Corso di Laurea Triennale in Biotecnologie per la salute. Biochimica clinica

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1 Corso di Laurea Triennale in Biotecnologie per la salute Biochimica clinica Argomenti della lezione: Il Ferro Il ciclo del Ferro Il laboratorio nel metabolismo marziale

2 Il Ferro È un oligoelemento essenziale per la vita di tutti gli organismi È un costituente obbligato di numerose ferroproteine e di alcuni sistemi metabolici Ferroproteine Emoglobina e mioglobina (trasporto dell O2) Citocromi, NAD deidrogenasi, deidrogenasi flavoproteiche (trasporto di elettroni) Catalasi, lattoperossidasi (demolizione dei perossidi) Transferrina, lattoferrina, ferritina, emosiderina (assorbimento, trasporto e deposito di ferro nell organismo)

3 Distribuzione del Ferro nell organismo In un individuo adulto sono presenti 4-5 g di ferro, distribuiti sotto forma di: Fe emoglobinico (50-70%) Fe tissutale (di deposito)*: fegato, milza, muscolo, midollo (15-30%) Fe mioglobinico (3-5%) Fe degli enzimi: coenzima di perossidasi, catalasi, citocromi (0,2%) Fe di trasporto: transferrina (0,1%) *Nel midollo ogni giorno 20 mg di ferro, derivanti dalla lisi degli eritrociti senescenti, sono utilizzati per la sintesi dell eme dei nuovi eritrociti. La riserva di ferro non-emico nelle cellule e nel sangue è garantita dalla ferritina, capace di sequestrare più di 4500 atomi di ferro per molecola.

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5 Ferro sierico Gli stati di ossidazione più comuni del ferro sierico sono: il ferro(ii), che dà composti di Fe 2+ (ferro ferroso-ridotto) il ferro(iii), che dà composti di Fe 3+ (ferro ferrico-ossidato)

6 Il ciclo del Ferro ) Il ferro assorbito dalla dieta passa nel plasma dove è legato alla transferrina, un proteina di trasporto sintetizzata dal fegato 2) la maggior parte del ferro è utilizzata per la sintesi dell emoglobina 3) gli eritrociti maturi sono fagocitati dai macrofagi, e l emoglobina è degradata 4) il ferro rilasciato è immesso nel plasma opp. è depositato nei macrofagi (complesso ferritina/emosiderina)

7 Panoramica sul trasporto del Ferro ) La reduttasi ferrica riduce il Fe3+ a Fe2+." 2) il Fe2+ è trasportato dal lume intestinale negli enterociti dall' eme (HT), gli endosomi e/o i trasportatori dei metalli bivalenti (DMT1)" 3) il Fe2+ può essere riconvertito Fe3+ e legato alla transferrina nell'enterocita o può essere riversato nel sangue dalla ferroportina (FP) ed efestina (HP)." 4) il Fe2+ si ossida a Fe3+, si lega alla transferrina plasmatica, e può essere trasportato 7 dal sangue ai tessuti."

8 Biodisponibilità del Ferro Le migliori fonti alimentari di ferro sono la carne, il pesce, i fagioli, il tofu e i ceci. Contrariamente a quanto generalmente ritenuto, gli spinaci non sono tra i cibi più ricchi di ferro ed anzi sono tra i vegetali che, se assunti in congiunzione con alimenti ricchi di ferro, ne diminuiscono la biodisponibilità. I livelli di assunzione raccomandati (LARN) sono: 10 mg/die per gli uomini dai 18 ai mg/die alle donne over mg/die per adolescenti maschi e femmine senza mestruazioni 18 mg/die per donne dai 14 ai mg/die nelle gestanti

9 Assorbimento del Ferro La quantità di Ferro nell organismo viene regolata attraverso il controllo del suo assorbimento In condizioni fisiologiche, il ferro alimentare è assorbito, in proporzione al bisogno, nel duodeno Del ferro introdotto con la dieta: 20% è assorbito come Fe legato al gruppo Eme 80% è assorbito come ferro non legato al gruppo Eme Per essere assorbito deve essere nella forma ridotta. La riduzione avviene a ph acido, quindi nello stomaco o in presenza di sostanze riducenti

10 La distribuzione del Ferro nell organismo La distribuzione degli ioni ferro nelle cellule e nei fluidi corporei è regolata in maniera molto rigorosa* Nelle cellule e nei fluidi corporei il ferro non è mai libero, ma legato a specifiche proteine: di deposito (ferritina ed emosiderina) di trasporto (transferrina, lattoferrina, aptoglobina) *il ferro è inglobato nell eme, componente essenziale delle proteine coinvolte nelle reazioni redox: eccessi di ferro aumentano le reazioni redox provocando così un aumento dei radicali liberi dell ossigeno! ROS

11 Take home message La carenza di Fe provoca il blocco della sintesi dell eme, ma il ferro libero è tossico!

12 Il Ferro di deposito Il Ferro si accumula sotto forma di ferritina (solubile) ed emosiderina (insolubile) Nelle cellule della mucosa intestinale, il ferro viene legato all'apoferritina l'apoferritina, capta il Fe++(ferroso) e lo ossida affinché venga depositato come Fe+++(ferrico) Ferro + Apoferritina = Ferritina

13 La ferritina La ferritina è una proteina globulare che si trova principalmente nel fegato, nella milza, nel midollo osseo e nei tessuti scheletrici svolge la funzione di riserva organica del ferro a livello epatico (intracellulare) Il ferro si deposita nel core centrale vuoto: può contenere fino a circa 4500 atomi di ferro (in stato di ossidazione Fe 3+ ) in una struttura a nanogabbie composta da 24 subunità multimetriche identiche di catene pesanti (H) e leggere (L)" (nickname: sacchetto di rugine)"

14 La composizione della ferritina è estremamente eterogenea per cui si distinguono numerose forme isoenzimatiche tipiche di ogni tessuto 6 gr Ferritina sierica 1 gr Ferritine tessutali 5 gr Equilibrio dinamico origina dal tessuto reticolo-endoteliale ed è catabolizzata dal fegato La concentrazione è in rapporto ai depositi di ferro nell organismo marker tumorale

15 L emosiderina L'emosiderina è un conglomerato non strutturato del ferro presente nei macrofagi del fegato e del midollo osseo Ha funzione di deposito: circa il 33% del ferro è depositato nell'emosiderina Il ferro dell emosiderina è più difficile da metabolizzare rispetto a quello contenuto nella ferritina, poichè l'emosiderina, costituita dal prodotto della condensazione di molecole di ferritina, proteine, lipidi, acido sialico, e porfirine, è difficilmente aggredibile dagli enzimi proteolitici

16 Nei tessuti, si presenta come un pigmento giallo o rossastro, amorfo o leggermente granulare."

17 Il trasporto del Ferro Proteine di trasporto del Ferro: transferrina e lattoferrina Dal fegato, a seconda delle necessità dell'organismo, il ferro è: 1) liberato e ossidato per raggiungere il circolo sanguigno; dove viene nuovamente ridotto e si lega alla transferrina e alla lattoferrina 2) quindi è trasportato ai vari organi, ad esempio: al tessuto muscolare, per la sintesi della mioglobina al midollo osseo per la sintesi dell'emoglobina

18 Transferrina è una β-globulina con funzione di trasporto del ferro ai compartimenti di deposito e al midollo È sintetizzata nel fegato e in piccole quantità nel tessuto linfoide, nella ghiandola mammaria, nelle ovaie e nei testicoli. È costituita da un unica catena polipeptidica che presenta due siti di legame per il ferro Nel sangue il Fe2+ è ossidato a Fe3+ e si lega alla transferrina plasmatica e può essere trasportato dal sangue ai tessuti."» L'affinita' della transferrina per il ferro libero e' altissima: a ph 7,4 è di 10-23!» Questa affinità estremamente alta è un meccanismo biochimico che l'organismo ha adottato per impedire la presenza di atomi di ferro libero nel flusso sanguigno.» In caso di eccesso di transferrina si puo' assumere che non ci sia ferro libero.

19 La saturazione della Transferrina È presente nel plasma in forma libera/insatura (2/3) ed in forma legata/satura (1/3) In condizioni fisiologiche la transferrina viene saturata per il 30% circa, ovvero nel 30% dei siti di legame con il ferro, è presente un atomo di Fe insatura-libera satura-+2fe La porzione di transferrina insatura e' fondamentale per la captazione del ferro libero.

20 Circa l 80% degli scambi avviene tra midollo osseo e macrofagi

21 Negli stati infiammatori si può verificare un blocco nel rilascio del ferro dai macrofagi alla transferrina che si ripercuote su tutto il metabolismo provocando una diminuzione del ferro eritrocitario e un aumento del ferro di deposito

22 I recettori della transferrina» La cessione del ferro ai tessuti avviene attraverso l interazione del complesso transferrina-ferro con recettori specifici» Le cellule che esprimono recettori della transferrina hanno alte richieste di Ferro, ad esempio i precursori degli eritrociti, le cellule in divisione ed i microrganismi. I recettori del ferro sono proteine transmembrana, costituite da due monomeri di dalton legati con ponti disolfuro, presenti sulla superficie della maggior parte delle cellule» L'80% origina da progenitori immaturi dei GR, tra cui i reticolociti, e il 20% provengono da tessuti non eritroidi.» Quelli liberi nel siero sono prodotti in seguito al distacco dalle membrane degli eritrociti durante il processo di maturazione.

23 Il ciclo dei recettori della transferrina I recettori specifici sono proteine transmembrana, costituite da due monomeri di dalton legati con ponti disolfuro. Il complesso transferrina-ferro-recettore(1) entra nella cellula (2), avviene il rilascio del ferro (3), il recettore viene reincorporato nella membrana (4) e la transferrina è di nuovo liberata nel plasma (5).

24 Lattoferrina è assente nel siero Si riscontra in diversi secreti (latte, il muco bronchiale) e nei leucociti neutrofili È prodotta da alcuni epiteli (acini delle gh. mammarie, salivari, bronchiali) e dalla mucosa dell endometrio e delle vescicole seminali. Il legame lattoferrina-ferro a ph acido è più stabile di quello tra il ferro e la transferrina. la lattoferrina è presente in abbondanza: nei focolai di infiammazione in condizioni di ph acido, L aumentato legame lattoferrina-ferro può spiegare l IPOSIDEREMIA, che si associa spesso alla flogosi.

25 Aptoglobina Lega l emoglobina e ne previene la perdita renale, conservando così il ferro e proteggendo le cellule renali dal danneggiamento. il complesso aptoglobina-emoglobina (Ap-Hb), è captato ed eliminato dalle cellule del Sistema Reticolo-Endoteliale (assicurando la rimessa in circolo del ferro)

26 Escrezione del ferro L omeostasi del ferro si basa soprattutto sul controllo del suo assorbimento e non attraverso la regolazione della sua escrezione*. 5-10% assorbito 90% escreto *l'eccesso di ioni ferro induce i perossidi alla formazione di radicali liberi

27 Il metabolismo del Ferro (1) Il ferro ferrico (Fe 3+ ) della dieta è ridotto (2) a ione ferroso (Fe 2+ ), e quindi assorbito dall enterocita, dove può essere ossidato e depositato nella ferritina (3) opp. passa nel plasma dove è ossidato e legato alla transferrina, Tf (4); (5) il ferro è incorporato in proteine e tessuti, ma (6) la maggior parte è utilizzata per la sintesi di Hb, dove il ferro ferrico è ridotto a ferroso durante la sintesi dell eme; (7) con la degradazione dell emoglobina, il ferro è liberato nel plasma opp. è depositato nella ferritina.

28 Il laboratorio di BC e il metabolismo marziale Sideremia Transferrinemia Ferritinemia Saturazione della transferrina Recettore solubile della transferrina

29 Tipologia di campione Sangue intero Plasma Siero

30 Sideremia La sideremia riflette la concentrazione di Fe 3+ legato alla transferrina Nel plasma, il ferro è prevalentemente veicolato dalla transferrina e trasportato agli organi di deposito ed al midollo osseo, per cui con il termine sideremia, si intende il dosaggio del ferro di trasporto, essendo la quota libera trascurabile È utile per valutare lo stato delle riserve di ferro La sideremia è un parametro essenziale nella diagnostica delle anemie e delle patologie da deposito di Fe, quali l emocromatosi ed emosiderosi.

31 La sideremia è un parametro poco sensibile e poco specifico, a causa della forte variabilità biologica intaindividuale legata all alimentazione dei ritmi circadiani

32 Ritmi cronobiologici Per alcuni analiti si registra una variazione di concentrazione ritmica; tali variazioni possono presentarsi per periodi inferiori alle 24 h (ultradiano) o per periodi più lunghi, oltre le 24h (infradiano). Fra i ritmi infradiani si possono ricordare quelli di 7 giorni circa, un mese e un anno. Il ritmo più comune è quello circadiano, che ha come sincronizzatore più comune l alternanza luce-oscurità, sonnoveglia, assunzione di cibo, ecc. La VES, i livelli di ACTH, del cortisolo, delle gonadotropine, della sideremia, della cloruremia, della calcemia, della 5- idrossitriptamina, l escrezione urinaria di catecolamine, sodio, potassio e fosfati presentano variazioni cronobiologiche.

33 Le fluttuazioni della sideremia valori di riferimento: µg/dl I valori di riferimento variano a seconda dell'età e del sesso: Neonato: µg/dl alla nascita e µg/dl dopo 2-3 mesi Infanzia: <100 µg/dl Uomo: µg/dl Donna: µg/dl Anziani: µg/dl Marcato ritmo circadiano: sono state riscontrate variazioni fino al 50% nelle 24 ore. Picco al mattino fra le 8,00 e le 10,00 e valori più bassi nel tardo pomeriggio. Variabilità biologica: Aumenta nei processi di necrosi cellulare (epatopatie acute) Diminuisce nell infiammazione (per il legame con la lattoferrina)

34 Quando aumenta il valore della Sideremia? Eccessivo accumulo (Emocromatosi) Eccessiva assunzione di Fe (Emosiderosi da terapia con ferro trasfusioni ripetute) distruzione dei globuli rossi (Sindromi emolitiche) necrosi degli epatociti (epatite acuta, Etilismo cronico) NB: il grado di aumento è parallelo all entità della necrosi epatica Periodo premestruale (si nota un aumento dal 10 al 30%) Ha un valore limitato nella routine: è importante per la diagnosi del sovraccarico di ferro e nell avvelenamento acuto

35 Quando diminuisce il valore della Sideremia?» Nelle fasi di aumentata formazione dei globuli rossi» Insufficiente apporto di Ferro (Anemia ferro carenziale)» Ridotto assorbimento di Ferro» Aumentata Perdita di Ferro» ( es, nelle Nefrosi a causa della perdita della ferroproteina legante con le urine)» Gravidanza

36 La sideremia diminuisce solo quando le riserve non compensano più il deficit; quindi è possibile avere iposideremia anche con riserve quasi intatte e non utilizzabili.

37 Ferritinemia Concentrazione sierica: > negli uomini che nelle donne aumenta con l età I valori di riferimento Neonato: ng/ml Uomo: ng/ml Donna: ng/ml La ferritina è la principale proteina di accumulo del ferro ed è correlata con la quantità totale dei depositi di ferro nell organismo è il parametro più sensibile per evidenziare situazioni di carenza o accumulo di ferro, in quanto è in rapporto ai depositi di ferro nell organismo 1 ng/ml di ferritina corrisponde a 8-10 mg di ferro immagazzinato

38 In condizioni fisiologiche c è un equilibrio tra la ferritina intracellulare ed extracellulare la ferritina intracellulare rappresenta le scorte di ferro quando le scorte sono consumate, diminuisce prima la porzione intracellulare e poi, in maniera correlata, la porzione extracellulare

39 Quando diminuisce il valore della Ferritinemia? Diminuisce nelle condizioni di carenza di ferro Anemia sideropenica Carenza di Vit. C La ferritina è considerata un indice precoce della condizione ferropriva. Il comportamento della ferritina è strettamente correlato allo sviluppo dello stato anemico: i depositi di ferritina sono consumati già dalle prime fasi dello sviluppo di una anemia ferro carenziale.

40 Quando aumenta il valore della Ferritinemia? Attenzione! La ferritina è una proteina della fase acuta dell infiammazione! E quindi aumenta in tutte le infezioni e infiammazioni...quindi la corrispondenza della ferritina alle riserve di ferro puo' non essere affidabile. La risposta alla fase acuta può provocare l aumento della ferritina nel siero, rendendo difficile la diagnosi di una carenza marginale di ferro in queste circostanze Falsi positivi: Infiammazione Tumori epatopatie Aumento reale VP» In caso di accumulo di ferro (Emocromatosi)» In caso di un aumentata distruzione di globuli rossi e quindi di rilascio di ferro Anemia emolitica N.B. questo tipo di anemia NON è dovuto ad una carenza di ferro, ma all'emolisi dei GR

41 Ferritina, deficit marziale... e valori predittivi! Una concentrazione di ferritina pari a ng/ ml fornisce un valore predittivo positivo (VPP) del 95% per l anemia sideropenica Un valore di ferritina > di 100 ng/ml esclude il deficit marziale (VPN)

42 Transferrina sierica Valori di riferimento Uomo: mg/dl Donna: mg/dl Il ferro è trasportato nel sangue dalla transferrina. Quindi, la transferrina e' la principale proteina di trasporto del ferro nel sangue. è presente nel plasma: in forma libera (transferrina insatura, 2/3 del totale) in forma legata (transferrina satura, 1/3 del totale) La transferrina normalmente è satura al 30%, ovvero il 30% dei siti di legame co La porzione di transferrina insatura e' fondamentale per la captazione del ferro libero. Infatti l'affinita' della transferrina per il ferro libero e' altissima : in caso di eccesso di transferrina si puo' assumere che non ci sia ferro libero. insatura-libera satura-+2fe

43 Capacità totale di legare il ferro (TIBC: Total Iron Binding Protein Capacity) La capacità ferro-legante è la quantità di ferro necessaria per saturare al 100% la transferrina In condizioni fisiologiche la transferrina viene saturata per il 30% (ovvero il 30% dei siti di legame della transferrina contiene un atomo di ferro): valori inferiori al 18% indicano uno stato ferro-carenziale valori superiori al 50% indicano un sovraccarico di ferro La TIBC riflette quindi lo stato del ferro: i livelli di TIBC sono elevati quando il ferro è basso Gravidanza (transferrina totale) Anemie sideropeniche (transferrina insatura) Perdita di sangue acuta e cronica Età neonatale Età senile Emocromatosi Anemia emolitica Quindi e' utile nella diagnosi e nel monitoraggio delle anemie da carenza di ferro, e nella carenza di ferro in gravidanza

44 Capacità totale di legare il ferro (TIBC: Total Iron Binding Protein Capacity) Valori di riferimento µg/dl Poichè 1 mg di transferrina lega 1,25 µg di ferro: TIBC = Transferrina sierica mg/dl x 1,25 insatura-libera satura-+2fe la quota satura coincide con il valore della sideremia la quota insatura: TIBC-sideremia

45 Saturazione della transferrina È espressa dalla seguente equazione: Saturazione % della transferrina= Sideremia TIBC che esprime la percentuale dei siti di legame del ferro che sono occupati. Valori di riferimento: dal 20% al 50% Emocromatosi Emosiderosi Talassemia Contraccettivi ormonali Anemie ferrocarenziali Malattie croniche

46 Recettore solubile della transferrina» sono proteine transmembrana presenti sulla superficie della maggior parte delle cellule» L'80% origina da progenitori immaturi dei GR, tra cui i reticolociti, e il 20% provengono da tessuti non eritroidi.» Quelli liberi nel siero sono prodotti in seguito al distacco dalle membrane degli eritrociti durante il processo di maturazione e quindi la concentrazione varia con l'entita' del processo di eritropoiesi.

47 La concentrazione del recettore solubile della transferrina riflette il grado di carenza di Fe nei precursori eritroidi nel midollo. La concentrazione del recettore della transferrina e' proporzionale alla massa eritropoietica midollare che aumenta in risposta ad una carenza di ferro, per aumento reattivo della produzione dei recettori Il test risulta positivo in tutte le situazioni di eritropoiesi inefficace» Rottura dei GR (es., Anemia emolitica autoimmune)» Carenza di Fe (es., Anemia ferro carenziale)» Anemia aplastica Diagnosi differenziale Anemie da malattie croniche e infiammatorie

48 Take home message Determinazione associata di sideremia, transferrina e ferritina

49 Una molecola di transferrina veicola: 1. un atomo di ferro 2. sei atomi di ferro 3. due atomi di ferro 4. quattro atomi di ferro 5. otto atomi di ferro

50 Una molecola di transferrina veicola: 1. un atomo di ferro 2. sei atomi di ferro 3. due atomi di ferro 4. quattro atomi di ferro 5. otto atomi di ferro

51 Quali di queste affermazioni relative all assorbimento del Ferro è esatta? 1. La quantità di Ferro nell organismo viene controllata attraverso il controllo del suo assorbimento 2. In condizioni fisiologiche, il ferro alimentare è assorbito, in proporzione al fabbisogno, nel duodeno. 3. Del ferro introdotto con la dieta circa un 20 % è assorbito come Fe legato al gruppo eme 4. Del ferro introdotto con la dieta il restante 80 % è assorbito come ferro non emico 5. tutte le precedenti affermazioni sono esatte

52 Quali di queste affermazioni relative all assorbimento del Ferro è esatta? 1. La quantità di Ferro nell organismo viene controllata attraverso il controllo del suo assorbimento 2. In condizioni fisiologiche, il ferro alimentare è assorbito, in proporzione al fabbisogno, nel duodeno. 3. Del ferro introdotto con la dieta circa un 20 % è assorbito come Fe legato al gruppo eme 4. Del ferro introdotto con la dieta il restante 80 % è assorbito come ferro non emico 5. tutte le precedenti affermazioni sono esatte

53 La valutazione del metabolismo marziale si effettua valutando: 1. Sideremia 2. Transferrinemia 3. Ferritinemia 4. tutti e tre gli analiti 5. nessuno dei tre analiti

54 La valutazione del metabolismo marziale si effettua valutando: 1. Sideremia 2. Transferrinemia 3. Ferritinemia 4. tutti e tre gli analiti 5. nessuno dei tre analiti