa a dochází u nich k akumulaci železa v duodenálních enterocytech [86, 137] Absorpce hemového železa Dalším zdrojem železa z potravy je hem. Molekula hemu se skládá z protoporfyrinového kruhu, který váže železo (viz kap ). Hem je především produktem rozpadu hemoglobinu a myoglobinu, které se nacházejí ve výrobcích z masa. Absorpce hemového železa z potravy probíhá rovněž na apikální membráně enterocytů. Nedávno byl popsán enterocytární hemový importér HCP1 (heme carrier protein 1), který pravděpodobně zprostředkovává absorpci hemového železa z potravy. Bylo prokázáno, že HCP1 je exprimován ve velkém množství v duodenu. Po navázání hemu na HCP1 na apikální membráně enterocytu dochází k internalizaci tohoto komplexu do buňky prostřednictvím receptorem zprostředkované endocytózy. Výsledné endozomální váčky zřejmě migrují k endoplazmatickému retikulu, kde je železo uvolněno z protoporfyrinu působením hemové oxygenázy 1 ( HO1), která se nachází na membráně hladkého endoplazmatického retikula (viz obr. 1.1). Hem je degradován na oxid uhelnatý (CO), Fe 2+ a biliverdin, který je dále redukován pomocí biliverdinreduktázy na bilirubin. Uvolněné železo se následně zřejmě stává součástí stejného intracelulárního poolu železa jako nehemové železo. Molekulární charakter tohoto poolu v enterocytech není dosud známý, ale pravděpodobně se skládá z nízkomolekulárních komplexů železa a chaperonových proteinů, které železo váží a transportují. Bylo zjištěno, že transport hemového železa do buňky je regulován hladinou železa, nicméně přesný mechanismus této regulace nebyl dosud popsán. Při nedostatku železa je HCP1 lokalizován na apikální membráně ente- 29

30 1 Hemochromatóza rocytu, zatímco při nadbytku železa se tento protein nachází uvnitř buňky v endozomálních váčcích [88]. 1.4 Transport železa k orgánům a do buněk Jitka Neubauerová, Jan Kovář Transport železa v organismu Transport železa v organismu zajišťuje hlavně krevní řečiště. Rozhodujícím přenašečem železa je zde sérový transferin. Za normálních podmínek se celková hladina železa v lidské plazmě pohybuje v rozmezí μm. Většina tohoto železa je vázaná na sérový transferin. Transferin se nachází v lidské plazmě v koncentraci 2 3 g/l, přičemž asi 1/3 tohoto množství je saturovaná železem. Extracelulární železo vázané na transferin v krevní plazmě a tělních tekutinách představuje pouze asi 0,5 % z celkového množství železa v lidském těle. Avšak železo vázané na transferin má velký obrat, a tak celkově přenese transferin v rámci lidského organismu 30 mg železa denně [127, 130]. Sérový transferin patří do skupiny příbuzných železo vázajících proteinů transferinů. Tato skupina zahrnuje vedle sérového transferinu také laktoferin, ovotransferin a melanotransferin ( protein p97) (viz kap a 1.1.3). Transferin je tvořen jediným polypeptidovým řetězcem, který se formuje do dvou homologních domén. Předpokládá se proto, že transferinový gen vznikl duplikací genu, který původně kódoval jedinou doménu. Každá z obou homologních domén transferinu má jedno vazebné místo pro trojmocné železo. Molekula transferinu tak váže dva atomy železa s velmi vysokou afinitou (K d = M). Vazba železa na transferin vyžaduje současnou vazbu uhličitanového/hydrogenuhličitanového aniontu. Vazbu železa zde výrazně ovlivňuje ph. Již při snížení ph na hodnotu kolem 5,5 se železo vázané na transferin uvolňuje. Tato vlastnost potom umožňuje uvolňování železa z transferinu po jeho transportu do buněk (viz kap ) [9, 180]. Určitá část železa v lidské plazmě (přibližně 0,6 μm) zůstává nevázaná na transferin. Za normálních podmínek to představuje jenom asi 3 % z celkového množství železa v plazmě. K signifikantním změnám v hladině plazmatického netransferinového železa však dochází při 30

31 Metabolismus železa 1 některých poruchách, které jsou charakteristické výrazným zvýšením celkové hladiny železa. Například transferin pacientů s hemochromatózou je často víceméně zcela saturovaný železem. Hladina netransferinového železa v plazmě pak dosahuje úrovně až přes 20 μm. K lokálnímu zvýšení hladiny netransferinového železa může také dojít v místě poranění, kde dojde k masivnějšímu porušení buněk, a tím k uvolnění intracelulárního železa. K analogické situaci může dojít i v prostředí nádoru. Rostoucí nádor proniká do normální tkáně, kde dochází ke krvácení a poškozování buněk [127, 243]. Netransferinové železo v plazmě je přítomné ve formě nízkomolekulárních komplexů a v menší míře také vázané na další proteiny. Mezi tyto proteiny jednak patří albumin jako nespecifický nosič železa a jednak proteiny, které vážou železo specificky. Týká se to laktoferinu jako dalšího člena skupiny transferinů. Laktoferin má ještě větší afinitu k železu než transferin. Jinak se laktoferin vyskytuje hlavně v tělních sekretech včetně mléka, kde vyvazuje volné železo a chrání tak před infekcí mikroorganismy (viz kap ). Mezi plazmatické proteiny specificky vázající železo patří také extracelulární feritin. Dále je to haptoglobin, který váže hemoglobin, a ještě hemopexin, který váže hem. Většina nízkomolekulárního železa plazmy je vázaná na citrát. Do úvahy přicházejí i nízkomolekulární komplexy železa s dalšími ligandy (např. acetát) [125, 302] Transport transferinového železa do buněk Všechny typy buněk vyžadují určité, i když relativně malé, množství železa pro svoji existenci a schopnost vykonávat patřičné funkce. Pouze erytroidní prekurzory požadují značná množství železa k produkci hemoglobinu. I ostatní typy buněk mají své specializované role, které jsou rozhodující pro udržení rovnovážné hladiny železa v organismu. Intestinální epitelové buňky ( enterocyty) stejně jako extraembryonální viscerální endodermální buňky či placentální syncytiotrofoblasty slouží k získávání železa z vnějšího prostředí. Hepatocyty mají z hlediska metabolismu železa především skladovací funkci. Tyto buňky odstraňují přebytečné železo z cirkulující plazmy a bezpečně ho uskladňují pro další použití. Tkáňové makrofágy rozpoznávají a fagocytují staré a poškozené erytrocyty a recyklují jejich železo pro opětovné použití či pro uskladnění. 31

32 1 Hemochromatóza Železo je přenášeno a distribuováno do buněk navázané na sérový protein transferin (Tf), který má dvě vysoce afinitní vazebná místa pro trojmocné železo (viz kap ). Místem produkce transferinu jsou především játra. Transferin se specificky váže na transferinový receptor (TfR), což umožňuje jeho import do cílové buňky pomocí receptorem zprostředkované endocytózy. Kromě běžného TfR1 existuje také transferinový receptor 2 ( TfR2), který je přítomen pouze na plazmatické membráně hepatocytů, prekurzorových buněk enterocytů a erytroidních buněk. Tento protein vykazuje nižší afinitu k transferinu a je mu přisuzována převážně regulační funkce [137]. Import železa do neintestinálních buněk probíhá většinou prostřednictvím internalizace transferinu navázaného na TfR1 v procesu známém jako transferinový cyklus (Tf cyklus) [86, 137]. Tento proces začíná vazbou transferinu se dvěma navázanými atomy trojmocného železa (tzv. holotransferinu) na TfR1 v membráně cílové buňky. Neutrální ph extracelulárního prostředí upřednostňuje vazbu holotransferinu, což znamená, že afinita receptoru je zde vyšší pro holotransferin než pro transferin bez navázaného železa (tzv. apotransferin), případně pro transferin pouze s jedním navázaným iontem železa. Tato interakce Tf s TfR1 vyvolá invaginaci plazmatické membrány a internalizaci komplexu Tf/TfR1 do klatrinem obalených váčků. Po internalizaci dochází uvnitř vzniklého endozomu, který obsahuje komplex Tf/TfR1, ke snižování ph činností ATP-dependentní protonové pumpy v endozomální membráně. Když ph uvnitř endozomu dosáhne hodnoty 5,5, dochází ke konformačním změnám obou proteinů Tf i TfR1, což má za následek uvolnění železa z transferinu (obr. 1.2). Před transportem přes endozomální membránu do cytosolu musí být uvolněné železo redukováno ze své trojmocné formy na formu dvojmocnou. Nedávno identifikovaným kandidátem pro úlohu této endozomální ferireduktázy je u erytroidních buněk protein Steap3 (six transmembrane epithelial antigen of the prostate 3) [209]. Endozomální ferireduktáza u neerytroidních buněk zatím nebyla identifikována, ale předpokládá se, že by mohlo také jít o Steap3, případně o již zmiňovaný protein Dcytb (viz kap ). Prostřednictvím proteinu DMT1 je dvojmocné železo transportováno přes endozomální membránu do cytosolu. Zde je buď utilizováno (např. syntéza hemu), uskladněno ve feritinu, nebo je případně exportováno ven z buňky. 32

33 Metabolismus železa 1 Obr. 1.2 Příjem železa vázaného na transferin buňkou v rámci transferinového cyklu: Tf transferin, TfR1 transferinový receptor 1, DMT1 divalent metal transporter 1 (viz také barevná příloha) Transferinový cyklus je dokončen ve chvíli, kdy se endozomální membrána opět spojí s membránou plazmatickou, což umožní návrat apotransferinu do cirkulace a transferinového receptoru 1 zpět na plazmatickou membránu. Neutrální ph extracelulárního prostředí snižuje afinitu receptoru pro apotransferin a ten tak může být uvolněn z vazby na receptor až po recyklaci na buněčný povrch (viz obr. 1.2). Železo může být z určitých typů buněk exportováno pomocí feroportinu. Takto uvolněné železo je oxidováno plazmatickým ceruloplazminem a opět navázáno na transferin. Ceruloplazmin je secernován především jaterními hepatocyty, nicméně jeho exprese byla zjištěna také například 33

34 1 Hemochromatóza v mozku a plicích. Secernovaná forma ceruloplazminu není schopna projít přes hematoencefalickou bariéru. Nicméně byla popsána také membránově vázaná forma ceruloplazminu, která je pomocí glykosylfosfatidylinositolové (GPI) kotvy navázána na plazmatickou membránu astrocytů v mozku [137] Transport netransferinového železa do buněk Transferinový cyklus je rozhodujícím mechanismem pro příjem železa do naprosté většiny buněk. Nicméně řada studií ukazuje, že existuje i odlišný transportní mechanismus, nezávislý na transferinu, pro příjem tzv. netransferinového železa. Netransferinové železo se v plazmě vyskytuje především v komplexu s citrátem. Ke zvýšení jeho hladiny dochází za patologických stavů (např. hereditární hemochromatóza, β-talasémie), kdy hladina železa v plazmě překročí vazebnou kapacitu dostupného transferinu. Mechanismus transportu netransferinového železa do buněk byl podrobně popsán v případě enterocytů (viz kap a 1.3.2). Příjem netransferinového železa byl popsán i u buněk, které jinak mají ve své plazmatické membráně transferinový receptor a přijímají železo prostřednictvím klasického Tf cyklu. Nicméně mechanismus a konkrétní proteiny, které hrají v tomto procesu roli, nebyly dosud identifikovány. Přesto bylo popsáno několik potenciálních přenašečů a možných mechanismů příjmu netransferinového železa do buňky [190]. Jedním z kandidátů je extracelulární protein NGAL (neutrophilgelatinase-associated lipocalin), také známý jako lipokalin 2 nebo 24p3 (myší lipokalin). Tento protein je exprimován zejména neutrofily a také je syntetizován epitelovými buňkami během zánětu. NGAL je schopen vázat bakteriální siderofory. Tímto způsobem zabraňuje bakteriím získávat železo z tohoto zdroje. Nedávno byl identifikován endocytický receptor megalin, který s vysokou afinitou váže protein NGAL a zprostředkovává jeho transport do buňky. Zdá se, že NGAL může mít důležitou úlohu v dodávání železa do epitelových buněk ledvin během jejich časného vývoje. Nicméně dosud není zcela jasné, zda má skutečně tento protein fyziologickou roli v transportu netransferinového železa do buněk [143]. Dalším proteinem, který by se potenciálně mohl účastnit transportu netransferinového železa do buněk je homolog transferinu melanotransferin. Dalším členem rodiny transferinů je také železo vázající protein 34

35 Metabolismus železa 1 laktoferin, který se nachází zejména v mateřském mléce a v dalších tělesných sekretech (viz kap ). Na rozdíl od transferinu a laktoferinu je melanotransferin pomocí glykosylfosfatidylinositolové (GPI) kotvy navázán na plazmatickou membránu a váže pouze jeden atom železa. Melanotransferin je ve velké míře exprimován na nádorových buňkách (zejména na buňkách melanomů) a v menších množstvích ve slinných žlázách, pankreatu, ledvinách a varlatech. Jeho schopnost vázat železo a vysoká exprese v nádorových buňkách naznačuje, že melanotransferin může pomáhat těmto buňkám s jejich zvýšenými nároky na přísun železa. Nicméně role tohoto proteinu v příjmu netransferinového železa do buňky nebyla potvrzena [88]. Jako další možnost byla popsána úloha systému β 3 -integrin/ mobilferin v absorpci trojmocných iontů železa z lumenu tenkého střeva, kdy je β 3 -integrin považován za membránový přenašeč železa a mobilferin následně zajišťuje jeho transport v rámci buňky [62]. V transportu netransferinového železa do buněk se zvažuje i role vápníkových kanálů L-typu. Zajímavé je, že spontánní mk mutace myšího DMT1 přeměňuje tento transportér železa na funkční vápníkový kanál. To je v souladu s myšlenkou, že za přenos Fe 2+ i Ca 2+ jsou zodpovědné podobné transmembránové kanály. Nedávné studie také naznačují, že transportér zinku Zip14 (známý též jako SLC39A14) může rovněž hrát roli v příjmu netransferinového železa. Transmembránový protein Zip14 je ve velké míře exprimován v plazmatické membráně buněk duodena, lačníku, jater a srdce [124]. 1.5 Regulace množství železa v organismu Jan Kovář, Jitka Neubauerová Mechanismy regulace množství železa v organismu Regulace množství železa v organismu se evidentně odehrává na dvou úrovních. (1) První úroveň představuje udržování rovnovážné hladiny železa v rámci každé jednotlivé buňky organismu a (2) druhou úroveň představuje udržování homeostázy železa v rámci organismu jako celku. Obě dvě úrovně regulace se liší mechanismy i cílovými molekulami 35

36 1 Hemochromatóza regulace. Liší se i senzory, které hladinu železa monitorují. Významnou úlohu zde potom má i komunikace mezi oběma úrovněmi regulace. 1) Udržování homeostázy železa v rámci buňky zajišťuje systém IRP/IRE (iron regulatory protein/iron responsive element) [53]. Jde o posttranskripční regulaci exprese molekul, které na jedné straně zajišťují transport železa do buňky a na druhé se účastní jeho utilizace, ukládání a popř. exportu. Hladinu železa v buňce monitorují proteiny IRP1 a IRP2. Regulace hladiny železa v buňce systémem IRP/IRE je detailně popsána v následující kapitole (viz kap ). 2) Klíčovou úlohu při udržování homeostázy železa v rámci organismu má peptid hepcidin [88, 157]. Hepcidin reguluje příjem železa do organismu prostřednictvím enterocytů a uvolňování zásob železa z hepatocytů a makrofágů. Tato regulace se zakládá na vazbě hepcidinu na feroportin a následné degradaci feroportinu. Senzorem monitorujícím hladinu železa v krevním oběhu je pravděpodobně transferin. Železem saturovaný transferin prostřednictvím několika mechanismů reguluje na transkripční úrovni expresi hepcidinu. Regulace exprese hepcidinu se ještě účastní hypoxie prostřednictvím regulace erytropoézy a také zánětlivá reakce organismu prostřednictvím interleukinu 6 ( IL-6). Regulace zajišťující homeostázu železa v organismu a centrální úloha hepcidinu v této regulaci je detailně popsaná dále (viz kap ). Klíčovou roli v komunikaci mezi mechanismy regulace hladiny železa v buňce a mechanismy regulace hladiny železa v cirkulaci pravděpodobně hraje transferinový receptor, konkrétně transferinový receptor 1 ( TfR1). Při snížení hladiny železa v buňce dojde ke zvýšení exprese TfR1 v plazmatické membráně buňky (viz kap ). Následkem toho dojde ke zvýšenému vychytávání železem saturovaného transferinu, a tím ke snížení jeho hladiny v oběhu. Snížení hladiny saturovaného transferinu v cirkulaci, jakožto senzoru hladiny železa v organismu, potom vede ke zvýšení přísunu železa do organismu přes enterocyty a zvýšení uvolňování železa z hepatocytů a makrofágů (viz kap ). Zvýšení hladiny železa v buňce navodí stejnými regulačními mechanismy opačný účinek. Analogickým způsobem může i hladina železa v krevním oběhu ovlivňovat přes transferinový receptor regulaci hladiny železa v buňce. 36

37 Metabolismus železa Systém IRP/IRE a regulace množství železa v buňce Hladina železa v buňce je posttranskripčně regulována prostřednictvím regulace exprese proteinů transportu, utilizace a skladování železa pomocí proteinů IRP1 a IRP2 (dvě izoformy proteinu IRP). Tyto regulační proteiny monitorují hladinu železa a aktivují se v případě snížení hladiny železa v buňce. Aktivní IRP1 a IRP2 se váží na specifické vlásenkové struktury ( IRE) v nepřekládaných oblastech mrna, a tím ovlivňují stabilitu této mrna, případně regulují její translaci [53]. V případě snížení hladiny železa v buňce zajistí IRP proteiny zvýšený transport železa do buňky a snížení jeho utilizace, ukládání a exportu z buňky prostřednictvím regulace exprese příslušných proteinů, což má za následek zvýšení hladiny železa uvnitř buňky. Jde tedy o proteiny, které jednak zajišťují transport železa do buňky ( transferinový receptor 1, DMT1), ale také ty, které se účastní utilizace železa ( ealas erytroidní syntetáza kyseliny 5-aminolevulové, mitochondriální akonitáza), ukládání železa (H- feritin, L- feritin) a jeho exportu z buňky ( feroportin). To znamená, že snížení hladiny železa v buňce vede ke zvýšené expresi proteinů zajišťujících transport železa do buňky a naopak ke snížení exprese proteinů, které se účastní utilizace, ukládání a exportu železa z buňky. Naopak zvýšená hladina železa v buňce vede ke zcela opačnému efektu, neboť nedochází k vazbě IRP na IRE (obr. 1.3). K navázání IRP1 a IRP2 na IRE dochází tedy pouze při nedostatku železa v buňce. Tato vazba buď zvyšuje translaci mrna, nebo ji naopak může zablokovat, což závisí na lokalizaci IRE v molekule mrna. Vazba IRP na IRE v 3 -nepřekládané oblasti mrna stabilizuje příslušnou mrna (např. mrna TfR1) a chrání ji tak před rozštěpením endonukleázou (RNAázou), což vede ke zvýšení translace. Naopak vazba IRP na IRE v 5 -nepřekládané oblasti mrna (např. mrna feritinu) neovlivňuje stabilitu této mrna, ale inhibuje její translaci a brání tak syntéze příslušných proteinů. Jediný IRE je lokalizován v 5 -nepřekládaných oblastech mrna kódujících H a L-řetězce feritinu, ealas (první enzym biosyntézy hemu), mitochondriální akonitázy (enzym citrátového cyklu) a feroportinu. Pět IRE elementů se nachází v 3 -nepřekládané oblasti mrna kódující transferinový receptor 1 (TfR1). Na rozdíl od TfR1 není exprese TfR2 regulována hladinou železa v buňce, neboť mrna TfR2 neobsahuje žádný IRE element. Jediný IRE byl rovněž identifikován v 3 -nepřekládané oblasti mrna jedné z izoforem DMT1. Přítomnost IRE elementu 37

38 1 Hemochromatóza Obr. 1.3 Regulace hladiny železa v buňce systémem IRP/IRE: IRP iron regulatory protein, IRE iron responsive element, TfR1 transferinový receptor 1, DMT1 divalent metal transporter 1, ealas erythroid 5-aminolevulinate synthase, m-akonitáza mitochondrial aconitase (viz také barevná příloha) v mrna DMT1 naznačuje, že jeho exprese může být regulována, alespoň částečně, hladinou železa v buňce. Nicméně se ukazuje, že IRE v mrna DMT1 pravděpodobně pouze okrajově ovlivňuje regulaci hladiny železa v buňce a mechanismus jeho účinku nebyl dosud zcela popsán. Aktivita obou regulačních proteinů IRP1 i IRP2 je sice regulována hladinou železa, ale prostřednictvím zcela odlišných mechanismů. Nízké hladiny železa napomáhají akumulaci aktivní formy IRP1 a stabilizují IRP2. Jak již bylo uvedeno, v případě nadbytku železa k vazbě IRP na IRE nedochází. Zvýšená hladina železa totiž podporuje konverzi IRP1 38

39 Metabolismus železa 1 z jeho aktivní formy schopné vázat IRE element na cytoplazmatickou akonitázu. Tento protein postrádá IRE vazebnou aktivitu, neboť vazebné místo pro IRE je zablokováno inkorporací 4Fe-4S klastru. Nadbytek železa zároveň iniciuje degradaci IRP2 v proteazomu Hepcidin a homeostáza železa v organismu Pro udržování homeostázy železa v rámci celého organismu má klíčovou úlohu peptid hepcidin. Hepcidin reguluje příjem železa do organismu prostřednictvím enterocytů a uvolňování železa z hepatocytů a makrofágů na základě regulace degradace feroportinu, který funguje jako transmembránový přenašeč železa ze zmíněných buněk do cirkulace [88, 157]. Hepcidin je relativně malý peptid (25 aminokyselin), který je syntetizován jako větší prekurzorová molekula hlavně v játrech. Expresi hepcidinu reguluje na transkripční úrovni hladina železa prostřednictvím železem saturovaného transferinu a následně prostřednictvím některých známých regulačních mechanismů. Hlavním senzorem, který monitoruje hladinu železa v cirkulaci, je pravděpodobně transferin. Vyšší hladina železa odpovídá vyšší hladině železem saturovaného transferinu a naopak. Zvýšená hladina saturovaného transferinu v cirkulaci vede ke zvýšené expresi hepcidinu několika mechanismy, kterých se účastní proteiny HFE (hemochromatosis gene product), transferinový receptor 2 ( TfR2) a hemojuvelin. Je známé, že naopak hypoxie vede ke snížené expresi hepcidinu. Mechanismus je založen na indukci erytropoézy hypoxií. Hypoxie způsobuje indukci exprese erytropoetinu v ledvinách, který potom stimuluje erytropoézu. Stimulace erytropoézy vede ke zvýšené utilizaci železa z transferinu pro syntézu hemoglobinu a ve svém důsledku pak ke snížení hladiny saturovaného transferinu v oběhu. Výsledkem je potom snížená exprese hepcidinu. Přesná funkce membránového proteinu HFE, který se ve značné míře exprimuje na hepatocytech, není zatím známá. Je však známo, že v případě většiny forem dědičné hemochromatózy je gen pro HFE mutovaný. HFE protein je netypický příslušník molekul hlavního histokompatibilního komplexu I. třídy (MHC I), který interaguje s β 2 -mikroglobulinem. Je také známo, že HFE interaguje s transferinovým receptorem 1 ( TfR1). Na základě toho se usuzovalo, že HFE nějakým způsobem reguluje množství železa transportovaného do buněk. Jedním z možných způsobů vysvětlení mechanismu působení 39

40 1 Hemochromatóza HFE je, že HFE kompetuje se saturovaným transferinem o vazbu na TfR1. Čím víc je saturovaného transferinu v cirkulaci, tím víc zůstává volného HFE v plazmatické membráně. Volný HFE potom zatím neznámým mechanismem indukuje expresi hepcidinu (obr. 1.4) [14, 88]. Podobně i TfR2 zatím neznámým mechanismem indukuje expresi hepcidinu. TfR2 se také jako HFE protein ve značné míře exprimuje na hepatocytech. Mechanismus působení TfR2 se může zakládat na stabilizaci molekuly TfR2 po vazbě saturovaného transferinu. Čím víc je saturovaného transferinu v oběhu, tím víc je stabilizovaného transferinového receptoru, a tím je i intenzivnější signál pro indukci hepcidinu (viz obr. 1.4) [14, 88]. Obr. 1.4 Regulace hladiny železa v rámci organismu hepcidinem: TfR1 transferinový receptor 1, HFE hemochromatosis gene product, TfR2 transferinový receptor 2, HJV hemojuvelin, shjv soluble hemojuvelin, BMP bone morphogenetic protein, BMPR BMP receptor, IL-6 interleukin-6, IL-6R IL-6 receptor (viz také barevná příloha) 40