Omeostasi Del Ferro [PDF]

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OMEOSTASI DEL FERRO Il ferro nell’organismo umano è cosi distribuito: emoglobina (2300 mg), mioglobina (300 mg), citocromi (80 mg), catalasi perossidasi succinato deidrogenasi (100 mg), ferritina e emosiderina (1000 mg), transferrina (3-4 mg). Circa 4 grammi in totale. Il ferro è un elemento di transizione che può assumere due stati di ossidazione stabili: Fe2+ (ferroso), Fe3+ (ferrico). In ambiente acquoso il ferro viene spontaneamente ossidato dall’ossigeno molecolare a Fe3+ nella forma scarsamente solubile Fe(OH)3. Inoltre Fe2+ mediante la reazione di Fenton con H2O2, porta alla formazione della specie altamente reattiva HO∙ (radicale ossidrile). Il ferro (Fe2+Fe3+) acquista e cede facilmente elettroni: di questa sua caratteristica possiamo considerare vantaggi e svantaggi. VANTAGGI: è componente di emoglobina, mioglobina, citocromi e molti enzimi. SVANTAGGI: generazioni di anioni superossidi e di radicale ossidrilici, danneggiamento di proteine, lipidi e DNA. Dei 2 g si Fe contenuti nell’emoglobina, l’1% è rimpiazzato ogni giorno con l’alimentazione (il resto è per lo più riciclato dagli eritrociti senescenti). Troviamo le più grandi riserve di Fe (di circa un grammo) negli epatociti (FEGATO) e nei macrofagi (MILZA). BILANCIO QUOTIDIANO DI FERRO Il ferro è presente in carne, pesce, funghi, NO SPINACI. L’intestino assorbe circa 1-2 mg al giorno di ferro (dei 10-20 mg contenuti negli alimenti che mangiamo). Questo viene raccolto dalla transferrina, una proteina dimerica che trasporta atomi di Fe 3+ in tutto l’organismo: il 75% lo rilascia al midollo osseo, per l’eritropoiesi, il 10-20% alla ferritina (riserve nel fegato e nel cuore), il 5-15% in altri processi, e infine 1-2 mg al giorno di ferro vengono persi per desquamazione epiteliale o per emorragie (cioè la quota introdotta con l’alimentazione). NON ESISTE UNA VIA DI ELIMINAZIONE DEL FERRO PROPRIAMENTE FISIOLOGICA. TRANSFERRINA O SIDEROFILINA E’ la principale proteina plasmatica legante il ferro. E’ una glicoproteina sintetizzata principalmente dal fegato. Contiene due siti di legame per gli atomi di ferro. Il ferro ferrico (Fe3+) lega in modo reversibile il sito con il contemporaneo legame di HCO3-. Tale complesso è stabile a pH fisiologico e si dissocia a pH acido. Nel nostro organismo sono contenuti circa 3-5 grammi di Fe, ma solo 3-5 mg si trovano nel plasma, pressochè completamente legati alla transferrina. La normale saturazione della transferrina è di circa il 30%e la forma prevalente è quella con un atomo di Fe 3+.   

Saturazione della transferrina 45% = ECCESSO DI Fe Saturazione della transferrina > 60% = FERRO LIBERO NEL SANGUE.

I range di normalità sono adattati alla popolazione che risiede in un determinato luogo. APOtransferrina: solo componente proteica della transferrina. OLOtransferrina: transferrina che lega Fe.

ORIGINE DEL FERRO EMATICO 

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10% ha origine dal Fe che viene assorbito dall’intestino con l’alimentazione (in realtà la quota di Fe che assorbiamo con l’alimentazione è uguale alla quota che perdiamo per desquamazione o emorragie). 90% deriva invece dai macrofagi, per riciclo del Fe degli eritrociti senescenti.

La quota di Fe assorbita dall’intestino e contenuta nei macrofagi che non andrà e costituire il Fe ematico andrà nel fegato. ASSORBIMENTO DEL FERRO Il Fe viene assorbito dagli enterociti. Questi possiedono un trasportatore (FERROPORTINA) che permette il passaggio di Fe2+ secondo gradiente di concentrazione all’interno del citoplasma dell’enterocita. Il Fe 3+ deve essere prima ridotto a Fe2+, perché non possiede un trasportatore specifico. Ferroportina possiede una subunità DMT1 (SOLO NEGLI ENTEROCITI, SE ALTRE CELLULE NON HANNO DMT1, LE ALTRE CELLULE PER L’ASSORBIMENTO DI Fe HANNO I TFR). DMT1 che fa passare cationi bivalenti: divalent metal transporter 12 TM) ed è associata a una proteina chiamata Dcytb (ferroreduttasi, è una proteina dimerica che usa ascorbato come donatore di elettroni per ridurre il Fe 3+ a Fe 2+). Il Fe legato al gruppo EME sembra possedere un trasportatore sulla membrana plasmatica dell’enterocita. Nel plasma il Fe è legato a transferrina, poiché se fosse libero nel plasma genererebbe radicali liberi dannosi per le cellule. Transferrina può legare solo Fe 3+, di conseguenza quando Fe 2+ è rilasciato nel plasma da ferroportina, è necessario ossidarlo. Questo compito è svolto da efestina e da ceruloplasmina. Efestina è una ferrossidasi Cudipendente che catalizza la seguente reazione: 4H+ + 4Fe(II) + O2 → 2H2O +

4Fe(III). Anche ceruloplasmina è una ferrossidasi. RICICLO DEL FERRO I macrofagi inglobano gli eritrociti senescenti. Il gruppo EME delle molecole di emoglobina e il Fe2+ contenuto vengono recuperati dalla emeossigenasi (catalizzano una reazione di ossidoriduzione in cui viene rilasciato Fe2+). I macrofagi, inoltre, sono capaci di captare aptoglobina, una proteina plasmatica che recupera gli ioni Fe in caso di emolisi dei globuli rossi. Il macrofago recupera Fe da aptoglobina e in seguito digerisce la parte globinica di questa. Il Fe esce dal macrofago tramite ferroportina (Fpn) sotto forma di Fe2+. I macrofagi non possiedono efestina per ossidare Fe2+ a 3+ di modo che sia compatibile con trasferrina, ma esiste una forma di ceruloplasmina legata alla membrana con ancora a GPI che svolge questo compito. I macrofagi possono recuperare anche EME libero, legato a emopessina. Sia i macrofagi che gli enterociti possiedono un recettore per la transferrina, il quale permette di assorbire Fe in caso di

necessità (la transferrina distribuisce Fe all’organismo tramite un meccanismo di endocitosi). Trf1: recettore per la transferrina espresso soprattutto a livello dei reticolociti, è una molecola dimerica ( le due subunità sono unite da un ponte disolfuro) che capta due molecole di olotransferrina e viene internalizzata in un endosoma. A questo punto l’endosoma si fonde con un lisosoma e il pH acido contenuto all’interno di questa struttura catalizza il distacco di Fe dalla transferrina: il Fe viene trasportato nel citosol e Trf1 con legata l’apotransferrina vengono ricondotti in membrana. STEAP3: è una metalloreduttasi che riduce Fe 3+ (cioè la forma dissociata dalla transferrina) a Fe 2+. Una mutazione di STEAP 3 può portare ad anemia microcitica (Fe non può essere assorbito). Fe 2+ andrà a formare il pool labile di ferro: le cellule lo utilizzeranno per costruire citocromi, proteine Fe-S o EME (mitoferrina: catalizza il passaggio di Fe nel mitocondrio). Il ferro non utilizzato viene conservato tramite ferritina. Questa proteina è costituita da subunità di tipo L (immagazzinamento) e subunità di tipo H (ossidasi: è la ferritina stessa che ossida il Fe da 2+ a 3+ per la sua conservazione). Ferritina è presente in piccole quantità nel plasma che riflettono la quantità di Fe nei depositi dell’organismo (utile indicatore clinico). Nelle cellule l’eccesso di Fe rispetto a ferritina si deposita come Fe amorfo (emosiderina) legato irreversibilmente a una forma modificata di ferritina, visibile al microscopio come granuli fortemente pigmentati. SISTEMI DI REGOLAZIONE Due sono i sistemi di regolazione della concentrazione di Fe nel nostro organismo: un controllo di tipo sistemico (che riguarda il Fe legato alla transferrina nel plasma e coinvolge ferroportina e epdicina) e un controllo a livello cellulare (dipendente da IREIRP). 

Regolazione sistemica: REGOLAZIONE IN BASE ALLA QUANTITA’ DI Fe NEL CIRCOLO SISTEMICO, il principale protagonista di questa regolazione è l’epcidina. L’epcidina è un ormone peptidico prodotto dal fegato, che nel plasma lega alfa2-macroglobulina. HAMP è il gene che codifica per epdicina, se questo non viene espresso possiamo andare incontro a condizioni di sovraccarico di Fe parenchimale. Epcidina inibisce direttamente la ferroportina che porta il ferro al di fuori della cellula. Epcidina inibisce il rilascio di Fe nel sangue da parte degli enterociti, dei macrofagi della milza, delle cellule di kuppfer e degli epatociti. Gli epatociti rilasciano epcidina quando i livelli di Fe nel sangue sono alti e durante l’infiammazione: questo ormone sembra avere una funziona antifungina, antimicrobica e antivirale, questo accade perché “sequestrando” il ferro all’organismo, di fatto non lo rende disponibile nemmeno ai parassiti, diminuendone considerevolmente la loro vita. La richiesta di Fe per l’eritropoiesi inibisce il rilascio di epcidina. 1)MECCANISMO DI AZIONE POST TRADUZIONALE DI EPCIDINA: se la quantità di Fe è abbondante nel plasma, il fegato secerne epcidina, la quale si lega a ferroportina delle cellule bersaglio e inibisce il rilascio di Fe. A questo punto ferroportina viene internalizzata, ubiquitinizzata e degradata. Quando la concentrazione di Fe scende, allora epcidina non viene rilasciata dagli epatociti e ferroportina è espressa sulle membrane cellulari. 2)SISTEMA DI REGOLAZIONE DEL RILASCIO DI EPCIDINA: A) concentrazione di Fe ematico: tfr1 e tfr2 sono i recettori per la transferrina espressi sulle membrane degli epatociti. HFE è un fattore che si lega ad tfr1

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nello stesso sito dove si lega transferrina. Quando la concentrazione di Fe plasmatica è alta (quando quindi i livelli di transferrina sono alti), transferrina si lega a tfr1 e spiazza HFE. A questo punto HFE si lega a tfr2 ( in un sito diverso dal sito di legame di transferrina). Tfr2 attivato promuove la cascata delle MAPK e la trascrizione del gene di epcidina. Epcidina abbassa la quantità di Fe ematico. B) ipossia: promuove la sintesi di epcidina. C) infezioni e infiammazioni: tramite IL-6 promuovono la secrezione di epcidina. D) siti di conservazione epatica E) attività eritropoietica (inibisce il rilascio di epcidina). Regolazione cellulare: REGOLAZIONE IN BASE ALLA QUANTITA’ DI FE ALL’INTERNO DELLA CELLULA!!!!!Quando la cellula deve assumere ferro ha bisogno di trascrivere proteine specifiche per il suo ingresso (recettore per la transferrina, DMT1 che permette l’ingresso di Fe dal lume intestinale alla cellula, mitoferrina, ferritina, ferroportina e ossidasi associate: ceruloplasmina nei macrofagi e efestina negli enterociti). Per il controllo della trascrizione di queste proteine la cellula si serve del sistema IRE-IRP. Un’interazione della proteina IRP al 5’ di IRE (sequenza di mRNA codificante proteine coinvolte nel metabolismo del ferro) è DESTABILIZZANTE la sequenza. Il legame di IRP al 3’ è invece STABILIZZANTE. Quando la concentrazione di Fe intracellulare è bassa: IRP 1 e IRP 2 (entrambi elementi di regolazione della trascrizione) si legano al 5’ dell’mRNA per la ferritina (e anche ferroportina) e al 3’ dell’mRNA per il recettore della transferrina-> come conseguenza avremo una diminuzione di sintesi per la ferritina (la cellula è stimolata a rilasciare Fe dal deposito di ferritina nel citoplasma di modo che possa essere utilizzato, inoltre la sintesi di ferroportina è inibita, per cui la cellula tende a rilasciare meno Fe nel circolo), e un aumento della sintesi del recettore per la transferrina (la cellula è stimolata a captare Fe dall’ambiente). Quando la concentrazione di Fe intracellulare è alta: IRP 1 e IRP 2 non sono legati alle sequenze IRE. IRP 1 acquista i centri Fe-S e si converte in ACONITASI, IRP 2 viene invece degradata dal proteasoma (IRP2 è quindi stabilizzata dalla alta concentrazione intracellulare di Fe). A livello trascrizionale abbiamo un aumento di stabilità dell’mRNA per ferritina (la cellula è stimolata ad accumulare Fe e a creare depositi), e una destabilizzazione della sequenza di mRNA per il recettore della transferrina (la cellula non è stimolata ad assumere altro Fe).

REGOLAZIONE TRA LA CONCENTRAZIONE DI FERRO E ERITROPOIESI Il complesso di regolazione per la trascrizione di eritropoietina nel rene è costituito da 4 subunità: HIF1alfa, HIF1beta, HIF2alfa e HIF1beta. Quando la concentrazione di ossigeno nel sangue captata dal rene è abbondante, i fattori HIF1alfa e HIF2alfa vengono idrossilati e degradati dal proteasoma, in conseguenza non abbiamo sintesi di EPO. Quando la concentrazione di O2 è invece bassa abbiamo una stabilizzazione di HIF1alfa e HIF2alfa. L’mRNA di HIF2alfa contiene una sequenza IRE regolata da IRP: quando la concentrazione intracellulare di Fe è alta, IRP è degradata\convertita in aconitasi e non ha effetto stabilizzante della sequenza di mRNA, la traduzione di HIF2alfa è repressa e non abbiamo sintesi di EPO. Quando la concentrazione intracellulare di Fe è bassa, allora IRP stabilizza la sequenza per HIF2alfa e abbiamo sintesi di EPO.

TRASPORTO INTRACELLULARE DI FERRO: si pensa sia mediato da acido gentisico (lega Fe citosolico). CROSS TALK TRA REGOLAZIONE SISTEMICA E CELLULARE: Quando la concetrazione intracellulare di Fe è ALTA: 

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A LIVELLO DELLE CELLULE TARGET DI EPCIDINA: IRP è convertita in aconitasi\ degradata: 1)a livello dell’enterocita: non può stabilizzare mRNA per DMT1, dunque l’assorbimento ulteriore di Fe è ridotto. 2) IRP non può destabilizzare mRNA per ferroportina: l’enterocita rilascerà Fe nel circolo sanguigno-> questo verrà captato da transferrina e trasportato al fegato. Tfr1 capterà transferrina a livello epatico e tfr2 attivato promuoverà la trascrizione di epcidina, che agirà sulle cellule target inibendo ferroportina e limitando l’ulteriore rilascio di Fe. A LIVELLO EPATICO: il Fe entra dell’epatocita per mezzo di tfr1, tfr2 stimola la trascrizione di epcidina che agirà su ferroportina delle cellula target. A questo punto però la concentrazione di Fe all’interno dell’epatocita è alta: IRP verrà degradata\trasformata in aconitasi e non stabilizzerà mRNA per tfr1, di modo da evitare l’entrata ulteriore di Fe. L’IPOSSIA è un fattore che inibisce la trascrizione di epcidina. Il fegato in piccole quantità può produrre EPO: se la concentrazione di Fe nella cellula è alta, IRP è degradata e non stabilizzare la sequenza IRE di HIF2alfa: non avremo sintesi di EPO.