PORFİRİN ve SAFRA PİGMENTLERİNİN METABOLİZMASI: Dr.V.Kenan ÇELİK vkcelik@cumhuriyet.edu.tr

Hem Metabolizması Sentez (Biochem) Porfirin nedir Porfirin Senthezi d-aminolevulinate (ALA) porphobilinogen tetrapyrrole (linear) uroprophyrinogen III coproporphyrinogen III protoporphyrinogen IX protoporphyrin IX protoheme IX Anormal Porfirin sentezi Hem sentezinin düzenlenmesi Porfirialar (Clinical) Klinik önemi Kurşun zehirlenmesi Yıkımı (Biochem) Bilirubin Oluşumu Bilirubin Taşınımı Bilirubin konjugasyonu Bilirubin prosesi (intestine) sarılık (Kliniksel) Pre-hepatik Hepatik Post-hepatik

PORFİRİNLER: Temel yapı PORFİN dir.

4 pirol halkası ile oluşturur. Porfirinler A D B C 4 pirol halkası ile oluşturur.

Porfirinler 4 meten (=CH—)bağı yapar.

Porfirinler

Hem proteinler Hemoglobin (oksijen transportu) Miyoglobin (oksijen transportu) Sitokromlar (electron transport) Katalaz (H2O2 kullanımı)

Porfirinojenler: Porfirinlerden farkı: Hidrojen sayısı Çift bağların kalıbı

Kliniksel öneme sahip porfirinojenler Uroporfirinojenler Coproporfirinojenler Protoporfirinojenler

Porfirinlerin özellikleri Renk: koyu kırmızı/mor Fluoresan

Porfirinojenlerin özelikleri Renksiz Fluoresan değil Kolayca porfirinlere oto-okside olurlar, özellikle düşük pH da

Çözünürlükleri Karboksilat gruplarının sayısına bağlıdır, -COO- uroporfirinojenler, 8 Karboksilat coproporfirinojenler, 4 karboksilat protoporfirinojenler, 2 karboksilat Bu farklılıklar atılım rotasını belirler.

Süksinil CoA + Glisin Ferrochelatase Pb-sensitive HEME Fe2+  -Aminolevulinat sentaz pyridoxal fosfat gereksinir -Aminolevulinic acid  Coproporphyrinogen III Protoporphyrin IX  MITOCHONDRIA -Aminolevulinic acid (iki molekül) CYTOPLASM Aminolevulinic acid dehidrataz zinc-containing enzyme Pb-sensitive Porphobilinogen    4 molekül katılımı Uroporphyrinogen III Coproporphyrinogen III Şekil 1. HEM sentezinin metabolik yolağı.

Reaksiyon 1 (ALA Sentaz) Yer: mitokondri ALA’ı Ala ile karıştırmayın! ALA sentazın iki izoenzimi var "housekeeping" version erythroid-specific version

Reaksiyon 2 (ALA dehidrataz) Yer: sitoplazma porfobilinojen ile porfirinojen’i karıştırmayın! Pirol halkası ve yan zincir oluşumu

Reaksiyon 2’nin mekanizması Schiff-bazı mekanizması , Çinko gereksinir.

Reaksiyon 3 (PBG Deaminaz) (porfobilinojen) Yer: sitoplazma Ürün: linear tetrapyrrole Yan zincir kalıbı (A=asetat, P=propionat) PBG deaminaz’ın iki formu var (alternatif splicing)

Reaksiyon 4 (cosentetaz) Yer: sitoplazma

Reaksiyon 5 (dekarboksilaz) Yer: sitoplazma Uro-III ün Copro-III’ a dönüşümü Uro-I ,Copro-I’ ne dönüşebilir

Reaksiyon 6 (oksidaz) Yer: mitokondri Ürün: proto-IX copro-I’in üzerinde etkisizdir.

Reaksiyon 7 (Oksidaz) Yer: mitokondri Çift bağların oluşumu Halkanın düzlemselleşmesi.

Reaksiyon 8 (Ferroşelataz) Yer: mitokondri

Porfirinojenler üzerine ... TÜM porfirinojenler kendiliğinden okside olarak ( reaksiyon 7’de 6 H’in kaybı gibi) porfirinleri oluşturabilir. Yalnızca protoporfirin hem yapımına gider. vitamin B12,ve klorofil öncülüdür, Uro-1 ,copro-1’ne dönüştürülebilir, fakat copro-1 daha ileri gidemez.

Hem yapısı

Hem nerelerde sentezlenir? Vücudun her tarafında yer alır. Önemli bölgeler kemik iliği (totalin ~70-80% ) ve karaciğer (~15%)

Karaciğerde hem’e ne olur? 65% sitokrom P-450 için 15% katalaz için 8% sitokrom b5 için 6% mitokondrial sitokromlar için

Hem sentezinin düzenlenmesi Karaciğer de: ALA sentaz hız-sınırlayıcı dır. ALA sentaz kısa bir yarı-ömre (~1 saat) sahiptir ALA sentaz [heme] tarafından regüle edilir. hem ALA sentaz geninin transkripsiyonunu inh.eder. hem ALA sentaz geninin translasyonunu inh.eder. hem ALA sentazın mitokondriye transferini inh. eder. hem ALA sentaz aktivitesini inhibe eder.

Eğer hem gereğinden fazla üretilirse…. Aşırı hem, hemin’e (Fe+++) okside edilebilir. Hemin de aynı zamanda ALA sentaz inhibitörüdür. Hemin bazı porfiriaların tedavisinde kullanılır.

Hem sentezinin indüksiyonu. Karaciğer de, ALA sentaz aktivitesi birçok ilaçlar, steroidler ve diğer kimyasallar tarafından indüklenir. Örneğin: fenobarbital, fenitoin, rifampin (diğerleri için bakabileceğiniz adres.. http://medicine.iupui.edu/flockhart/) Listeyi ezberlemenize gerek yok (şimdilik) İlaç etkileşimlerine önemli bir kaynak.

Hem sentezinin düzenlenmesi. erithroid hücreler de: erithroid ALA sentaz’ın mRNA sı 5'-untranslated bölgesinde “iron-responsive element”(demire-duyarlı kısım) Hipoksi ALA sentaz üretimini stimüle eder. Erithropoietin ALA sentaz üretimini stimüle eder. Barbiturat ve benzer ilaçlar erithroid hücrelerde ALA sentaz üzerinde herhangi bir etkileri yoktur.

Hem yıkımı ve Safra pigmentlerinin oluşumu: Hem nerden gelir: Çoğu yaşlı/hasarlı eritrositlerden (hemoglobin) RBC’lerin ömür ~120 gün Ömrünü tamamlayan RBC’ler Reticuloendothelial system de yıkılırlar. Günde 6-8 g hemoglobin üretilir 10-20% ‘de diğer hem-içeren proteinlerden

Formation of Bilirubin: Overview Bilirübin oluşumu Formation of Bilirubin: Overview

Basamak 1: Bilirübin oluşumu Proteazlar

Basamak 1: Bilirübin oluşumu Enzim: Hem oksigenaz Yer : dalak; aynı zamanda kc, böbrek

Basamak 1: Bilirübin oluşumu

Basamak 2: Bilirübin serumda taşınımı Bilirübin suda-çözünür Değildir Bilirübin kanda serum albumin’e, bağlanarak taşınır

Basamak 3: Bilirübin kc hücrelerine girer Bilirübin serum albüminden ayrılmalıdır Ayrışmayı kolaylaştıranlar: asidozis Yağ asitleri, ilaçlar, boyalar hematin

Basamak 3: Bilirübin kc hücrelerine girer Karaciğer de bir transporter ayrışmış bilirübini taşır Hücre içerisinde, ligandin bilirübini bağlar

Basamak 4: Konjügasyon

Hepatositlerde Düz ER UDP-glukuronil transferaz (UDPGT) içerir Basamak 4: Konjügasyon Hepatositlerde Düz ER UDP-glukuronil transferaz (UDPGT) içerir Glukuronidasyon (konjugasyon):Karaciğer xenobiotiklerin suda-çözünürlüğünü artırmak için kullandığı yaygın bir reaksiyondur UDPGT’ın iki izoformunu gerektirir Bilirübine iki glukuronid takılır

"Direct" ve "Indirect" Bilirübin Konjuge edilmiş bilirübin suda-çözünür; unconjugated bilirübin çözünmez Bilirübin (BR) van den Bergh reaksiyonu ile ölçülür --diazo sulfanil ürünleri renkli ürünlerdir ve spektrofotometriksel olarak ölçülebilir

"Direct" ve "Indirect" Bilirübin Suda-çözünür (conjugated) BR "Direct" BR olarak adlandırılır Alkol ve başka ayıraçlar eklenebilir, Suda-çözünmeyen BR (unconjugated, albumin’e bağlı) "Indirect" BR denir BR-d çok nadir bulunur: Albümine kovalent olarak bağlanır, ve “direkt Br” olarak tepkir

Basamak 5: Safraya katılım Conjugated bilirübin “ATP-driven transporter” tarafından safraya pompalanır Transporter defektleri genetik hastalıklara neden olur

Basamak 6: İnce barsak ve ötesi… Safra önce safra kesesine, sonra ince barsağa gider ileum ve colon içerisinde, bakteriyal glukuronidazların etkisi ile, Bilirübin oluşur!

Basamak 6: İnce barsak ve ötesi… Bacterial etkinin devamı…. (colorless!) Bazı urobilinogenler tekrar emilir

Reabsorbe edilen urobilinogenler ne olur? Bir kısmı tekrar karaciğere döner Tekrar bilirubin’e okside edilebilir Urobilinogenler ve bilirübin konjüge edilerek safraya verilir (enterohepatik sirkulasyon) Bazısı da (~4 mg/gün) idrar ile atılır

Urobilinogenler ne olur? Absorbe edilmeyen urobilinogenler: Urobilinlere dönüştürülür Fecese rengini (kahverengi-turunç) veren pigmentlerdir

Şekil 2. Hemoglobin’in yıkımı. BLOOD CELLS Stercobilin excreted in feces Urobilinogen formed by bacteria Urobilin excreted in urine Heme Globin Hemoglobin KIDNEY CO Biliverdin IX Heme oxygenase O2 reabsorbed into blood INTESTINE via bile duct to intestines Bilirubin (water-insoluble) NADP+ NADPH Biliverdin reductase Bilirubin diglucuronide (water-soluble) 2 UDP-glucuronic acid Bilirubin (water-insoluble) via blood to the liver LIVER Şekil 2. Hemoglobin’in yıkımı.

urobilinogenler in idrarla atılımı 0.2-3.3 mg/gün Normal BR atılımı: urobilinogenler ve urobilinler’in günlük fecesle atılan miktarı 40-280 mg urobilinogenler in idrarla atılımı 0.2-3.3 mg/gün Bilirübin idrarda görülmez

Normal olarak bulunmaz Yanlızca conjugated BR idrarda görülebilir İdrar da Bilirubin…. Normal olarak bulunmaz Yanlızca conjugated BR idrarda görülebilir Buda yanlızca conjugated BR in kanda düzeyleri çok yüksek olduğunda meydana gelir

Kanda bilirübin fazlalığı Unconjugated:  BR oluşturulması(artmış sentez) Karaciğere alımında defekt eksik konjugasyon Conjugated: Safraya taşınımında defekt Safra kanallarının tıkanması

Kanda bilirübin fazlalığı Karaciğer hücre hasarı olduğu durumlar (ör., siroz ve hepatit), Plazmada her iki (conjugated ve unconjugated) BR de görülebilir.

Bilirübin Metabolizması Anomalilikleri Sarılık (icterus) kanda  BR Deride renk kaybı Kahverengi-sarı Derinin sertleşmesi elastin, kaybından kaynaklanır, ayrıca sarılığın temel nedeni yüksek bilirübin affinitesidir

Sarılık: Pre-hepatik Hepatik Post-hepatik

Genellikle hemolitik prosesler sonucu oluşur Pre-hepatik Sarılık Genellikle hemolitik prosesler sonucu oluşur Aşırı RBC yıkımı ile çok fazla oluşturulan BR karaciğerin kullanma kapasitesini aşar Plazmada  Indirect BR Plazma ve idrarda  Urobilinogen

Prematür ve bazı Full-term bebeklerde Yeni doğan Sarılığı Prematür ve bazı Full-term bebeklerde pre-hepatik ve/veya hepatik olabilir Serum BR > %6 mg (normal < 1.2) %18 mg, üzerinde kernicterus risk (MSS hasarı) taşır

Bazı ilaçlar hızlandırabilir veya kötüleştirebilir Salisilatlar Yeni doğan Sarılığı Bazı ilaçlar hızlandırabilir veya kötüleştirebilir Salisilatlar Sulfonamidler Tedavi: UV ışık bilirübin’i yıkar transfusion

Karaciğer hasarı (siroz,hepatitler): BR alımında yetersizlik Hepatik Sarılık Karaciğer hasarı (siroz,hepatitler): BR alımında yetersizlik BR konjügasyonun da yetersizlik Urobilinogenlerin alımında yetersizlik conjugated ve/veya unconjugated BR’in kana sızması

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Dubin-Johnson Syndrome conjugated BR’in transporter defekti Çok yaygın değil Benign Kan ve idrarda Conjugated BR

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Rotor Sendrom conjugated BR’in atılımında safra yetersizliği Çocukluk döneminde görülen sarılık Autosomal recessive Yaygın değil Benign

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Benign familial cholestasis ATPaz defekti olabilir Yaygın değil Benign

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Gilbert syndrome UDPG Transferaz defekti Genellikle asemptomatik Serum BR < %3 mg  BR-monoglukuronid Benign

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Crigler-Najjar Syndrome, Type I UDPGT yok BR conjugasyonu yok Doğumsal kernicterus, ölüm Autosomal recessive

Kalıtsal Hepatik ve Post-Hepatik Sarılık Crigler-Najjar Syndrome, Type II Azalmış UDPGT activitesi Sarılık, yaşamın 2.-3. onyılında Çoğunlukla safrada monoglucuronid Genellikle benign Tedavi: Phenobarbital, UDPGT’in daha fazla indüklenmesi

Safra kanal tıkanıklığı  urobilinogen Kanda  BR (conj. & unconj.) Post-hepatik Sarılık Safra kanal tıkanıklığı  urobilinogen Kanda  BR (conj. & unconj.) İdrar: urobilinogen yok,  conjugated BR Feces: açık kahverengi/kireçimsi ( urobilin yok)

Şekil 3. hyperbilirubinemia örnekleri A. Hemolytic anemia excess hemolysis  unconjugated bilirubin (in blood)  conjugated bilirubin (released to bile duct) B. Hepatitis  unconjugated bilirubin (in blood)  conjugated bilirubin C. Biliary duct stone  unconjugated bilirubin (in blood)  conjugated bilirubin

65 yaşında tıkanma sarılığı olan bir bayanda görülen safra taşları. Biliary stones

Tablo 1-Bilirübin Metabolisması Genetik bozuklukları Condition Defect Bilirubin Klinik bulgular Crigler-Najjar syndrome severely defective UDP-glucuronyltransferase Unkonjuge bilirübin  Aşırı sarılık Gilberts syndrome reduced activity of Unkonjuge bilirübin  Hastalık süresince çok ılımlı sarılık. Dubin-Johnson syndrome Safra içerisine konjüge bilirübinin anormal taşınımı Konjuge bilirübin  Ilımlı sarılık

Porfirialar Hem sentez pathway’inde ki bozukluklar: Acquired or inherited Hepatik or erithropoietic Hem veya hem öncüllerinin aşırı üretimi yada birikmesi

Porfiriaların--Kliniksel Belirtileri Semptomlar iki önemli sınıfa ayrılır: Neurological belirtiler Photosensitivity (deri)

Porfirialar--Kliniksel Belirtileri Neurological semptomlar Abdominal ağrı periferal neuropathy mental rahatsızlık ALA ve PBG’nin aşırı üretiminden dolayı

Porfirialar--Kliniksel Belirtileri Photosensitivity Porfirinler’in yüksek düzeyleri Doyurulmamış porfirin halkaları UV/görünür ışığı çok fazla absorblayabilir ve böylece fotoreaktif olur

Porfirialar Hem sentezinin bloke olması ile sentezin tamamlanamaması sonucu Telafi edici mekanizmaların çok daha fazla hem yapma gayreti Bazen de, araürünlerin birikmesi

İlaçla-indüklenen Porfiria Bazı ilaçlar indüksiyona neden olabilirler. Örneğin.. Sulfonal Sedormid Hexachlorobenzene Bunlar oldukça fazla lipid-soluble ilaçlardır. sitokrom P450 ve ALA sentaz’ın up-regülasyonunu (hepatik) indükler.

Akut aralıklı Porfiria (Acute Intermittent Porphyria (AIC)) Hepatik Cilt de hassasiyet oluşmaz Otozomal dominant Defect: PBG Deaminaz Heterozygotların % 90’ ı etkilenmez

Akut aralıklı Porfiria Semptomları: abdominal ağrı motor sistem neuropatiler hipertansion psikozis (aşırı) solunumsal paralizis (aşırı)

Akut aralıklı Porfiria Krizi indüleyen faktörler: ilaçlar hormonlar metabolik ve besinsel faktörler

Akut aralıklı Porfiria ALA sentaz up-regule edilir ALA ve PBG birikir

ALA beyin için toksiktir ALA beyin için toksiktir.Bunun nedeni ALA yapısal olarak bir nörotransmitter olan GABA (g-aminobutyric acid)a benzemesidir.

Akut aralıklı Porfiria: Tedavisi ani krizlerde hemin (Fe+++/hem) Diet: karbohidratca zengin yiyecekler Glukoz ALA sentazın aşırı üretimini inhibe edebilir Düşük-karbohidrat dietini benimseyen bazı hastalarda atak başlangıcı oluşur.

Porfiria Cutanea Tarda (Çok yaygın bir tip) Photosensitivity ile karakterize olan deri lezyonları Defect: Uroporfirinogen dekarboksilaz (hepatik) Sonuç: uroporfirinojen birikir Uroporfirinojen oto-oksidize olarak uroporfirin’e dönüşür

Porfiria Cutanea Tarda Genellikle yetişkinlerde oluşur alkol, estrogen, ve ilaçlar tarafından tetiklenebilir Demir emilimi, turnoveri serumda demir ve ferritin düzeylerinde artış görülebilir Tedaviye “phlebotomy” dahil edilebilir.

Kurşun zehirlenmesi Kurşun zehirlenmesi porfiriaların semptomlarına benzer özellik gösterebilir. Niçin? Kurşun, Zn++ değişimi ALA dehidrataz,  activitesinde ve ALA birikmesi Kurşun ferroşelataz inhibitörüdür, protoporphyrin IX birikir

Porfirin lab testleri kurşun zehirlenmesine ait ipucu verebilir... Eritrositlerde  Protoporpfirin IX kurşun toksitesine işaret edebilir Dikkat: RBC protoporfirin IX iron eksikliği ve düzensizliği ile de artabilir

Porfirin lab testleri kurşun zehirlenmesine ait ipuçları verebilir.. İdrarda  Coproporfirin Dikkat: özelllikle erken evrede çok niceliksel değildir,

Porfirin lab testleri kurşun zehirlenmesine ait ipuçları verebilir.. İdrarda  ALA … İyi bir indicator Dikkat: Alkali idrarda ALA hızla bozunur

Porfirin lab testleri kurşun zehirlenmesine ait ipuçları verebilir.. Eritrositlerde ALA dehydratase Güzel bir nicel belirteçdir kurşun zehirlenmesi ve demir eksikliği ayrımı Çok pahalıdır.

SAFRA ASİTLERİ ve METABOLİZMASI Safra, glutatyon,fosfolidler,kolesterol,organik anyonlar, proteinler, metaller, iyonlar, ksenobiotikler,bilirübin ve safra tuzlarından oluşur. Safra oluşumunda temel gereksinim: İnce barsaktan lipid alımı İnce barsağın oksidatif hasardan korunması Endojenik ve ksenobiotik bileşiklerin atılımı

Safra Oluşumu ve sekresyonu: Karaciğer 250-1500 ml/gün safra üretir ve salgılar. Safra pigmenti (bilirübin) dalak,kemik iliği ve karaciğerde oluşur. Hemoglobinden türeyen demir içermeyen hem grupları Serbest bilirübin glukuronik asit ile birleşerek konjuge bilirübin’ü oluşturur. Safra içerisine salınır İnce barsakta bakteriler tarafından urobilinojene dönüştürülür. Urobilinojen ince barsaktan absorbe edilir ve hepatik vene girer. Tekrar ya böbrekler tarafından filtre edilir ya da idrarla atılır.

İlaçlar, hormonlar, xenobiotikler Safra Oluşumu İlaçlar, hormonlar, xenobiotikler Metaller Safra tuzları Bilirübin MDR Safra Canaliculi cMOAT Organik katyonlar, ilaçlar, fosfolipidler glutathione, glucuronide,ve sulfate konjugasyonu

ATP-bağımlı eksporter Safra atılımı Metaller Cu, Mn, cd, se, Au, Ag ve arsenik ATP-bağımlı eksporter MDR (multiple-drug resistance) cMOAT (canalicular multiple organic ion transporter)

Safra atılımı Canaliculi Channels Bile Ducts Common Bile Duct Small Intestine Enterohepatic Sürkülasyon

Safra asitlerinin döngüsü Enterohepatik sirkülasyon % 98’i tekrar emilir Cholestyramine Tedavisi Resin safra asitlerini bağlar Döngü engellenir Safra asit sentezi için LDL-Kolesterol alımı arttırılır Safra asitlerinin %95’i ileumdan emilir

Safra Asid Metabolizması 24 karbonlu steroidlerdir. Karaciğerde kolesterolden sentezlenirler. Primer safra asidleri: - Kolik and kenodeoksikolik asidler Sekonder safra asidleri: -İnce barsak da primer safra asitlerinin C-7’nun dehidroksilasyonu ile sentezlenirler. C-7 → deoksikolik ve litokolik Safraya salınmadan önce karaciğerde glisin ve taurin ile konjüge edilir.

PEROKSİZOM Hem anabolik hem de katabolik fonksiyonlara sahip, hücre içerisinde tek membranlı organeller. Kolesterol ve safra asid biosentezi Çok uzun zincirli yağ asitlerinin metabolizması H2O2 metabolizması

ü Kolik asid R = OH Kenodeoksikolik asid R R = H COOH HO OH H Primer safra asitleri Kolik asid R = OH Kenodeoksikolik asid R = H R COOH ü HO OH H

Amino bileşikleri Glisin H NH2 C COOH Taurin NH2 CH2 CH2 SO3H

ü Taurokolik asid OH C NH CH2 CH2 SO3H O Polar (Sulphonic acid) HO OH Non-polar (especially  face) ü

ü Taurocholic acid Deoxycholic acid OH Deconjugated C NH CH2 CH2 SO3H 7-Dehydroxylated HO OH H OH Taurocholic acid C OH O ü HO H Deoxycholic acid

Kolesterol ve Safra Asid/Tuz Metabolizması Kolesterolün Major atılım yoludur. İnsanlarda Steroid halka yıkılmaz. Safra asid/tuzlar’nın biyolojik fonksiyonları lipidlerin sindiriminde emülsifiyer olmalarıdır.(pKa=6)

Kolesterol ve Safra Asid/Tuz Metabolizması Primer safra asidleri İyi emulsifiye ajnlardır Safra asitlerinin konjugasyonu Glisin ve taurin ile Amid bağı yapar Çok iyi emulsifier pKa değeri safra asitlerinden çok daha düşüktür

Safra Tuzlarının Sentezi Hidroksilasyon Sitokrom P-450 / karışık fonksiyonlu oksidaz sistemi Yan zincir ayrışması Konjugasyon Seconder safra asidleri İncebarsak bakteriyal modifikasyon Dekonjugasyon Dehidroksilasyon Deoxycholic acid Lithocholic acid

Canalicular Kolestazis Safra salgılanımda yetersizlik veya safra hacminde azalma Hasta sarılıktır Safra kanalında tıkanma olabilir Bilirübin, icterus index yüksektir Toksi bileşikler Chlorpromazine Cyclosporin Estrogens

Safra kanalı hasarı Cholangiodestructive cholestasis Serumda gamma glutamiltransferaz (GGT) ve diğer enzimlerin aktivitesinde artış Safra kanalları epitel hücre hasarı Hücrelerde artış - hiperplazi Aflatoxins Pyrrolizidine alkaloids Safra kanal hücre negrozu Methylene dianiline Flor’ a maruz kalma ve kontaminasyon