O grupohemo é uncomposto químico que forma ungrupo prostético unido aproteínas constituído por un ión deferro situado no centro dun gran anel orgánicoheterocíclico chamadoporfirina. Non todas as porfirinas conteñen ión ferro, pero unha importante proporción dasmetaloproteínas que conteñen porfirina teñen como grupo prostético un grupo hemo, e coñécense co nome dehemoproteínas. Os hemos máis coñecidos son os que forman parte da proteínahemoglobina, opigmento vermello dosangue, que transporta ooxíxeno, pero están presentes tamén noutras proteínas.
Ashemoproteínas teñen diversas funcións biolóxicas entre as que están o transporte de gases diatómicos (como o O2 e outros),catálise química, detección de gases diatómicos, e transferencia de electróns. O ferro do hemo serve como fonte ou sumidoiro de electróns durante a transferencia de electróns ou na químicaredox. Nas reaccións dasperoxidases, a molécula deporfirina serve tamén como fonte de electróns. No transporte e detección de gases diatómicos, o gas únese ao ferro hémico. Durante a detección de gases diatómicos, a unión doligando gasoso ao ferro hémico induce cambios conformacionais na proteína que o rodea.
Especulouse sobre que a función evolutiva orixinal dashemoproteínas era a transferencia de electróns nas víasfotosintéticas primitivas baseadas no xofre nos antigos microorganismos similares acianobacterias, antes de que aparecese o oxíxeno molecular.[1]
As hemoproteínas atinguiron a súa notable diversidade funcional ao modificaren o ambiente que rodea ao macrociclo hemo dentro da matriz proteica. Por exemplo, a capacidade dahemoglobina de entregar de forma efectiva o oxíxeno aos tecidos débese a residuos de aminoácidos específicos localizados preto da molécula hemo. A hemoglobina únese ao oxíxeno nos vasos sanguíneos pulmonares, onde opH é alto e a pCO2 é baixa, e libérao nos tecidos, onde a situación é a inversa. Este fenómeno coñécese comoefecto Bohr. O mecanismo molecular que subxace neste efecto é a organización estérica na cadea deglobina ; un residuo dehistidina, situado ao lado do grupo hemo, cárgase positivamente a pH ácido (o que é causado poloCO2 disolvido nos músculos en funcionamento etc.), liberando estericamente o oxíxeno do grupo hemo.
Hai varios tipos de hemo bioloxicamente importantes, que se mostran na táboa. Consúltense tamén os artigos principais correspondentes.
| Hemo A | Hemo B | Hemo C | Hemo O | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Número PubChem | 7888115 | 444098 | 444125 | 6323367 | |
| Fórmula química | C49H56O6N4Fe | C34H32O4N4Fe | C34H36O4N4S2Fe | C49H58O5N4Fe | |
| Grupo funcional en C3 |  | -CH(OH)CH2Far | -CH=CH2 | -CH(cisteína-S-il)CH3 | -CH(OH)CH2Far |
| Grupo funcional en C8 | -CH=CH2 | -CH=CH2 | -CH(cisteína-S-il)CH3 | -CH=CH2 | |
| Grupo funcional en C18 | -CH=O | -CH3 | -CH3 | -CH3 | |
O tipo máis común é ohemo B; outros tipos importantes sonhemo A ehemo C. Os hemos illados desígnanse xeralmente con letras maiúsculas, mentres que os hemos unidos ás proteínas desígnanse con minúsculas. Ocitocromo a refírese a un hemo A en combinación específica cunhaproteína de membrana formando unha porción dacitocromo c oxidase.
Os nomes doscitocromos normalmente (pero non sempre) indican o tipo de hemos que conteñen: ocitocromo a contén hemo A, ocitocromo c contén hemo C etc.
A práctica de designar os tipos de hemo con maiúsculas foi formaliado nunha nota a rodapé nun traballo publicado por Puustinen e Wikstrom,[6] onde se explicaba en que condicións debería usarse a maiúscula: "preferimos o uso de maiúsculas para describir a estrutura da hemo cando está illado. As minúsculas poden usarse libremente para os citocromos e encimas e tamén para describir grupos hemos concretos unidos a proteínas (por exemplo, os complexos do citocromo bc e do aa3, citocromo b5, hemo c1 do complexo bc1, hemo a3 do complexo aa3, etc.)." Noutras palabras, o composto químico designaríase con letra maiúscula, pero os exemplos específicos que forman parte de estruturas con minúscula. Así, acitocromo oxidase, que ten dous hemos A (hemo a e hemo a3) na súa estrutura, contén dous moles de hemo A por mol de proteína. O citocromo bc1, cos hemos bH, bL e c1, contén hemo B e hemo C nunha proporción de 2:1. Esta práctica parece que se orixinou nun traballo publicado por Caughey e York no cal o produto dun novo procedemento de illamento para o hemo do citocromo aa3 foi designado hemo A para diferencialo de preparacións anteriores: "O noso produto non é idéntico en todos os aspectos ao hemo a obtido en solución por outros traballadores pola redución dahemina a illada previamente. Por esta razón, designaremos o noso produto hemo A ata que as aparentes diferenzas poidan racionalizarse.".[7] Nunha publicación posterior,[8] o grupo de Caughey usou letras maiúsculas para os hemos illados B e C e tamén para o A.
A síntese do hemo é fundamentalmente a síntese do anel de porfirínico. Para máis detalles desta síntese pode consultarse o artigo daporfirina. A ruta de síntese resúmese no gráfico e implica reaccións mitocondriais e citosólicas, que teñen lugar principalmente no fígado.
O proceso encimático que produce o hemo denomínase propiamente síntese de porfirinas, xa que todos os intermediatos sontetrapirroles que se clasifican quimicamente como porfirinas. O proceso está moi conservado nos seres vivos. Nos humanos, estavía metabólica serve case exclusivamente para formar hemo. Noutras especies, tamén produce substancias similares como acobalamina (vitamina B12).
A vía iníciase coa síntese deácido delta-aminolevulínico (dALA ou δALA) a partir doaminoácidoglicina e desuccinil-CoA a partir dociclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs). O encima limitante da velocidade da reacción é aALA sintase, que está regulado negativamente pola concentración de glicosa e hemo. Este mecanismo ten importancia terapéutica, xa que a administración dehemo arxinato ouhematina eglicosa pode abortar ataques deporfiria intermitente aguda en pacientes con defectos metabólicos conxénitos que afectan a este proceso, ao reducir a transcrición de ALA sintase.[9]
Os órganos que están principalmente implicados na síntese do hemo son ofígado e amedula ósea, aínda que todas as células requiren hemo para funcionar axeitadamente. O hemo considérase como unha molécula intermediata nocatabolismo da hemoglobina nometabolismo da bilirrubina.
A degradación empeza dentro dosmacrófagos dobazo, encargados de eliminar da circulación oseritrocitos vellos ou danados.No primeiro paso da degradación o hemo convértese enbiliverdina pola acción doencimahemo oxixenase (HOXG). ONADPH utilízase como axente redutor, o oxíxeno molecular entra na reacción, prodúcesemonóxido de carbono (CO) e o ferro libérase da molécula como ión férrico (Fe3+).
Ademais, a degradación do hemo parece ser unha resposta conservada evolutivamente aoestrés oxidativo. Resumidamente, cando as células se expoñen aradicais libres, hai unha rápida indución da expresión doisoencima hemo oxixenase-1 (Hmox1) que responde ao estrés, que cataboliza o hemo (véxase máis abaixo). A razón pola cal as células deben incrementar expoñencialmente a súa capacidade de degradar o hemo en resposta ao estrés oxidativo aínda non está clara, mais parece ser que é parte dunha resposta citoprotectora que evita os efectos deletéreos do ferro hémico.
| hemo | hemo oxixenase-1 | biliverdina + Fe2+ | |
|  | ||
| H+ +NADPH + O2 | NADP+ + CO | ||
 | |||
Na segunda reacción, a biliverdina convértese en bilirrubina polabiliverdina redutase (BVR):
| biliverdina | biliverdina redutase | bilirrubina | |
|  | ||
| H+ +NADPH | NADP+ | ||
| |||
A bilirrubina transpórtase aofígado unida a unha proteína (albumina sérica), onde se conxuga conácido glicurónico para facerse máis hidrosoluble. A reacción catalízaa o encimaUDP-glicurosil transferase (UDPGUTF).
| bilirrubina | UDP-glicuronosiltransferase | bilirrubina diglicurónido | |
|  | ||
| 2UDP-glicurónido | 2UMP + 2Pi | ||
| |||
Esta forma de bilirrubina excrétase polo fígado nabile. As bacterias daflora intestinal desconxugan abilirrubina diglicurónido e converten a bilirrubina enurobilinóxeno. Parte do urobilinóxeno é absorbido polas células intestinais e transportado aosriles e excretado coaurina (é aurobilina, que é o produto da oxidación do urobilinóxeno responsable da cor amarelada da urina). O resto do urobilinóxeno viaxa polo tracto dixestivo e convértese enestercobilinóxeno. Este oxídase aestercobilina, que se excreta e é responsable da cor dasfeces.
Nahomeostase, a reactividade do hemo está controlada pola súa inserción nos "petos hemo" (“heme pockets”) das hemoproteínas. Porén, noestrés oxidativo, algunhas hemoproteínas, como ahemoglobina, poden liberar os seusgrupos prostéticos hemo. O hemo non unido a proteínas (libre) producido desta maneira é moicitotóxico, moi probablemente debido ao átomo de ferro que contén o seu anel deprotoporfirina IX, que pode sufrir aquímica de Fenton para catalizar sen restricións a produción de radicais libres.[10] Esta propiedade do hemo libre pode sensibilizar a diversos tipos de células para que sufran unhamorte celular programada[11] en resposta aos agonistas proinflamatorios. Este efecto deletéreo pénsase que xoga un importante papel na patoxénese de certas doenzas inflamatorias como amalaria.[12]
Os seguintes xenes codifican moléculas que forman parte davía metabólica de síntese do grupo hemo:
