Heemverbinding

Heemverbindingen zijn complexe verbindingen met een centraal ijzerion en een porfyrinemolecuul als ligand. De bekendste verbinding is Fe-protoporfyrine IX, ook wel heem b genoemd of kortweg heem. Heemverbindingen komen als cofactor (een zogenaamde prosthetische groep) voor in diverse eiwitten. Het bekendste voorbeeld van een heem-bevattend eiwit is hemoglobine, dat als taak heeft om zuurstof te binden. Andere heemgroepen komen voor in cytochromen, zoals in cytochroom A3, dat heem a bevat.

Structuurformule van heem b

Structuurformule van heem a. Heem a wordt gemaakt van heem b. In twee opeenvolgende reacties wordt een 17-hydroxyethylfarnesyl moiety (blauw) vastgemaakt aan de 2-plaats en een aldehyde (paars) op de 8-plaats. Nomenclatuur is weergegeven in groen.

Ook zijn er heemverbindingen zonder ijzer zoals bij hematoporfyrine en chlorofyl. Bij chlorofyl of bladgroen is het ijzerion vervangen door een magnesium-ion.

Structuur

Er zijn verschillende heemverbindingen, die zich van elkaar onderscheiden door de porfyrinestructuur. Er zijn o.a. heem a, heem b, heem c, heem o, heem l, heem m en heem s

	Heem a	Heem b	Heem c	Heem o
PubChem Nummer	7888115	444098	444125	6323367
Brutoformule	C49H56O6N4Fe	C34H32O4N4Fe	C34H36O4N4S2Fe	C49H58O5N4Fe
functionele groep aan het C3-atoom	Hydroxyfarnesyl	-CH=CH2	-CH-(CH3)-SH	Hydroxyfarnesyl
functionele groep aan het C8-atoom	-CH=CH2	-CH=CH2	-CH-(CH3)-SH	-CH=CH2
functionele groep aan het C18-atoom	-CH=O	-CH3	-CH3	-CH3

Voorkomen

Heem b komt als ijzerhoudende kleurstof voor in de rode bloedcellen. Het samen met rode bloedcellen voorkomende eiwit globine vormt het hemoglobine, dat een centrale rol speelt bij de zuurstofopname van het lichaam.

Holoproteïne	Heemgroep (in monomeer)
Hemoglobine	Heem b
Myoglobine	Heem b
Katalase	Heem b
Succinaat-dehydrogenase	Heem b
Cytochroom-c-reductase	2x Heem b, Heem c
Cytochroom-c-oxidase	2x Heem a
Cytochroom-c-peroxidase	Heem b
Cytochroom P450-oxidase	Heem b

Biosynthese

Heem wordt met behulp van acht enzymen gevormd. De eerste en laatste drie enzymen bevinden zich in de mitochondria, terwijl de tussenliggende enzymen in het cytoplasma aanwezig zijn. In het menselijk lichaam gaat de biosynthese van alle heemverbindingen uit van succinyl-CoA en het aminozuur glycine. De δ-aminolevulinezuursynthase katalyseert de binding van glycine en succinyl-CoA tot α-amino-β-ketoadipaat, dat spontaan naar δ-aminolevulinezuur decarboxyleerd. δ-Aminolevulinezuur diffundeert naar het cytoplasma en door δ-aminolevulinezuur dehydrase condenseren twee δ-aminolevulinezuurmoleculen tot porfobilinogeen. Vier van deze moleculen worden door het PBG-desaminase enzym onder afsplitsing van vier ammoniakmoleculen in hydroxymethylbilaan omgezet. Hydroxymethylbilaan wordt vervolgens gepolymeriseerd tot uroporfyrinogeen III.

Verdere synthese vindt stap voor stap plaats door omzetting van uroporfyrinogeen III (PBG-isomerase) en coproporfyrinogeen III (uroporfyrinogeendecarboxylase) in protoporfyrinogeen IX (coproporfyrinogeen-oxidase) en protoporfyrine IX (protoporfyrinogeen-oxidase). Als laatste stap bouwt het ferrochelatase enzym nog een tweewaardig ijzerion in en is de heemverbinding af.

Pathologie: Bij praktisch elk betrokken enzym kan een defect ontstaan wat aanleiding is tot een typisch subtype van porfyrie.

Heem, een prosthetische groep in veel eiwitten, is betrokken bij een groot aantal biologische functies, zoals zuurstof- en elektronentransport, H₂O₂-(de-)generatie, verschillende oxidaties en de synthese van cyclisch guanosinemonofosfaat en stikstofoxide (NO). Daarnaast is heem betrokken bij de regulatie van de eiwitsynthese en celdifferentiatie.

Belangrijke heembevattende eiwitten zijn hemoglobine, myoglobine, cytochromen aa3, b en c3, cytochroom P450 oxidasen, peroxidasen, peroxidesynthase, katalase, tryptofaanpyrrolase, NO-oxidase en indolamine dioxigenase.

De cytochroom P450 oxydasen zijn enzymen, die onder anderen steroïden, galzure zouten, vetzuren, aminozuren, prostaglandinen, leukotriënen, biogene aminen, medicijnen, carcinogene en mutagene stoffen en contaminanten uit het milieu oxidatief metaboliseren.

Afbraak en uitscheiding

De afbraakproducten van de heemverbindingen zijn de galkleurstoffen en worden door de lever via de gal uitgescheiden.

Genen

De volgende genen zijn betrokken bij de synthese van heem:

• ALAD: aminolevulininezuur, delta-, dehydratase
• ALAS1: aminolevulinaat, delta-, synthase 1
• ALAS2: aminolevulinaat, delta-, synthase 2
• CPOX: coproporfyrinegen oxidase
• FECH: ferrochelatase
• HMBS: hydroxymethylbilaan-synthase
• PPOX: protoporfyrinegen oxidase
• UROD: uroporfyrinegen decarboxylase
• UROS: uroporfyrinegen III synthase