Распад гемоглобина до пигментов

За сутки у человека распадается около 9 г гемопротеинов, в основном это гемоглобин эритроцитов.

Эритроциты в норме живут 90-120 дней, после чего лизируются в клетках ретикулоэндотелиальной системы – макрофагах селезенки (главным образом), купферовских клетках печени и макрофагах костного мозга. При разрушении эритроцитов в кровеносном русле высвобождаемый гемоглобин образует комплекс с белком-переносчиком гаптоглобином (фракция α2-глобулинов крови) и также переносится в клетки РЭС селезенки, печени и костного мозга.

Синтез билирубина

В клетках РЭС гем в составе гемоглобина окисляется молекулярным кислородом. В реакциях последовательно происходит разрыв метинового мостика между 1-м и 2-м пиррольными кольцами гема с их восстановлением, отщеплением железа и белковой части и образованием оранжевого пигмента билирубина. Высвобождаемое железо может либо запасаться в клетке в комплексе с ферритином, либо выделяться наружу и связываться с трансферрином.

Реакции распада гемоглобина и образования билирубина

Билирубин – токсичное, жирорастворимое вещество, способное разобщать окислительное фосфорилирование в клетках. Особенно чувствительны к нему клетки нервной ткани.

Строение билирубина

Выведение билирубина

Из клеток ретикуло-эндотелиальной системы билирубин попадает в кровь. Здесь он находится в комплексе с альбумином плазмы, в гораздо меньшем количестве – в комплексах с металлами, аминокислотами, пептидами и другими малыми молекулами. Образование таких комплексов не позволяет выделяться билирубину с мочой. Билирубин в комплексе с альбумином называется свободный (неконъюгированный) или непрямой билирубин.

Этапы метаболизма билирубина в организме

Из сосудистого русла в гепатоциты билирубин попадает с помощью белка-переносчика (транспортный белок органических анионов) или по механизму флип-флоп. Далее при участии цитозольного связывающего белка лигандина (Y-протеин) билирубин транспортируется в ЭПР, где протекает реакция связывания билирубина с УДФ-глюкуроновой кислотой, при этом образуются моно- и диглюкурониды. Кроме глюкуроновой кислоты, в реакцию конъюгации могут вступать сульфаты, фосфаты, глюкозиды.

Билирубин-глюкуронид получил название связанный (конъюгированный) или прямой билирубин.

После образования билирубин-глюкурониды АТФ-зависимым переносчиком секретируются в желчные протоки и далее в кишечник, где при участии бактериальной β-глюкуронидазы превращаются в свободный билирубин. Одновременно, даже в норме (особенно у взрослых), некоторое количество билирубин-глюкуронидов может попадать из желчи в кровь по межклеточным щелям.

Таким образом, в плазме крови обычно присутствуют две формы билирубина: свободный (непрямой), попадающий сюда из клеток РЭС (80% и более всего количества), и связанный (прямой), попадающий из желчных протоков (в норме не более 20%).

Превращение в кишечнике

В кишечнике билирубин подвергается восстановлению под действием микрофлоры до мезобилирубина и мезобилиногена (уробилиногена). Часть уробилиногена всасывается и с кровью портальной вены попадает в печень, где либо распадается до моно-, ди- и трипирролов, либо  окисляется до билирубина и снова экскретируется. При этом при здоровой печени в общий круг кровообращения и в мочу мезобилирубин и уробилиноген не попадают, а полностью задерживаются гепатоцитами.

Оставшаяся в кишечнике часть пигментов ферментами бактериальной флоры толстого кишечника восстанавливается до стеркобилиногена. Далее

• малая часть стеркобилиногена может всасываться и катаболизировать в печени, подобно уробилиногену,
• незначительное количество стеркобилиногена через геморроидальные вены попадает в большой круг кровообращения, отсюда в почки и в мочу. После окисления на воздухе из стеркобилиногена образуется стеркобилин мочи,
• однако основное количество стеркобилиногена достигает нижних отделов толстого кишечника и выделяется. В прямой кишке и на воздухе стеркобилиноген окисляется в стеркобилин, окрашивая кал,
• аналогично уробилиноген, появляющийся в моче при патологии печени, окисляется в уробилин.

Очень часто стеркобилиноген, содержащийся в нормальной моче, называют уробилиногеном. И в клинической практике обычно не проводят различий между стеркобилиногеном и уробилиногеном мочи, их рассматривают как один пигмент – урохромы (уробилиноиды), что может создавать некоторую путаницу при оценке результатов анализа.

Продолжительность жизни эритроцитов составляет 120 дней, затем они разрушаются (состарившиеся эритроциты фагоцитируются макрофагами, главным образом в селезенке, а также в печени и костном мозге; в микросомальной фракции ретикуло-эндотелиальной системы клеток) и освобождается гемоглобин. В организме человека в течение 1 ч разрушается примерно 100-200 млн эритроцитов. Гем повторно не используется: он распадается с образованием железа и желчных пигментов; железо реутилизируется, а желчные пигменты выводятся из организма.

Распад гемоглобина в печени начинается с разрыва a-метиновой связи между I и II кольцами порфиринового кольца, т.е окисляется один из метеновых мостиков тетрапиррольной структуры гемма, углерод метеновой группы превращается в оксид углерода СО. Этот процесс катализируется НАДФ-содержащей оксидазой ЭПР (гем-оксигеназой) с помощью кислорода и НАДФН и приводит к образованию зеленого пигмента вердоглобина (холеглобина):

В приведенных структурных формулах здесь и далее в желчных пиг­ментах М-метильная СН3-группа, В-(—СН=СН2)-винильная группа и П-(—СН2—СН2—СООН)- остаток пропионовой кислоты.

Как видно из приведенных формул, в молекуле вердоглобина еще сохраняются атом железа и белковый компонент. Имеются эксперимен­тальные доказательства, что в этом окислительном превращении гемо­глобина принимают участие витамин С, ионы Fe2+ и другие кофакторы. Дальнейший распад вердоглобина, вероятнее всего, происходит спонтанно с освобождением железа, белка-глобина и образованием одного из желчных пигментов зеленого цвета − биливердина. Спонтанный распад сопровождается перераспре­делением двойных связей и атомов водорода в пиррольных кольцах и метановых мостиках. Образовавшийся биливердин ферментативным путем при участии биливердинредуктазы восстанавливается в печени в оранжевый или красно-коричневый билирубин, являющийся основным желчным пигментом у человека и плотоядных животных:

Интенсивный цвет гема и других порфиринов является результатом сопряжения многочисленных двойных связей, которые образуют две резонансно стабилизированные (мезомерные) системы.

Основное место образования билирубина − печень, селезенка и, по-видимому, эритроциты (при распаде их иногда разрывается одна из метановых связей в протопорфирине). Образовавшийся во всех этих клет­ках билирубин поступает в печень, откуда вместе с желчью попадает в желчный пузырь. Билирубин, образовавшийся в клетках системы макрофагов, называется свободным, или непрямым, билирубином, поскольку вследствие плохой растворимости в воде он легко адсорбируется на белках плазмы крови и для его определения в крови необходимо предварительное осаждение белков спиртом и только после этого билирубин вступает во взаимодействие с диазореактивом.

Так как билирубин нерастворим в воде, плохо растворим в плазме, его транспорт в крови осуществляется в комплексе с альбумином.

В крови взрослого здорового человека содержится относительно по­стоянное количество общего билирубина-от 4 до 26 мкмоль/л, в среднем 15 мкмоль/л. Около 75% этого количества приходится на долю непрямого билирубина. Повышение его концентрации в крови до 35 мкмоль/л при­водит к желтухе. Более высокий уровень билирубина в крови вызывает явления тяжелого отравления.

Непрямой билирубин, поступая с током крови в печень, подвергается обезвреживанию путем связывания с активированной
глюкуроновой кислотой. В этом процессе принимают участие УДФ-глюкуроновая кислота и особый фермент УДФ-глюкуронилтрансфераза — фермент, находящийся в ЭР печени, а также в незначительных количествах в почках и слизистой кишечника. При этом к билирубину присоединяются 2 остатка глюкуроновой кислоты (к карбоксильным группам боковым цепям билирубина сложноэфирными связями) с образованием комплекса − билирубин-диглюкуронида, дающего прямую реакцию с диазореактивом. Образующийся диглюкуронид билирубина переносится в желчь путем активного транспорта против градиента концентрации. Этот транспорт является скорость-лимитирующей стадией метаболической трансформации билирубина в печени. Лекарственные препараты, такие, как, например фенобарбитал, могут индуцировать образование конъюгата и транспортный процесс.

В желчи всегда присутствует прямой билирубин. В крови количество прямого и непрямого билирубина, а также соотношение между ними резко меняются при по­ражениях печени, селезенки, костного мозга, болезнях крови и т. д., поэтом) определение содержания обеих форм билирубина в крови имеет существен­ное значение при дифференциальной диагностике различных форм желтухи. При желчнокаменной болезни в составе желчных камней наряду с основным их компонентом-холестерином всегда обнаруживается непрямой били­рубин. Вследствие плохой растворимости в воде он выпадает в осадок в желчном пузыре в виде билирубината кальция, участвующего в фор­мировании камней.

Коньюгация с глюкуроновой кислотой существенно изменяет свойства билирубина. Билирубин тлксичен, особенно для мозга; глюкурониды билирубина не токсичны. Билирубин нерастворим в воде, а билирубинглюкуронид растворим. Таким образом, в результате коньюгации билирубина происходит его детоксикация и облегчается выведение его из организма.

Дальнейшая судьба желчных пигментов, точнее билирубина, связана с их превращениями в кишечнике под действием бактерий. Сначала глюкуроновая кислота под действием бактериальных ферментов (β-глюкуронидаза) гидролитически отщепляется от комплекса с билирубином и далее свободный билирубин подвергается восстановлению по двойным связям, образуя две группы продуктов: бесцветные стеркобилиногены и уробилиногены, которые выводятся из кишечника с калом (95% от общего количества). В сутки человек выделяет около 200−300 мг желчных пигментов. Стеркобилиногены и уробилиногены легко окисляется под действием света и кислорода воздуха в стеркобилин и уробилины, имеющие желтую окраску.

Остальная часть стеркобилиногенов и уробилиногенов всасывается из кишечника в кровь и затем вновь попадает в желчь (энтерогепатическая циркуляция), а частично выводится через почки (1−2 мг за сутки), минуя печень. Желчные пигменты практически всегда содержатся в желчных камнях, а часто являются их основыми компонентами.

Наряду с гемоглобином, по аналогичному пути разрушаются группы гема и у других гемсодержащих белков (миоглобина, цитохрома, каталазы, пероксидазы). Однако их вклад в образование желчных пигментов (250 мг в сутки) составляет лишь примерно 10-15%.

Определение концентрации желчных пигментов в крови и моче применяют при выяснении происхождения желтух. Если с мочой выделяется повышенное содержание уробилиногена, то это является свидетельством недостаточности функции печени, например, при печеночной или гемо­литической желтухе, когда печень частично теряет способность извлекать этот пигмент из крови воротной вены. Химически уробилиноген (мезо­билиноген) неидентичен стеркобилиногену (уробилиногену) мочи. Исчезно­вение стеркобилиногена (уробилиногена) из мочи при наличии билирубина и биливердина является свидетельством полного прекращения поступления желчи в кишечник. Такое состояние часто наблюдается при закупорке протока желчного пузыря (желчнокаменная болезнь) или общего желчного протока (желчнокаменная болезнь, раковые поражения поджелудочной железы и др.).

Таким образом, количественный и качественный анализ желчных пиг­ментов в моче может представлять большой клинический интерес.

Повышенный уровень билирубина (>10 мг/л) называется гипербилирубинемией. Билирубин диффундирует из крови в периферические ткани и окрашивает их в желтый цвет. Это особенно легко заметить на белой конъюктиве глаза, в таком случае говорят о желтухе.