METALLI

Ferro : due forme redox Fe+2 e Fe+3

Rame: due forme redox Cu+1 e Cu+2

possono generare radicali e potenzialmente tossiciOmeostasi strettamente regolata da proteine

Zinco: la sola forma Zn+2

FERRO

Il ferro come simbolo di forza e potere risale alla mitologia greca, dove Efesto era il dio del fuoco e del ferro

E’ al centro della vita aerobica in quanto media l’utilizzo dell’ossigeno: metabolismo energetico

ed anche della vita anaerobica per la sintesi del desossiribosio e quindi del DNA: proliferazione cellulare

FUNZIONI BIOLOGICHE DEL FERROEMOPROTEINEemoglobina trasporto di O2

mioglobina riserva di O2

citocromo ossidasi utilizzo di O2

citocromi trasporto di elettronicitocromo P450 detossificazioneperossidasi utilizzo di H2O2

catalasi utilizzo di H2O2

PROTEINE CON FERRO NON-EMEproteine Fe-S catena respiratoriaaconitasi ciclo di Krebssuccinato deidrogenasi ciclo di Krebsfosfoenolpiruvato carbossilasi gluconeogenesidiossigenasi sintesi collageneribonucleotide reduttasi sintesi DNAlattoferrina antimicrobicatransferrina trasportoferritina riserva

L’organismo deve

assicurare un adeguato introito di ferro, nutriente essenziale

ma deve prevenire un eccesso, tossico, di ferro

OMEOSTASI REGOLATA DA SISTEMI COMPLESSI E SOFISTICATI

PROPRIETA’ CHIMICHE

Fe+2(H2O)6 + ossidante (O2) Fe+3(H2O)5OH- + H+ + riducente (vit C) solubile ossidi insolubili (pKa≈ 3)

in vitro Fe+3 mantenuto in soluzione da chelanti (es. citrato)

in condizioni fisiologiche la forma termodinamicamente stabile è il Fe+3

al pH acido dello stomaco in soluzione entrambe le forme

al pH intestinale o delle altri parti del corpo il Fe forma complessi insolubili di ossidi di Fe

L’organismo deve rendere il ferroSOLUBILE e BIO-DISPONIBILE

Metabolismo conservativo con riciclaggio del ferro

Elemento più abbondante sulla terra dopo O, Si, Al ma di difficile disponibilità per gli organismi viventi

FUNZIONA DA CATALIZZATORE IN REAZIONE REDOX

Quando non opportunamente controllate, le reazioni redox possono causare danni per la formazione di derivati reattivi dell’ossigeno (ROS)

REAZIONE di FENTON

Fe+2 + O2 Fe+3 + O2–

2 O2– O2 + H2O2

Fe+2 + H2O2 Fe+3 + OH– + OH

L’organismo deve rendere il ferro NON TOSSICO

Potenziale ossidativo tenuto sotto controllo tramite legame del Fe a proteine

METABOLISMO DEL FERRO

Contenuto totale nel corpo umano:

3-4 grammi (uomo > donna che ha minori riserve)

≈ 2/3 per le varie funzioni metaboliche o enzimatiche(≈ 85% emoglobina)

≈1/3 riserva e trasporto (aumenta in caso di sovraccarico)

ASSORBIMENTO: PUNTO DI CONTROLLO PRIMARIO

Duodeno e parte superiore del digiuno

Per rimpiazzare le perdite

inversamente proporzionale alle riserve

direttamente correlato alla velocità di eritropoiesi

( emorragia, emolisi, ipossia)in casi gravi assorbiti oltre 20 mg/die

II. ELIMINAZIONE

organismo incapace di escrezione attiva passiva per esfoliazione

• esfoliazione cellule mucosa intestinale (emivita 3-5 giorni - Fe accumulato come ferritina): responsabile per il 50-60%

• esfoliazione cellule pelle ≈ 0,2-0,3 mg/die

• urine - trascurabile

• sudore - trascurabile

• donne: mestruazioni 1,4-3 mg/die

DIETA E ASSORBIMENTO

FORMA CHIMICA Ferro eme > Ferro non-eme

CARICA ferro non eme: Fe+2 più solubile Fe+3

ALTRI COMPONENTI della DIETA

Inibenti l’assorbimento del Fe non eme-fitati (grano integrale, noci, legumi, lenticchie); polifenoli (caffe, te, vino rosso); fibra: si formano complessi non assorbibili.- eccesso di altri ioni metallici (Zn, Cu, Mn – Ca, P)

Stimolanti l’assorbimento del Fe non emevitamina C (riduce, può complessare, libera ferro dalla ferritina); amminoacidi essenziali (lisina, metionina, istidina)

Dieta vegetariana: fattori inibenti prevalgono su fattori stimolanti (vit C)

DIETA OCCIDENTALE: 6-7 mg di Fe per 1.000 kcal

assunzione in genere correlata alle calorie assunte: maggior rischio di carenza quando le richieste di Fe sono proporzionalmente superiori alle richieste energetiche (fase di crescita, donna adolescente con mestruazioni, donna gravida)

Fabbisogni ( secondo le indicazioni Italiane)Fabbisogni ( secondo le indicazioni Italiane)

6-24 mesi 8 mg/dieUomo (18-60 anni) 10Donna (>50 anni) 10

(14-40 anni) 18 Gestante 30 Nutrice 18

Dieta vegetariana 18/mg/die M - 32 mg/die F

APPORTO CARENTE

- deficienza delle scorte- a lungo termine bassi livelli di Hb e anemia

30% popolazione nei paesi in via di sviluppo (in particolare bambini, adolescenti, donne)

paesi sviluppati (in particolare adolescenti e donne) - restrizione calorica - consumo alimenti poveri in micronutrienti, vegetariani

nel bambino: maggiore suscettibilità ad infezione, diminuita attività motoria e sviluppo mentale, minore performance scolastica, diminuita attività tiroidea (forse per dimunuita attivita della tiroide perossidasi); nell’adulto: diminuita capacità lavorativa

MAGGIORI RICHIESTE

- bambino (fino a 2 anni causa richieste per la crescita)

nato a termine: scorte fino a 6 mesi (scorta di 250 mg) da latte materno: 0,15 mg/die di Fe assorbito vs 0,55 mg/die . di Fe richiesti

pretermine o a basso peso: scorte fino a 2-3 m

- adolescente: rispettivamente 20% e 30% in più per M o F . …del padre o della madre

durante la crescita si accumula 0,5 mg Fe/die per arrivare a scorta …..dell’adulto di 4-5 g

- donna mestruazioni, gravidanza

ALTRE CAUSE DI CARENZA NON LEGATE ALLA DIETA

Celiachia per atrofia della mucosa

Gastriti con acloridia

Sanguinamento intestinale - uso di aspirina - perdita di sangue occulto (parassitosi intestinale nei paesi in via di sviluppo)

Stati infiammatori

Difetti genetici (rari) con aumento epcidina IRIDA (iron-refractory iron deficiency

anaemia) ereditaria

ECCESSO: accumulo di ferro nel fegato, cuore, pancreas, articolazioni ……………con conseguente danno da radicali

Non dipendente dalla dieta, tranne eccezioni“Bantu siderisosis” birra fermentata in contenitori di ferro; anche problemi genetici?

Trasfusioni (talassemia)

Fattori genetici (emocromatosi ereditaria: 1 su 10 europei ne sono portatori per mutazione della proteina HFE che interagisce con il recettore della transferrina; assorbimento intestinale)

Pancreatiti aumento del Fe +2 (il succo pancreatico alcalino per bicarbonato sposta l’equilibrio verso Fe +3)

Eccesso di somministrazione farmacologica

È stato stabilito che il limite massimo di assunzione senza rischi è di 45 mg/die sulla base dei disturbi all’apparato digerente.

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cellule reticolo endotelialemacrofagi600 mg

midollo300 mg

eritrociti 1800 mg

altre cellule400 mg

fegato 1000 mg riserva

PlasmaFe +3-Tf 3 mg

perdite di ferro

1-2 mg/die

1-2 mg/d

duodeno

Distribuzione del ferro

riciclo20-25 mg/d

CAPTAZIONE FERRO EME:

2005: identificato un trasportatore haem-carrier protein 1 (HCP1)

Nell’enterocita: Fe-eme + emossigenasi Fe + bilirubina + CO

HCP1 : up-regolato da ipossia e carenza di Fe (può trasportare anche i folati )

Ferritina : accumulo di ferro che viene eliminato con la esfoliazione dell’enterocita

DMT1DMT1 H+/divalent metal simporter

(Zn +2, Cu +2, Mn+2, .. )

Dcytb (Duodenal Cytochrome b):

ferrireduttasi Fe+3 Fe+2

cofattori vit C e NADH

Upregolati da Upregolati da ipossia e carenza di Fe e carenza di Fe

CAPTAZIONE FERRO NON EME

meccanismo regolato

Enterocita duodenale

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sono necessari per visualizzare quest'immagine.macrofago

Fe+2

Fe+2

Fe+3

Tf-Fe+3 Tf

RBC

Ceruloplasmina

ferroportina

TRANSFERRINA: trasporto ematico inter-organo

≈ 0,1% ferro totale legato alla transferrina (Tf), proteina plasmatica sintetizzata nel fegato

La Tf ha due siti di legame per il Fe+3 ma satura per il 30%;

SCOPO: - mantenere il ferro in una forma solubile e non reattiva - prevenire accumulo tossico di Fe non legato a proteina.

saturazione della transferrina: livello Fe sierico / livello Tfr analisi di laboratorio come indice di stato per il ferro

carenza anemia sovraccaricoSaturazione Tf

LATTOFERRINA: LATTE MATERNO E SECREZIONI (saliva, lacrime, ) - assorbimento del ferro nel neonato. - difesa antibatterica ed Immunità innata

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RECETTORE per la TRANSFERRINA

PUNTO CRITICO: Rilascio come Fe+2

frazione citosolica - “labile iron pool” - legato a chelanti a basso peso molecolare (citrato, AMP, ADP, istidina,..) ROS

Proteina HFE: forma un complesso con Tf-R e affinita per Tf

Variante Cys282Tyr 30% della popolazione europea

EMOCROMATOSI HFE (o di Tipo I)64% causa di emocromatosi in Italia; 82-90% USA, Francia, Gran Bretagna100% Australia

Aumenta l’ASSORBIMENTO INTESTINALE

verso i 40 anni (M) accumulo in Fe tale da dare sintomi clinici (fibrosi, cirrosi)

per l’eterozigote non sembrerebbe fattore di rischioper l’omozigote fattore necessario ma non sufficiente - anche altre cause:

genetiche alimentari: alcol > 60g/diealti livellli di assunzione di Fe

EMOCROMATOSI NON-HFETipo 2 mutazione epcidinaTipo 3 mutazione TfR2Tipo 4 mutazione ferroportina

FERRITINAforma di riserva del ferro; ubiquitaria

ApoproteinaStruttura a guscio con cavità interna di ~ 80Å

involucro costituito da 24 subunità di tipo L (leggera) ed H (pesante)

subunità H: enzima con attività ferrossidasica (Fe+2 Fe+3) subunità L: facilita la nucleazione

4.500 atomi di Fe sotto forma di complesso di ossido e fosfato ferrico

CONTROLLO DEL METABOLISMO A LIVELLO CELLULARE

a livello della trascrizione

Ipossia trascrizione di Tfr e Tfr-R per aumentata eritropoiesi

a livello della traduzioneferritina (H e L)Tf-Raminolevulinato sintetasi DMT-1ferroportina

REGOLAZIONE A LIVELLO TRADUZIONALE

Sistema IRP- IRE Iron Regulatory Protein - Iron Responsive Elements

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IRP funzionano da biosensori

bassi livelli di Fe alti livelli di Fe

IRP-1 c-aconitasi [4Fe-4S]

5’___IRE___mRNAcodificante___3’

IRE in posizione 5’: legame con IRP impedisce traduzione

5’ ___ mRNA codificante ___ IRE ___ 3’

IRE in posizione 3’: legame con IRP stabilizza l’mRNA ed aumenta la traduzione

sintesi coordinata e reciprocamente controllata

BASSI LIVELLI DI FERROBASSI LIVELLI DI FERRO IRP si legano ad IRE

traduzione e sintesi della ferritina

mRNA ferritina 5’_IRE_mRNAcodificante_3’

contemporanemente

sintesi del recettore tipo1 per la Tf

mRNA TfR-1 5’_ mRNA codificante_IRE_3’

RISULTATO GLOBALE: ferro disponibile

ALTI LIVELLI DI FERROALTI LIVELLI DI FERRO IRP NON si legano ad IRE

sintesi ferritina sintesi recettore TfR1

RISULTATO GLOBALE: ferro disponibile

Chi trasmette all’enterocita le informazioni sullo stato (riserve di ferro, eritropoiesi) dell’organismo?

Nel 2000 isolato in peptide antimicrobico (due forme di 20 e 25 aa)sintetizzato nel fegato a partire da un precursore di 84 aa

REGOLAZIONE SISTEMICA

EPCIDINA

hepcidin (hepatic bactericidal protein)

“ormone del ferro”

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Attività antimicrobica

Attività ormonale per il metabolismo del ferro

25 a.a.Ricca in Cys con 4 ponti S-SPuò assumere varie conformazioni

2001 Evidenze che l’epcidina è un regolatore negativo

dell’assorbimento del ferro alimentare e del rilascio del ferro dai macrofagi

• anemia• eritropoietina• ipossia• dieta povera di ferro• alcol

EPCIDINA assorbimento duodenale

rilascio dai macrofagi Fe

• sovraccarico di Fe• stati infiammatori (via citochine, IL-6) (infezioni, artrite, cancro, …)

EPCIDINA assorbimento duodenale

rilascio dai macrofagi Fe

Bersaglio cellulare: enterocita, macrofago

Bersaglio molecolare: ferroportinaQuickTime™ e un

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macrofago

enterocita

epcidina

ferroportina

ferroportina

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IPOTESI DELLE CELLULE DELLA CRIPTA vs IPOTESI EPACIDINA

I. cellule della cripta

A livello della cripta la Tf interagisce con Tf-R- HFE: la quantità Fe importato regola la espressione dei trasportatori nell’enterocita maturo.

II Epcidina- l’epcidina lega la ferroportina, che viene tirosina-fosforilata- la ferroportina-P viene internalizzata e degradata- viene pertanto bloccato l’esporto di ferro da enterocita e macrofagi- l’accumulo di Fe nell’enterocita blocca la sintesi dei trasportatori

e l’assorbimento del ferro

Conrad ME, Crosby WH. Intestinal mucosal mechanisms controlling iron absorption. Blood. 1963;22:406-415.

Proposero questo meccanismo di controllo 50 anni prima che fosse dimostrato

RAME

RAME

Forme redox Cu+1 e Cu+2 ( forma ossidata, a differenza del ferro è solubile), non ci sono problemi di assorbimento;

Fonti alimentari: alto contenuto: spinaci, fegato, crostacei, cioccolato, noci, carne, grano integrale, non ci sono carenze da dieta vegetariana

Fabbisogno per adulto: 0,9 mg/die

Funzione: cofattore di enzimi

Contenuto totale corporeo: sull’ordine dei 100 mg

carenza ed eccesso legate a malattie genetiche sindromi di Menkes ( carenza) sindrome di Wilson ( eccesso

ENZIMI RAME-DIPENDENTIProteine legate al metabolismo del ferro

ceruloplasmina (proteina plasmatica sintetizzata dal fegato; contiene 6 atomi di rame; proteina della fase acuta: aumenta nell’infiammazione)- attività ferrossidasica per il rilascio di ferro dai tessuti periferici (Fe2+

Fe3+) e legame alla transferrina- attività antiossidante, controlllando lo stato redox del Fe

Individui con mutazione del gene per la ceruloplasmina (mancanza totale di ceruloplasmina plasmatica: aceruloplasminemia) non hanno sintomi da carenza di rame ma sintomi da carenza di ferro

efestina attività ferrossidasica per rilascio di ferro dall'enterocita

Citocromo C ossidasi 3 atomi di rame e 2 di Fe-eme

utilizzo O2 a livello mitocondriale

O2 + 4 H+ + 4e- 2 H2O

superossido dismutasi (SOD) Cu/Zn2 O2

- O2 + H2O2

Cu nelle forme SOD citosolica ed extracellulare

rame: ruolo cataliticozinco: ruolo strutturale

METABOLISMO della TIROSINA

Tirosinasisintesi diossifenilalanina (DOPA) a partire dalla tirosina

DOPA precursore nella

Dopammina ossigenasi (cofattori: Cu e vit C)dopammina noradrenalina

sintesi della melanina

(tirosinasi carente nell'albinismo)

sintesi della dopammina

( noradrenalina adrenalina)

lisil ossidasi legami crociati nel collagene ed elastina (deaminazione ossidativa del gruppo -amminico di residui di lisina che diventa gruppo aldeidico; questo a sua volta reagisce con catena laterale di amminoacidi a dare legami crociati )

amino ossidasi ossidazione mono-, di-, poliammine

tiol ossidasiformazione legame disolfuro

-amidazione di peptidi neuroendocriniTRH, CRH, vasopressina(maturazione post-sintetica: amidazione del gruppo carbossilico terminale da parte della glicina, donatore del gruppo amminico)

OMEOSTASI DEL RAME

il Cu intracellulare si lega a piccole proteine chaperonAtox1 (anti-oxidant 1 per prevenire la interazione inappropriata con altre componenti cellulari)

Trasporto nell’apparato di Golgi tramite ATPasi:

ATP7B nel fegato - ceruloplasmina - escrezione biliare

ATP7A nell’intestinoassorbimento

ALTERATO METABOLISMO DEL RAME IN DUE MALATTIE GENETICHE

Emtrambe riguardano alterazione dei trasportatori cationici ATP7A o ATP 7B (sono ATPasi che richiedono l’idrolisi dell’ATP)- MORBO DI MENKES (ATP7A) - MORBO DI WILSON (ATP7B)

Le due ATPasi hanno differente distribuzioni e quindi le alterazioni danno sintomi differenti

ATP7A in tutti i tessuti tranne il fegatoATP7B più alta nel fegato - poi nel cervello, rene placenta, cuore, polmoni

mutazione ATP7B (cromosoma 13) nel morbo di Wilson MALATTIA DA ACCUMULO DI RAME

- difetto nella incorporazione di Cu nella ceruloplasmina - incapacità di eliminare il rame con la bile- accumulo di rame nel fegato e cervello e danni epatici

e cerebrali da sovraccarico- accumulo anche nella cornea, rene, muscolo,ossa,

(1:30.000 –100.000 nati - Sardegna 1:7.000)

terapia chelante dieto terapia

- evitare cibi ricchi in rame (fegato, crostacei, cioccolato, noci, legumi)

- non bere acqua con Cu >1ppm (0,1ug/L)- Zn acetato

Mutazione ATP7A (cromosoma X)nel morbo di Menkes

MALATTIA DA CARENZA DI RAME

Recessivo 1: 300.000 nati; esito fatale nei primi anni di vita

per progresiva degenerazione cerebrale

ATP7A (intestino, placenta, cervello)

alterazione a livello dell’assorbimento e carenza in rame (bassi livelli tranne che nell’intestino e nel rene)

ZINCO

Lo zinco ha un solo stato di ossidazione stabile Zn2+ (a differenza del rame e del ferro)

e quindi non partecipa direttamente a reazioni di ossido-riduzione.

A differenza di Cu e Fe non innesca reazioni redox potenzialmente dannose.

Si trova legato a proteine (ligandi: cisteina, istidina) con effetti sulla struttura terziaria e sulla funzione

Contenuto totale di Zn nel corpo umano1,5-2,5 grammi di cui >95% intracellulare:

50% citoplasma 30-40% nucleo

fabbisogno (adulto) 11 mg/die (M) 8 mg/ die (F)

E’ ubiquitario nel metabolismo cellulare per cui una sua carenza porta ad multeplici conseguenze biologiche e cliniche.

funzione catalitica

funzione strutturale

funzione regolatoria a livello trascrizionale

funzione antiossidante

Funzione in più di 300 enzimi tra cui

Carbonico anidrasi (equilibrio acido-base)

Superossido dismutasi

Lattico deidrogenasi

Alcol deidrogenasi

Retinale deidrogenasi (metabolismo vit A)

Proteasi

Carbossipeptidasi A e B

Enzimi coinvolti nella replicazione, riparazione, trascrizione DNA (DNA polimerasi, RNA polimerasi, aminoacil-tRNA sintasi)

FUNZIONE STRUTTURALE IN PROTEINE REGOLATRICI

motivi strutturali detti dita di zinco. Zn2+ coordinato a 2 S (Cys) e 2 N (His) 1% del genoma umano codifica per proteine con queste motivo

consente a piccoli tratti della catena di ripiegarsi in forma di unità stabili capaci di interagire con siti di DNA regolando la trascrizione e la espressione o inattivazione di geni.

Classici esempi di tali fattori di trascrizione sono i recettori per gli estrogeni, testosterone, acido retinoico, 1,25(OH)2D3

FUNZIONE ANTIOSSIDANTE

Ruolo strutturale nella SOD

Stimola la sintesi di tioneine che sequestrando metalli inibiscono la formazione di radicali dell’ossigeno

CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE

MTF-1 ( Metal-binding Transcriptor Factor–1)fattore di trascrizione con motivo a dita di zinco

Zn modula il legame di MTF-1 con MRE (sequenza Metal Response Element del DNA)

Alti livelli di Zn inducono aumento della sintesi diMetallotionenine : proteine citosoliche a basso pM (60 aa di cui 20 Cys/ 7 atomi di metallo) prodotte in risposta ad alti livelli di zinco ma anche ma anche di rame, e metalli pesanti tossici quali cadmio (Cd2+) e mercurio (Hg2+). ruolo nella Omeostasi dello Zn (assorbimento, riserva) Protezione da metalli pesanti, specie Cd,indotte intestino fegato, rene, pancreas

SINTOMI di CARENZA di ZINCO

- deficit sistema immunitario

- alterazioni comportamento e delle funzioni mentali

- dermatiti – ritardo cicatrizzazione Zn legato al metabolismo della vit A necessaria per il

differenziamento epitaliale, Zn cofattore della collagenasi

- alterazione del gusto (presente nella gustina peptide salivare appartenente alla famiglia della carbonico anidrasi)

- ritardo crescita e maturazione sessuale (possibilmente legato al ruolo nella trascrizione)