*Oligoelementi: elementi essenziali richiesti in micro o milligrammi

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1 FERRO

2 Gli ioni metallici partecipano ai processi catalitici in 3 modi: Orientano il substrato nel sito catalitico Stabilizzano elettrostaticamente o proteggono le cariche negative *Oligoelementi: elementi essenziali richiesti in micro o milligrammi Partecipano a reazioni redox Alcuni presentano più stati di ossidazione Me n Me n e - Metalli di transizione Orbitali d e f parzialmente occupati In parentesi sono indicate le quantità (in mg) presenti in un uomo dal peso di 70 kg

3 Ferro Ruolo metabolico utilizzazione dell ossigeno e produzione di energia Carenza riduzione delle prestazioni fisiche, compromissione della risposta immunitaria, alterazioni neurologiche, nascite premature, difficoltà di apprendimento, ritardo mentale (se nel primo anno di vita)

4 Il ruolo del ferro è correlato alle funzioni delle proteine che lo legano. Queste si possono dividere in tre classi: proteine di trasporto e deposito del ferro, emoproteine, proteine ferro-zolfo

5 E essenziale respirazione per la sintesi del DNA reazioni metaboliche Fe e funzioni vitali L organismo deve assicurare un adeguato introito di ferro, cofattore essenziale ma deve prevenire un eccesso di ferro, potenzialmente tossico [Fe] intracellulare deve essere bilanciata perché il Fe è tossico OMEOSTASI REGOLATA DA SISTEMI COMPLESSI E SOFISTICATI L organismo possiede una serie di proteine dedicate al Trasporto Deposito Regolazione Del ferro

6 Distribuzione proteica del ferro in un uomo di 70 kg Il corpo umano contiene quindi circa 4 grammi di ferro

7 Attività pro-ossidante del ferro Reazioni radicaliche catalizzate da ferro libero Reazione di Fenton Fe 3+ + O 2 - Fe 2+ + O 2 Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ + OH + OH - Reazione di Haber-Weiss Fe O 2- + H 2 O O OH + OH - Il Fe 2+ prevale a ph acido, il Fe 3+ prevale a ph neutro o basico Il ferro è scarsamente solubile: il Fe 2+ è molto più solubile del Fe 3+

8 I fabbisogni metabolici di ferro variano in funzione del sesso, dell età dell individuo, dello stato fisiologico, e patologico Per rimpiazzare perdite fisiologiche: basali: con le feci (esfoliazione della mucosa intestinale),sudore etc 1 mg /die col flusso mestruale: 0,5 mg/die (la distribuzione statistica è asimmetrica, non gaussiana) gravidanza (accrescimento della placenta, del feto) fabbisogno di 5,6 mg/die nel 3 trimestre allattamento 0,3 mg/die persi con il latte Per altri processi donazioni di sangue : ( 220 mg ferro/500 ml sangue donato 1 volta l anno 0,6 mg/die) Gruppi di popolazione con particolari esigenze atleti (fabbisogno 30-70% superiore al normale) vegetariani/vegani (fabbisogno 80% superiore al normale)

9 L omeostasi sistemica del ferro è mantenuta grazie alla 1) regolazione dell assorbimento Omeostasi a livello sistemica intestinale del ferro 2) mobilizzazione delle riserve 3) riutilizzazione del ferro emoglobinico dei globuli rossi invecchiati A causa della sua scarsa solubilità, non esiste un meccanismo fisiologico per l escrezione riserva

10 Biodisponibilità del ferro eme dalla dieta Inibita da Calcio Durata e temperatura di cottura degli alimenti Scarsamente influenzata dallo stato nutrizionale

11 Biodisponibilità del ferro non-eme dalla dieta Diminuita da Fitati, ossalati, tannini, polifenoli Calcio Proteine del latte, uova, soia Altri metalli in eccesso (rame, zinco) Aumentata da Acidità dello stomaco Acido ascorbico Acido citrico Carne, pesce Fibra Trasformazione degli alimenti Fortemente influenzata dallo stato nutrizionale dell individuo

12 Assorbimento(percentuale) Controllo omeostatico dell assorbimento Depositi Bassi Ferro Corporeo Depositi Elevati Ferritina nel siero (μg.l -1 ) Arienti G, Le basi molecolari della nutrizione, 3 ed., Piccin Ed., 2011

13 Ferritina: proteina di deposito e riserva del ferro abbondante nella milza, fegato e midollo osseo, scarsa nel siero 440 kda (apo-proteina) 24 subunità due tipi di subunità (H1, 21 kda e L, 19 kda), con funzione diversa Può legare fino a ~4500 atomi di ferro per molecola, come ossido di ferro FTH1 e FTL sono ubiquitarie cuore, muscolo predomina tipo H (rapido turnover, per il metabolismo cellulare) fegato, milza predomina tipo L (riserva a lungo termine) (catena H) precursore della emosiderina, aggregato eterogeneo di ferro, componenti lisosomiali ed altri prodotti di digestione cellulare

14 FERRITINA SIERICA (12-40 ug/l) Sottoprodotto della ferritina tissutale Subunità G: forma modificata e glicosilata di FTL viene secreta Funzione biologica sconosciuta Indicatore semiquantitativo delle riserve di ferro direttamente proporzionale alle riserve corporee

15 Transferrina (Tf): glicoproteina monomerica sintetizzata nel fegato e secreta nel plasma Circa 80 kda, sintetizzata dal fegato Lega al massimo 2 atomi di solo ferro ossidato (Fe III) In circolo: 30 % satura di ferro, 35 % con 1 solo ferro legato, 35 % priva di ferro (apo-transferrina); lega 3 mg di ferro (0,1% del totale) Solo la transferrina satura è riconosciuta dal suo recettore cellulare (TfR) e viene internalizzata dalle cellule bersaglio C N

16 Il legame è influenzato dal ph Y = Tyr H = His D = Asp

17 TRANSFERRINA: trasporto ematico inter-organo La Tf ha due siti di legame per il Fe +3, ma è satura solo per il 30%; SCOPO: - mantenere il ferro in una forma solubile e non reattiva - prevenire accumulo tossico di Fe non legato a proteina. LATTOFERRINA: 40% omologia con la transferrina LATTE MATERNO E SECREZIONI (saliva, lacrime) - assorbimento del ferro nel neonato - difesa antibatterica ed Immunità innata

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19 Assorbimento e rilascio del ferro dall enterocita nel duodeno Metabolismo del ferro nell enterocita duodenale K + Na + DMT1= Divalent Metal Transporter, un simporto con i protoni Tf = transferrina DCYTB = Duodenal cytochrome b, ferroreduttasi HCP = Heme Carrier Protein Efestina = ferrossidasi contenente rame Epcidina = peptide regolatorio, ormone

20 Alti livelli di ferroportina sono presenti nel duodeno (Fe assorbito), epatociti (Fe immagazzinato) e nei macrofagi (Fe riciclato)

21 Recupero del ferro dagli eritrociti eliminati dal sistema reticolo endoteliale della milza De Domenico, I et al., Nature Rev., 2008, 9,: 72-81

22 Assorbimento del ferro da parte dell eritroblasto TfR1 presente per l 80% su queste cellule De Domenico, I et al., Nature Rev., 2008, 9,: Ogni molecola di transferrina durante il suo ciclo vitale (circa 2 gg) compie questo ciclo circa 100 volte STEAP 3 è una ferro-reduttasi; DMT1 è il trasportatore di metalli bivalenti

23 L epcidina regola negativamente il trasporto del ferro nel plasma ormone peptidico (25 AA, 8 cisteine) (gene HAMP) circolante prodotto dal fegato in risposta all aumento del ferro sierico agisce sull enterocita e sui macrofagi provoca la fosforilazione, l internalizzazione e la degradazione lisosomiale della ferroportina, bloccando così l ingresso in circolo di altro ferro Andrews, NC, BLOOD, 2008, 112,

24 epcidina assorbimento Condizioni che modulano la biodisponibilità del ferro attraverso l epcidina Riserve basse Emolisi Emorragie Aumento dell eritropoiesi Ipossia Emocromatosi Riserve adeguate Infezioni/infiammazioni Ipocloridria Obesità epcidina assorbimento

25 Fattori coinvolti nella regolazione dell omeostasi l omeostasi del ferro Iron Responsive Proteins (IRPs) 1 e 2 Epcidina

26 Iron Responsive Proteins (IRPs) 1 e 2 proteine citosoliche, omologhe in sequenza, ubiquitarie nei tessuti dei mammiferi Se il ferro è BASSO le IRPs si legano al 5 o 3 UTR dell mrna di proteine correlate all omeostasi del ferro in corrispondenza di Iron Responsive Elements (IREs) dei rispettivi geni e ne ostacolano o favoriscono la traduzione Il motivo IRE canonico è una struttura ansa /stelo di nucleotidi

27 Quando il ferro è alto, le due IRPs perdono la loro funzione di controllo sull omeostasi del ferro IRP1 si associa al ferro e diventa una proteina 4Fe/4S (ISC) (acquisisce attività aconitasica citosolica) IRP2 legando ferro viene ubiquitinata, riconosciuta dal sistema del proteasoma e degradata

28 BASSO Fe (IRPs attive) legame all IRE nella regione 5 UTR, traduzione rallentata (es. catene H e L della ferritina, δ-ala sintasi, aconitasi mitocondriale) IRP Complesso di pre-inizio 43S Elemento sensibile al ferro adiacente al 5 La traduzione viene RALLENTATA

29 BASSO Fe (IRPs attive) legame a cinque IREs posti nella regione 3 UTR, stabilizzazione dell mrna, aumento della traduzione (es. TfR1, DMT1) IRP IRP IRP IRP IRP Stabilizzazione dell mrna RNAse

30 Assorbimento intestinale del ferro DMT1 IRP/IRE Ferritina IRP/IRE Ferroportina epcidina Da Rizvi S e Schoen RE, Am J Gastr, 2011

31 Carenza di ferro Anemia sideropenica (microcitica, ipocromica) (anemia marziale) Si attua attraverso 3 fasi successive 1) Deplezione delle riserve di ferro 2) Diminuzione saturazione della transferrina, e aumento della sua sintesi 3) Diminuzione della concentrazione di emoglobina Sintomi: ridotte prestazioni fisiche, perdita dei capelli, difficoltà respiratorie, palpitazioni, compromissione della risposta immunitaria, alterazioni neurologiche, difficoltà di apprendimento, ritardo mentale Cause Scarso ferro assunto con la dieta Tumori al Colon Parassiti intestinali Gravidanza Ipermenorrea

32 Anemia sideropenica (microcitica, ipocromica) (anemia marziale)

33 Valutazione biochimico-clinica dell omeostasi del ferro Si ottiene dall analisi complessiva di più marcatori biochimici emoglobina sideremia (misura del ferro plasmatico) capacità totale di legare il ferro (TIBC ), capacita ferro-legante (quantità di ferro necessario per saturare completamente la transferrina) saturazione della transferrina (rapporto tra sideremia e TIBC (indicatore della quantità di ferro circolante) ferritina sierica (indicatore dell entità delle riserve) frammento circolante del recettore della transferrina (stfr) (indicatore dell attività funzionale del ferro, in particolare dell eritropoiesi)

34 Misurazione dell Emoglobina (HB) I globuli rossi vengono separati dal plasma e emolizzati per ottenere HB in soluzione. Il campione viene aggiunto ad una soluzione contenente cianuro (SOLUZIONE DI Drabkin s, contenente cianuro di potassio e potassio ferricianuro) che si lega al Fe-Eme per formare CIANOMETAEMOGLOBINA. Questa assorbe la luce a 540 nm. v. r. nel sangue intero: mg/dl (nell uomo) e mg/dl (nella donna)

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36 Sideremia: misura la quantità di ferro legata alla transferrina A ph basso, il ferro si libera dalla transferrina Il Fe(3+) rilasciato viene ridotto a Fe(2+) dall ascorbato presente nel saggio Reagisce con ferrozine e forma un complesso colorato L intensità della colorazione è proporzionale alla quantità di ferro e viene misurata spettrofotometricamente v. r. 0,5-1,5 mg/l

37 TRANSFERRINEMIA Misurata con Metodo immunometrico A seguito di agglutinazione per aggiunta al siero di anticorpo anti transferrina, si effettua misura turbidometrica Distinguibile nel protidogramma nella frazione beta-globuline

38 Capacità Ferro-legante (misurazione diretta) TIBC = Total Iron Binding Capacity (Transferrin iron Binding Capacity) v.r. 2,50 3,7 mg/l Misura la quantità massima di ferro che può essere legata dalle proteine sieriche (= transferrina). Rappresenta una misura indiretta della transferrinemia 1) Il campione di siero viene aggiunto a un reagente acido che contiene un colorante che lega il ferro e ferro in eccesso la variazione di ph libera il ferro dalla transferrina che si lega al colorante insieme al ferro presente in eccesso, producendo un complesso colorato misurabile 2) Si aggiunge un secondo reagente che alza il ph e ripristina l affinità della transferrina per il ferro. La trasferrina estrae il ferro dal complesso colorato e diventa satura al 100%. Il restante ferro in eccesso resta legato al colorante. 3) Si avrà quindi una diminuzione dell assorbanza del complesso colorato, che si misura spettrofotometricamente a 660 nm, proporzionale alla TIBC del campione di siero