LE PORFIRIE Sono malattie legate alla mancanza di uno degli enzimi che convertono l’acido δ amminolevulinico (ALA) nell’eme L’eme entra nella costituzione di: emoglobina e mioglobina, citocromi, perossidasi e catalasi. Le protoporfirine sono molecole fluorescenti Le porfirie sono classificate in eritroidi o epatiche a seconda della sede anatomica maggiormente colpita Mary Stuart Re Giorgio III

Nelle porfirine i sostituenti possono essere disposti in modo asimmetrico (porfirine III) o simmetrico (porfirine I) La protoporfirina IX è di tipo III

L’eme è una forma di ferro solubile biologicamente disponibile per il trasporto di elettroni. La presenza di doppi legami coniugati fa sì che esso assorba nell’UV e che sia fluorescente

Eme nell’emoglobina

Citocromo c

Eme nella catalasi

Spettro di assorbimento Spettro di fluorescenza

La prima reazione della via metabolica che porta alla sintesi dell’eme FIGURE 22-23 Biosynthesis of γ-aminolevulinate. (a) In most animals, including mammals, γ-aminolevulinate is synthesized from glycine and succinyl-CoA. The atoms furnished by glycine are shown in red. (b) In bacteria and plants, the precursor of γ-aminolevulinate is glutamate

Propionil CoA-----> Metilmalonil CoA----> Succinil CoA CH3 CH2 C=O CoA CH3 CH-COOH C=O CoA COOH CH2 C=O CoA Biotina Vitamina B12

Sintesi porfirinica (EME) Porfobiligeno sintasi Cellule eritroidi 85% Fegato 15% Porfobilinogeno deaminasi Uroporfirinogeno cosintasi III Uroporfirinogeno decarbossilasi Coproporfirinogeno ossidasi Delta-ammino levulinico sintasi

Delta ALA Sintasi: 2 isoforme mRNA della forma eritrocitaria mRNA presente nelle altre cellule

Anemia sideroblastica Dovuta a mutazioni della forma eritrocitaria della ALA sintasi Porta ad un accumulo di ferro nel mitocondrio pero’ la sintesi dell’eme e’ difettosa

Matrice mitocondriale Complesso Chaperone- ALA sintasi ALA sintasi Attiva (emivita 60 min) Trasportatore + proteasi Chaperone + ATP citosol Matrice mitocondriale

Sintesi dell’eme La condensazione del succinilCoA e della glicina dà l’ a -amino- b -chetoadipato che viene decarbossilato a δ -aminolevulinato (ALA) dalla ALA sintasi, un enzima mitocondriale che costituisce la tappa limitante della via Nel citosol 2 molecole di ALA vengono condensate dalla ALA deidratasi a dare il porfobilinogeno

Sintesi dell’eme 2 molecole di porfobilinogeno condensano testa-coda, grazie alla uroporfobilinogeno sintasi, a dare l’anello tetrapirrolico L’uroporfobilinogeno III viene decarbossilato a coproporfobilinogeno III che entra nel mitocondrio dove verrà convertito a protorfirinogeno III a protoporfirina IX e infine a eme L’ultimo passaggio è l’introduzione dell’atomo di ferro ad opera della ferrochelatasi

Shemin pathway E’ la via di biosintesi dell’acido δ-aminolevulinico (ALA) degli animali La reazione è catalizzata dalla ALA sintasi che utilizza PLP come cofattore, a partire da glicina e succinil CoA Nelle piante, nei batteri e negli archea la sintesi parte dall’acido glutammico

δ -acido aminolevulinico sintasi δ -acido amino levulinico sintasi di Rodobacter capsulatus La δ -acido aminolevulinico sintasi è un omodimero Ciascun monomero è costituito da 3 domini: il dominio centrale lega il PLP e contribuisce alla dimerizzazione La proteina umana ha una similarità del 49% con quella cristallizzata Mutazioni che alterano il folding, inattivano l’enzima e impediscono la dimerizzazione causano l’anemia sideroblastica

ALA DEIDRATASI O PGB SINTASI Il meccanismo di reazione comporta il legame delle due molecole di ALA in 2 siti distinti sull’enzima (sita A e sito P) Ciascuna di esse forma una base di Schiff con un residuo di Lys Il deficit di PGB sintasi causa una porfiria epatica acuta

ALA deidratasi (porfobilinogeno sintasi, PGB) da P. aeruginosa Le PGB sono enzimi con masse molecolari di 280-300 kDa, costituite da 8 subunità Ogni monomero ha un TIM barrel fold, un loop chiude il sito catalitico Nel sito catalitico è presente un metallo che può essere Mg2+ o Zn2+ E’ molto sensibile all’inibizione da parte di metalli pesanti (avvelenamento da piombo)

La PGB deaminasi e la uroporfilinogeno sintasi creano l’asimmetria della porfiria La PGB deaminasi utilizza un cofattore legato covalentemente al sito attivo che deriva da 2 molecole di PGB. Mutazioni a livello di alcune Arg del sito attivo causano Porfiria acuta intermittente (AIP) Mutazioni della sintasi danno la porfiria eritropoietica congenita (malattia di Gunther), caratterizzata dall’accumulo di uroporfirinogeno I che è tossico

La decarbossilasi decarbossila i 4 gruppi acetato a gruppi metile del coproporfirinogeno III. Un deficit di uroporfirinogeno III decarbossilasi causa la porfiria cutanea tarda. L’enzima è un dimero, formato da due monomeri α/β barrel La decarbossilazione successiva converte i gruppi propionici a gruppi vinilici dando il protoporfirinogeno IX ed è catalizzata dalla coproporfirinogeno III ossidasi, localizzata sul lato interno della membrana mitocondriale esterna Un suo defict causa la coproporfiria ereditaria .

coproporfirinogeno III ossidasi da E. coli L’enzima è un omodimero costituito da un foglietto b centrale circondato da a -eliche Nel sito catalitico ci sono 4 residui conservati di His

Gli ultimi due passaggi consistono in: un’ossidazione del protoporfirinogeno IX a protoporfirina IX, catalizzata da un’ossidasi. L’enzima umano è una flavina dimerica che utilizza O2. il suo deficit causa la porfiria variegata nell’inserzione del ferro ad opera della ferrochelatasi. Il Fe3+ ambientale deve essere ridotto per essere chelato

FIGURE 22-24 Biosynthesis of heme from γ-aminolevulinate FIGURE 22-24 Biosynthesis of heme from γ-aminolevulinate. Ac represents acetyl (—CH2COO–); Pr, propionyl (—CH2CH2COO–).

Difetti a livello di ciascuno degli 7 enzimi della sintesi dell’eme sono causa di una forma di porfiria

A livello subcellulare la biosintesi dell’eme si svolge in parte nel mitocondrio in parte nel citosol

Nel 1913 H. Metz Beyer dimostrò che la malattia fotosensibile mutilante descritta 2 anni prima era dovuta alla presenza di un eccesso di porfirine La luce UV fotoeccita le porfirine che allo stato di tripletto reagiscono con l’ossigeno molecolare generando il radicale dell’ossigeno che provoca vari danni

Le urine sono rosso scuro e fluorescenti I sintomi possono essere di 2 tipi: Lesioni bollose – tipiche dei pazienti affetti da porfiria cutanea tarda (PCT) o da porfiria variegata (VP) Fotosensibilità immediata – tipica dei pazienti affetti da porfiria eritropoietica (EP)

Edema durante un attacco acuto di porfiria eritropoietica Porfiria cutanea tarda

Si conoscono 7 diverse porfirie: Il deficit di ALA sintasi – causa l’anemia sideroblastica, malattia legata all’X Il deficit di acido levulinico deidratasi (ADP) o plumboporfiria – dà una porfiria epatica acuta, a ereditarietà autosomica recessiva, con paralisi progressiva degli arti La porfiria acuta intermittente (AIP) – dovuta al deficit di porfobilinogeno deaminasi; malattia autosomica dominante; tra sintomi dolore addominale, sintomi gastroenterici, deficit motori e sensoriali La porfiria congenita (CP) o malattia di Gunther – dovuta a deficit di uroporfirinogeno III cosintasi. Sintomi: urine brune; fotosensibilizzazione cutanea, fluorescenza rossa dei denti; anemia. E’ l’unica porfiria esclusivamente eritrocitaria.

5. La porfiria cutanea tarda (PCT) – è dovuta ad un deficit di uroporfilinogeno decarbossilasi. Sintomi: lesioni bollose sulle parti del corpo esposte alla luce; siderosi e cirrosi epatica 6. La coproporfiria ereditaria (HCP) – malattia autosomica dominante, dovuta a un deficit di coproporfirinogeno ossidasi, enzima mitocondriale. Sintomi neuroviscerali; tetraplegia e paralisi respiratoria; fotosensibilità cutanea 7. La porfiria variegata (VP) – malattia autosomica dominante, dovuta a deficit di protoporfirinogeno ossidasi. Variegata perché possono coesistere disturbi neuroviscerali e fotosensibilità 8. La protoporfiria eritropoietica (EP) – dovuta a deficit di ferrochetalasi, che causa accumulo di protoporfirine libere negli eritrociti, nelle feci e nel plasma. Sintomi: fotosensibilità e compromissione epatica

I sintomi sono dovuti anche alla localizzazione dell’intermedio che si accumula Le diverse porfirie hanno sintomi diversi (scottature, edema, vesciche) a seconda della solubilità dei diversi intermedi

In presenta di un deficit ereditario non grave alcune porfirie possono essere scatenate da farmaci

La porfiria cutanea tarda è spesso una malattia acquisita Radicali liberi provocano la sintesi a livello epatico di un inibitore della uroporfilinogeno decarbossilasi. Consumo di alcool, assunzione di estrogeni e epatiti sono fattori scatenanti la malattia

La PCT può essere causata anche da altri agenti epatotossici come l’esacloro benzene, un fungicida usato in Turchia negli anni ’50 per contrastare l’infezione da parte del fungo Tilledia foetida La PCT presenta altri danni epatici: cirrosi, epatocarcinoma La somministrazione di clorochina (che si lega all’uroporfirinogeno e ne favorisce l’escrezione) dà la remissione dei sintomi in circa 3 mesi

Terapia La terapia è sintomatica (protezione dalle radiazioni UV) Nei casi gravi con interessamento epatico si può ricorrere al trapianto di fegato La somministrazione di eme (in forma solubile, arginato di emina) può dare sollievo ai sintomi Nelle forma scatenate da fattori ambientali, riduzione dell’assunzione di alcol, farmaci, estrogeni; diete ricche di carboidrati

FIGURE 22-25 Bilirubin and its breakdown products FIGURE 22-25 Bilirubin and its breakdown products. M represents methyl; V, vinyl; Pr, propionyl; E, ethyl. For ease of comparison, these structures are shown in linear form, rather than in their correct stereochemical conformations.

Tipo I inducibile dal substrato Tipo II costitutivo FIGURE 22-25 (part 1) Bilirubin and its breakdown products. M represents methyl; V, vinyl; Pr, propionyl; E, ethyl. For ease of comparison, these structures are shown in linear form, rather than in their correct stereochemical conformations.

FIGURE 22-25 (part 2) Bilirubin and its breakdown products FIGURE 22-25 (part 2) Bilirubin and its breakdown products. M represents methyl; V, vinyl; Pr, propionyl; E, ethyl. For ease of comparison, these structures are shown in linear form, rather than in their correct stereochemical conformations.

Intossicazione da Pb

Fonti ambientali Costruzione di condutture per scarichi urbani in aumento fino alla seconda guerra mondiale, poi sostituito con materie plastiche. Batterie Additivo nelle benzine Incenerimento dei rifiuti Industrie metallurgiche NOTA BENE: Il Pb presente negli alimenti deriva soprattutto da inquinamento ambientale

Tossicità Assorbimento più elevato nei giovani Bersagli primari i globuli rossi, poi il sistema cardiovascolare, gastrointestinale, nervoso, riproduttivo e renale. Alcuni enzimi della via biosintetica dell’eme sono suscettibili all’intossicazione da Pb: eme sintetasi, d-ALAD (deidrasi), ferrochelatasi, d-ALAS (sintasi), uroporfirinogeno decarbossilasi e coproporfirinogeno ossidasi.

TOSSICITÀ DEL PIOMBO Manifestazioni della tossicità da piombo al variare delle concentrazioni ematiche di PB negli adulti e nei bambini -ALA =  -aminolevulinato.

Biosintesi dell’eme Ala-sintasi Ala-deidrasi Ferrochelatasi

ALA deidrasi citoplasma mitocondrio ALA deidrasi citoplasma ALA deidrasi: ottamero ogni subunità lega 8 ioni Zn, 4 dei quali sono essenziali per l’attività; quando Pb si lega al posto dello Zn si ha inibizione enzimatica. I conseguenti alti livelli di ALA nel sangue sono responsabili dei disordini neurologici provocati dal Pb. ALA ha struttura simile a GABA (g-aminobutirrico)

Test clinici Misura del Pb ematico (piombemia): il più specifico!!! Misura della protoporfirina: dal momento che il Pb inibisce la ALA-deidrasi e la ferrochelatasi si accumulano acido delta aminolevulinico e protoporfirina; valori di quest’ultima >35 mg/dL ; Anche nelle anemie da carenza di Fe Misura della inibizione di ALA-deidrasi