Медицина / Физиология / Физиология (статья)

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 4

ЭритроцитПРОДОЛЖЕНИЕ. НАЧАЛО ЗДЕСЬ:

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 1

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 2

Эритропоэз: Гемоглобин и Эритроциты. Часть 3

Организм человека содержит примерно 4 г железа. В норме 1-2 мг железа в сутки усваивается из пищи энтероцитами двенадцатиперстной кишки. Абсорбированное энтероцитами железо поступает в кровь по мере необходимости. Попадая в кровь железо связывается с трансферрином. Если организм не нуждается в поступлении железа, оно остается в энтероцитах и затем выводится из кишечника в составе сгущавшегося эпителия. Около 3 мг железа циркулирует в крови в комплексе с трансферрином – это железа поступает в клетки посредством TfR1-зависимого рецептор-индуцируемого эндоцитоза. В нормальном состоянии большая часть железа в плазме крови находится в комплексе с трансферрином.

Большинство клеток получают железо из этого комплекса путем рецептор-индуцируемого эндоцитоза (рецепторы TfR1 и TfR2). Трансферрин – гликопротеид, содержащийся в плазме крови в большом количестве, который обладает высокой аффинностью при связывании двух молекул 3-валентного железа. Холотрансферрин (Holotransferrin TF – трансферрин, связанный с двумя молекулами железа) при внеклеточном pH близкому к показателю 7,4 способен быстро вступать в связь с TfR1. Эндоцитоз происходит в окаймленных ямках – специальные структурные образования на плазматической мембране. Такая инвагация окаймленной ямки внутрь клетки формирует окаймленный пузырек, который быстро преобразуется в эндоцитозный пузырек. Кислая среда способна вызывать изменения как в трансферрине, так и в молекуле TfR1, в результате чего происходит диссациация 3-валентного железа от комплекса. При этом трансферрин охраняет связь с рецептором. Затем редуктаза Steap3 восстанавливает Fe³⁺ до Fe²⁺, которое переносится из эндосомы в цитоплазму с помощью протеина DMT-1. TfR1 в комплексе с апотрансферрином возвращается на плазматическую мембрану, где может вступать в новый цикл эндоцитоза.

Основная часть этого железа предназначается для развития эритроцитов костного мозга, где его потребление составляет в среднем 22 мг/сут, а также для образования гемоглобина. Примерно 65-70% железа организма содержится в эритроцитах крови. Старые и поврежденные эритроциты удаляются из циркулирующей крови макрофагами ретикулоэндотелиальной системы, где Fe высвобождается из гемоглобина и экспортируется в плазму крови или депонируется в комплексе с ферритином. Частично железо поступает из старых эритроцитов (после фагоцитоза эритроцитов макрофагами Fe попадает в фагосомы, откуда рециркулируется обратно в кровь). Железо присутствует в цитоплазме макрофагов при участии ферропортина и поддержке феррооксидазной активности церулоплазмина и гемовой оксидазы. Также макрофаги располагают белками-транспортерами – DMT-1, IMP (integrin-mobilferrin protein, интегрин-мобилферриновый протеин), HFE (белки-регуляторы) и другие железо-регуляторные протеины. Данный процесс можно структурировать следующим образом:

1. В макрофагах железо высвобождается из порфиринового кольца с помощью гемовой оксидазы.

2. Железо входит в фагосомы макрофагов (в этом процессе задействуются ферропортин и церулоплазмин, обладающий восстановительной способностью).

3. В эндосомах железо вступает в связь с DMT-1 и IMP (белками-транспортерами).

4. Железо передается на апотрансферрин, потом в эритроцитах феррохелатаза «вставляет» 2-валентное железо в протопорфин IX для построения гема. В результате железо, содержащееся в старых эритроцитах, путем ряда последовательных соединений с соответствующими протеинами возвращается в циркулирующую кровь, где вступает в соединение с трансферрином.

Помимо поступления железа из желудочно-кишечного тракта и его высвобождения из погибающих эритроцитов также существует альтернативный путь транспорта железа. 3-валентное железо соединяется с муцином, который передает его на интегрин, затем, после перемещения железа в энтероцит, оно вступает в связь с мобилферритином. В плазму крови из клеток ретикулоэндотелиальной системы высвобождается примерно 22 мг железа в сутки, таким образом компенсируя потребности костного мозга. Другие клетки организма получают железо из плазмы крови в небольшом количестве для синтеза железосодержащих протеинов (например, гемсодержащие цитохромы и содержащие железосерный кластер протеины). В этих протеинах содержится около 10-15% железа организма. Остальные 20% храниться в депо (в основном в макрофагах и гепатоцитах). Организм теряет железо при слущивании ороговевших клеток на коже и слизистых оболочках, а также в результате кровопотери.

Системные регуляторы метаболизма железа

Процесс транспорта железа строго контролируется и регулируется в соответствии с потребностями организма. Необходимый уровень внутриклеточного железа поддерживается отдельными клетками, которые способны менять активность соответствующих протеинов на разных уровнях. Кроме этой «внутренней» регуляции клеточный транспорт железа могут контролировать внешние системные регуляторы (макрофаги ретикулоэндотелиальной системы, энтероциты кишечника, гепатоциты). Несмотря на то, что открытие новых регуляторов обмена железа выявило сложность системы поддержки гомеостаза железа, это помогло значительно продвинуться в изучении общего принципа функционирования этой системы.

Гепцидин

Открытие регуляторного белка гепцидина стало ключевым моментом в понимании принципов регуляции системного гомеостаза железа. Этот протеин состоит из 25 аминокислот, имеет особую волосоподобную структуру и содержит 4 цистиновых мостика. Гепцидин обладает противомикробными свойствами.

Исследователи во главе с Парком (Park) в 2001 году изучали антимикробные свойства разных биологических жидкостей организма человека. В ходе этой работы ученые выделили из мочи новый пептид, который получил название гепцидин (hepcidin). Название нового компонента – комбинация двух слов: hepar («печень» – место синтеза пептида) и cidin («уничтожать» - этот термин подчеркивает антимикробные свойства этого вещества). Последующие исследования показали, что образование гепцидина происходит не только в печени, но и в тубулярной системе почек. Так, ученые во главе с Краузом (Krause) провели независимое от Парка исследование, результатом которого стало выделение похожего пептида из ультрафильтрата плазмы крови, получившего название LEAP1 (liver expressed antimicrobial peptide). Была показана последовательность зрелого протеина, состоящего из 25 аминокислот в отдельном буквенном шифре.

Влияние гепцидина на обмен железа впервые обнаружил ученый Pigeon с группой исследователей при изучении реакций печени на перегрузку железом. Исследования показали, что при стимуляции образования матричной РНК гепцидина происходит не только при парентеральной или алиментарной перегрузке железом, но и при введении мышам липополисахарида. На основании полученных данных специалисты предположили, что процесс синтеза гепцидина взаимосвязан с метаболизмом железа и иммунными реакциями.

Более поздние исследования продемонстрировали ключевую роль гепцидина в регуляции процесса усвоения железа в кишечнике и рециркуляции железа из клеток моноцитарно-макрофаговой системы. Исследования, возглавляемые Николасом (G. Nicolas), показали, что у мышей с изъятым геном USF2 (отвечает за образование гепцидина) развивался гемохроматоз. На основании этих данных специалисты заключили, что гепцидин оказывает негативное влияние на процесс усвоения железа в желудочно-кишечном тракте и ингибирует процессы рециркуляции железа из макрофагов.

Флеминг (R.E. Fleming) и Слай (W.S. Sly) предположили, что чрезмерная продукция гепцидина, которая наблюдается при воспалительных и инфекционных процессах, может играть ключевую роль в развитии анемии при хронических заболеваниях. Так, трансгенные мыши, в организме которых вырабатывалось чрезмерное количество гепцидина, умирали от тяжелого дефицита железа. Таким образом авторы сделали вывод, что гепцидин представляет собой отрицательный регулятор трансплацентарного переноса железа к плоду.

Группа специалистов во главе с Вейнштейном (Weinstein) продемонстрировали двух пациентов с большими аденомами печени и сопутствующей микроцитарной рефрактерной к железу анемией. После проведения полной резекции опухоли у обоих пациентов уровень гемоглобина в крови быстро восстановился. Таким образом было установлено, что одной из причин развития анемии является избыточная продукция гепцидина опухолевой тканью.

Гепцидин синтезируется в клетках печени (гепатоцитах) и выделяется в плазму крови, где препятствует экспорту железа из разных типов клеток в кровь. Синтез гепцидина снижается в ответ на соответствующие стимулы, повышающие экспорт железа из клеток (дефицит железа, высокий уровень эритропоэза), и увеличивается при состояниях, требующих снижение экспорта железа в системное русло (воспалительный процесс, переизбыток железа в крови).

На поверхности клеточной мембраны гепцидин способен непосредственно взаимодействовать с ферропортином и индуцировать его проникновение в цитоплазму с последующей деградацией, тем самым снижая скорость экспорта железа из клетки. На сегодняшний день ученые выяснили 4 регуляторных пути, контролирующих синтез гепцидина:

1. Регуляция в ответ на изменение общего уровня железа
2. Регуляция в ответ на изменение интенсивности эритропоэза
3. Регуляция в ответ на воспаление
4. «Обязательный» сигнальный путь (mandatory signaling pathway)

В качестве индикатора общего уровня железа в организме принято считать степень насыщения трансферрина железом в крови. Путь передачи этого сигнала на гепцидин полностью не изучен, однако новые исследования по изучению взаимодействия трансферрина и HFE c TfR1 и TfR2 привели к гипотетической модели, которая демонстрирует, как циркулирующее железо, связанное с трансферрином, оказывает влияние на формирование комплекса HFE с TfR2 на поверхности гепатоцитов. Этот комплекс способен повышать продукцию гепцидина посредством пока не изученного внутриклеточного сигнального пути.

Рецептор трансферрина второго типа стабилизируется холотрансферрином, в результате чего повышается количество TfR2 на клеточной мембране при повышении уровня этой формы протеина. Трансферрин и HFE связываются с рецептором трансферрина первого типа на частично перекрывающихся участках и конкурируют за связывание. Повышение уровня холотрансферрина приводит к вытеснению HFE из комплекса с трансферрином и, как следствие, к перемещению HFE из эндосом, содержащих TfR1, на плазматическую мембрану. При высвобождении TfR1 из комплекса с HFE происходит усиление транспорта железа в клетку. HFE, вытесненный из комплекса с TfR1, вступает в связь с рецептором трансферрина 2-го типа, формируя комплекс, который предположительно передает сигнал на гепцидин.

При гипоксии или анемии низкое парциальное давление кислорода индуцирует стабилизацию фатора гипоксии HIF-1a, что приводит к продукции эритропоэтина в почках. Эритропоэтин повышает интенсивность эритропоэза и потребность железа в костном мозге. Таким образом начинается мобилизация железа из депо и повышение уровня абсорбции энтероцитами посредством понижения уровня гепцидина, несмотря на уровень содержания железа в крови.

Регуляция в ответ на изменение интенсивности эритропоэза осуществляется посредством фактора, отвечающего за передачу сигналов из костного мозга в гепатоциты на гепцидин. Ранее считалось, что за это отвечает растворимая форма рецептора трансферрина первого типа и GDF-15 (Growth Differentiation Factor 15). Но в 2013 году ученые открыли эритроферрон – молекулу, участвующая в регуляции синтеза гепцидина. Ученые установили, что эритроферрон образуется в эритрокариоцитах костного мозга.

Регуляция синтеза гепцидина проходит по принципу обратной связи: чем активнее эритропоэз и больше эритроидных клеток в костном мозге, тем больше синтезируется эритроферрона, при этом ингибируется образование гепцидина. Таким образом обеспечивается высокая доступность железа, необходимого для образования эритроцитов. И наоборот, низкое содержание эритроидных клеток-предшественников обеспечивает низкий уровень эритроферрона, в результате чего повышается секреция гепцидина и, как следствие, доступность железа для эритропоэза снижается.

Третий путь регуляции экспрессии гепцидина контролируется воспалительным процессом. этот путь индуцируется преимущественно интерлейкином-6. При этом активируется Jak/Stat – путь передачи сигнала в ядро и происходит регуляция экспрессии гена гепцидина. Исследования показали, что регуляция уровня гепцидина при изменении общего уровня железа и интенсивности эритропоэза зависит от активности дополнительного пути, который контролирует протеин гемоювелин (HJV). Ученые предполагают, что гемоювелин поддерживает передачу сигнала посредством BMP/Smad – пути сигнальной трансдукции. Мутация гемоювелина приводит к нарушению обоих путей сигнализации. При исследовании промоторной области гена гепцидина были обнаружены области связи разных транскрипционных факторов (C/EBPa, p53, USF, HNF4a), роль которых в процессе регуляции экспрессии гепцидина до сих пор полностью не изучена.

Структура гемоглобина

Гемоглобин состоит из железосодержащего гема и белка глобина. Каждая цепь глобина имеет включение молекулы гема, содержащей атом железа, который связывает кислород. Транспортировать кислород может только 2-валентное железо. У взрослого человека большее количество гемоглобина содержит две цепи: α-глобин (содержит 141 аминокислот) и β-глобин (содержит 146 аминокислот). Эти цепи кодируются генами α-глобиновых кластеров и генами β-глобиновых кластеров, которые находятся в разных хромосомах. Ген α-глобина человека локализуется в 16-й хромосоме (позиция p13.3-pter); ген β-глобина – в 11-й хромосоме (позиция p15.5). Гены, отвечающие за кодирование γ-, β- и ε-цепи, локализуются в 11-й хромосоме. Последовательная экспрессия разных генов глобина при онтогенезе вызывает смену преобладающего типа гемоглобина. Так, у новорожденных преобладает синтез γ-цепей, а не β- (γ-цепи, объединяясь с α-цепями, образуют фетальный гемоглобин – гемоглобин F).

Среди белков эритроцитов примерно 95% приходится на гемоглобин. Молекула гемоглобина представляет собой тетрамер, состоящий из двух гомологичных димеров. У здоровых лиц гемоглобин содержит три компонента. Из всего количество гемоглобина в организме примерно 90% приходится на долю гемоглобина A1, 2,5% составляет гемоглобин A2 и 7,5% - гемоглобин A3. Конфигурация молекулы гемоглобина и отдельных его цепей может меняться, в результате чего образуются формы гемоглобина разной степени аффинитет к кислороду.

Время жизни эритроцитов составляет в среднем 100-120 дней. В конце этого периода клетки стареют и разрушаются путем фагоцитоза макрофагами ретикулоэндотелиальной системы (печени, селезенки, костного мозга), расщепляясь на гем и глобин. Затем глобин распадется на аминокислоты, которые поступают в пул аминокислот печени и используются в зависимости от конкретных потребностей организма. Гем теряет железо, а оставшиеся пиррольные кольца образуют зеленый пигмент биливердин, который преобразуется в билирубин – желтый пигмент, содержащийся в желчи.