Metabolismo del Ferro 

Il ferro (Fe) è un elemento molto importante per il metabolismo dell'uomo. E' contenuto perlopiù in proteine come l'emoglobina, la mioglobina, la ferritina e l'emossidrina. In una dieta si assumono dai 10 ai 20 mg di Fe, dalle carni rosse, uova e alimenti di origine animale, ma anche derivati vegetali (qui però la disponibilità è minore, poiché si trova legato a sostanze che impediscono l'assimilazione). Vi sono poi bevande come tè e caffè ricche di molecole anioniche (es. carbonato, solfato) che possono legare il ferro nel lume intestinale ed ostacolare l'assorbimento.

Il ferro non viene assorbito in modo efficiente: solo il 10% viene assorbito, 1-2 mg al giorno. Il ferro viene perso per metà nell'intestino e per metà entra in circolo, legato a transferrina, grazie alle quali è possibile portare il ferro ai tessuti. Il tessuto che ne usa di più (circa 75%) è il midollo osseo, ma anche gli altri tessuti vengono riforniti ( come i muscol, dove serve per la mioglobina; nel fegato per i citocromi che servono oltre che per la catena di trasporto anche per detossificare alcune sostanze; nel feto nelle donne in gravidanza).

Una parte del ferro viene accumulata nella ferritina, una proteina intracellulare. La quantità di ferro assorbito dipende anche da quanto ferro viene assunto: maggiore assunzione porta a minore assorbimento. Il problema è che non abbiamo un sistema efficiente per eliminare il ferro: l'unico modo è la desquamazione dell'epitelio intestinale e cutaneo dentro cui si trova la ferritina col ferro.

Contenuto di Ferro

L'organismo umano contiene 3-4 grammi di ferro, 2/3 dei quali inglobati nell'eme dell'emoglobina, negli eritrociti. Gli eritrociti vivono circa 120 giorni; ogni giorno, alcuni eritrociti - contenenti circa 20 mg di ferro - vengono distrutti dal sistema reticolo- endoteliale. Fortunatamente, tutto questo ferro viene recuperato per sintetizzare nuovi eritrociti; l'unica perdita per maschi e femmine (post-menopausa) è quella legata alla desquamazione citata prima, che ammonta a circa 1-2mg die. Nel caso delle donne, si ha una perdita di ferro durante il ciclo mestruale, e questo giustifica il contenuto più basso di ferro nella donna fertile, pertanto queste avranno un fabbisogno di ferro maggiore. Anche le donne in gravidanza hanno maggiore bisogno di ferro.

Biodistribuzione

In un uomo di circa 60-70 Kg, il ferro è presente:

• 60-70% nell'emoglobina
• 20-30% nella ferritina 7% 
• nella mioglobina 
• 0,5% nei citocromi
• 0,1% nella transferrina in circolo

Ferro ferroso e ferro ferrico

Il ferro si trova in 2 forme: ferro ferroso e ferro ferrico. Il primo è solubile a pH neutro ed è la forma principale in cui si trova negli organismi; tuttavia, viene ossidato nei muscoli, piuttosto che nei globuli rossi. Il ferro, nella forma ²⁺, lega O₂, un potente ossidante. L'emoglobina e la mioglobina si trasformano frequentemente in beta-emoglobina e beta-mioglobina (le forme che contengono Fe³⁺). La meta-emoglobina reduttassi e la meta-mioglobina reduttasi riducono il ferro invece, trasformandolo in forma ²⁺.

Poichè un organismo morto si ferma, anche questi enzimi si fermano e , quindi, nel cadavere il ferro è tutto in forma ³⁺.

Vi è quindi un continuo alternarsi tra le 2 forme; tuttavia il ferro ferroso è molto tossico: se reagisce con ossigeno, può formare l'anione superossido, che si trasforma in perossido. Nella reazione di Fenton si ha la reazione di ione ferroso con acqua ossigenata: il ferro diventa ferrico, cedendo un elettrone all'acqua ossigenata e rompendo il legame, che forma un normale ossidrione (radicale OH). Una reazione simile avviene se, al posto del ferro si ha un anione superossido: reazione di Haber-Weiss. Queste sono le 2 reazioni principali con cui si innesca la produzione di radicali molto tossici.

Carenza/eccesso di ferro: effetti

Sia una carenza, sia un eccesso di ferro possono essere dannosi. Il ferro può accumularsi nell'ipofisi, danneggiandone le cellule e provocando endocrinopatie, nel pancreas provocando diabete e pancreatiti, nel cuore, nella pelle, nel fegato dove provoca fibrosi epatica che porta a cirrosi, nel testicolo dove provoca infertilità, nella tiroide ecc.

Anche una carenza di ferro causa problemi: uno dei principali è l'anemia sideropenica; accanto all'anemia si può avere un ridotto margine di crescita, ridotto sviluppo neuronale, ridotta resistenza alle infezioni poiché il ferro è coinvolto nella difesa immunitaria.

Assorbimento del ferro

Il ferro contenuto nelle proteine, si stacca da queste già nello stomaco: l'ambiente acido libera il ferro dai complessi organici. L'assorbimento del ferro avviene a livello del duodeno, nella prima parte dell'intestino. Il ferro arriva o come ferro ferrico, oppure come ferro contenuto nell'eme. A livello dei microvilli intestinali, il ferro ferrico viene ridotto a ferroso (l'unica forma assimilabile). Questa reazione è catalizzata da una ferro reduttasi chiamata citocromo B duodenale, mentre il donatore di elettroni è il NADPH. Affinchè avvenga la reazione serve anche vitamina C, oltre al pH acido citato prima. Quindi un' anacloridia, piuttosto che uno scorbuto lieve, posso provocare un'anemia sideropenica, poichè diminuiscono la quantità di ferro assimilabile.

Nella trasformazione da ferro in ferroso, questi entra nella membrana grazie al trasportatore dei metalli bi-valenti (DMT1). Questo vettore trasporta non solo il ferro ferroso, ma tutti i metalli bivalenti; si tratta di un sinporto, che fa entrare il ferro assieme a un protone: questo è anche un motivo per cui il pH è molto importante per il metabolismo del ferro. Grazie a questo simporto il ferro entra nelle cellule e, in parte viene usato dall'enterocita, in parte dalla ferritina, proteina di deposito del ferro presente in tutte le cellule. Una buona parte del ferro viaggia dall'estremità apicale a quella baso-laterale, poiché il ferro deve essere riversato nel circolo sanguigno.

Accanto al ferro assunto come "ferro libero", assumiamo ferro contenuto nell'eme. Esiste un trasportatore dell'eme (HCP1), all'interno della cellula c'è poi una eme ossigenasi, che stacca il ferro.

Il ferro ferroso, per essere immesso nel circolo ematico, si deve legare alla proteine ferroportina. Nel sangue però, il ferro ferroso deve essere ossidato a ferro ferrico, poiché la transferrina, il principale trasportatore, riconosce solo ferro ferrico. Il ferro viene quindi convertito a ferrico, mediante 2 proteine che contengono rame: quella presente sulla membrana baso-laterale degli enterociti, e la efestina che lavora da ferro ossidasi. In alcuni tipi di cellule, come macrofagi ed epatociti, interveniene un altro enzima: la celluloplasmina, proteina che viene legata alla membrana grazie al glicosil-fosfatidil inositolo. 

Un altro fattore molto importante è l'epcidina, che circola andando a legarsi alla ferroportina e inducendo la fosforilazione della tirosina sulla ferroportina, accelerandone la sua degradazione nei proteosomi. In queste condizioni le cellule hanno meno proteine, e quindi meno ferroportina in grado di portare ferro fuori dalla cellula.

Questa diapositiva ripete quanto già detto precedentemente: il ferro può anche essere assorbito nell'enterocita dal complesso della palaferritina, che contiene un'integrina collegata alla mobilferrina.

L'epcidina è un piccolo peptide (25 amminoacidi), identificato nel 2000, avente attività battericida. Viene prodotta dal fegato ed è un ormone importante per la regolazione del metabolismo del ferro, poichè inattiva la ferroportina, bloccando l'uscita del ferro dall'intestino. Il ferro nelle feci non viene più rimpiazzato da quello esaurito. Un'aumentata produzione di epcidina dal fegato riduce quindi l'assorbimento di ferro e questo avviene in condizioni di eccesso di ferro: si riduce l'assorbimento di ferro anche nei macrofagi, dopo aver digerito gli eritrociti, ne limita la fuoriuscita di ferro libero. Un'altra condizione che aumenta la produzione di epcidina è un aumento di fattori infiammatori: in presenza di processi di questo tipo, soprattutto cronici, si ha un ridotto assorbimento di ferro nell'intestino e un ridotto rilascio di ferro, quando c'è necessità di diminuire il ferro. La conseguenza è un minore apporto di ferro al midollo osseo, che porta ad una condizione di anemia. Se vengono prodotti pochi eritrociti, il midollo osseo va a ridurre i livelli di epdicidina. Se l'epdicidina viene prodotta in eccesso si ha anemia cronica.

Perchè un processo infiammatorio riduce l'assorbimento di ferro? Perchè in tal modo si riduce la quantità di ferro a disposizione dei batteri, che lo usano per potersi infettare: quindi l'anemia è il prezzo da pagare per combattere un infezione batterica.

Ritornando all'enterocita, il ferro ossidato a ferrico viene legato alla transferrina. La transferrina viene prodotta a livello epatico e circola nel sangue. Nella sua struttura troviamo 2 domini, ciascuno dei quali può legare ferro ferrico. In condizioni normali la transferrina è presente in concentrazioni maggiori del normale bisogno: infatti, la sua saturazione col ferro è al 40%. Il resto di transferrina, detta apo-transferrina è priva di ferro: questo perchè, in caso di necessità, è possibile legare maggiori quantità di ferro. Se l'eccesso di ferro supera la quantità assemblabile con la transferrina, questo surplus, detto ferro labile, può diventare ferroso, formando dei ROS che possono causare morte cellulare, come si osserva nella cirrosi epatica dettata da un eccesso di ferro.

La transferrina è una proteina di 78 000 Da. Ha 2 siti leganti, non cooperativi e, per poter mantenere il ferro legato, è necessario anche il carbonato; ha un'affinità elevata per il ferro.

I batteri, per procurarsi il ferro rilasciano delle proteine dette siderofori che legano il ferro e, dopo di ciò vengono endocitati. Il ferro serve ai batteri sia per proliferare sia per alcuni meccanismi di difesa.

Nel latte ci sono proteine simili che legano il ferro, come la lattoferrina, competendo con i siderofori ed ostacolando così la proliferazione batterica.

Demolizione dei globuli rossi

I globuli rossi vecchi vengono eliminati a livello dei macrofagi della milza. In determinate condizioni, può succedere che vi sia emolisi intra-vascolare, ad esempio quando un eritrocita molto vecchio deve passare attraverso un capillare. Per la sua membrana poco elastica è soggetto a danni ossidativi, che possono rompersi liberando emoglobina. Questa emoglobina può provocare insufficienza renale, per questo è fondamentale che ci siano proteine in grado di legare prontamento il ferro libero (aptoglobina ed emotessina). L'aptoglobina può legare l'emoglobina, impedendo che venga eliminata con le urine. Quando l'emoglobina viene rilasciata nel sangue può succedere che questa perda l'eme, una struttura molto tossica (poichè il ferro ferroso lega l'ossigeno, cedendo l'elettrone, formando un anione superossido). Per prevenire ciò, l'emopessina riconosce l'eme.

Dalla transferrina ai tessuti

Affinché il ferro possa staccarsi dalla transferrina serve l'intervento di recettori. Il recettore TfR 1, con alta affinità, è normalmente espresso sulle cellule che proliferano, mentre TfR 2, presente soprattutto negli epatociti, serve come sensore, registrando il livello di ferro nel sangue e il movimento aumento/riduzione della sintesi di epcidina. Il recettore per la transferrina è una proteina integrale di membrana, formata da un dimero avente 2 subunità capaci di legare transferrina (ciascun recettore, può far entrare 4 ioni ferro). Come per le LDL, il recettore per la transferrina è associato ad una fossetta, rivestita di clatrina: la differenza è che, mentre le LDL si legano al recettore e vengono internalizzate in maniera continuativa (il recettore entra, sia avendo che non avendo le LDL legate), qui il recettore viene internalizzato solo se lega la transferrina. Dopo aver internalizzato la transferrina si forma un endosoma; a questo punto interviene una pompa protonica, una ATPasi: in tal modo i protoni si legano alla transferrina e il ferro si stacca. Il ferro ferrico viene ridotto da una reduttasi, la STEAD 3; questo accade perché il ferro deve poter uscire dalla vescicola ed essere utilizzato. Il ferro ferroso viene espulso dalla vescicola dallo stesso trasportatore degli enterociti (DMT 1), che può espellere solo il ferro ferroso insieme a un protone.

La vescicola ricicla il suo contenuto, il recettore viene esposto nuovamente sulla membrana e l'apo-transferrina viene espulsa. Questo si ripete per una decina di volte, prima che anche gli endosomi vengano digeriti.

Il ferro ferroso libero (che in realtà è sempre legato a polianioni, affinchè non formi dei ROS), viene gestito in modo diverso, a seconda del tessuto. Ad esempio, può entrare nei mitocondri, dove viene sintetizzato l'eme e qui il trasportatore è la mito-ferrina: dentro i mitocondri il ferro può servire per formare i centri ferro-zolfo e, per fare ciò, interviene la fratassina.

Il ferro che non viene utilizzato, viene depositato nella ferritina, proteina intra-cellulare, presente nel citoplasma di tutti i tipi cellulari. La ferritina è un complesso proteico di 24 subunità, presente in tutti i tessuti. Tali subunità sono di 2tipi: 

H (heavy o heart, poiché è la forma pesante tipica del cuore) oppure L (light o liver, forma leggera tipica del fegato); quello che cambia nei tessuti è il rapporto fra questi 2 tipi, ma il numero totale è sempre 24.

A questo punto, il ferro ferroso deve essere nuovamente ossidato in ferro ferrico. La ferritina ha attività ferro ossidasica, ossidandolo a ferro ferrico. Il ferro ferrico si accumula nel core della ferritina in forma di vari ossidi. Ciascuna molecola di ferritina può contenere fino a 450 000 ioni ferro, ma di solito ne contiene la metà. La ferritina, inoltre, si trova pure nel mitocondrio e nel nucleo, dove protegge il DNA.

Nel corpo femminile la ferritina si trova in quantità di 150 mg/mL, mentre nell'uomo 300. L'elevata quantità di ferritina può essere segnale di diverse malattie, come patologie cardiache o neoplastiche.

Quando il ferro intracellulare supera la normale capacità di legame con ferritina, l'eccesso di ferro si deposita esternamente alla ferritina, sotto forma di miscela amorfa di idrossido di ferro, fosfato di ferro e proteine leganti il ferro, diventando emossidrina (che altro non è che una ferritina denaturata da un eccesso di ferro); da qui il ferro non si stacca più. L'emossidrina si può accumulare in corrispondenza di cicatrici, rendendole scure; oppure nei macrofagi, nella milza e nel fegato, dove può essere evidenziata mediante coloranti per il ferro, come il blu di Prussia.

Regolazione dell'assorbimento del ferro

La regolazione dell'assorbimento di ferro a livello intestinale è influenzata dalla concentrazione di ferro già presente nell'organismo. Una carenza di ferro porta ad un aumento di assorbimento intestinale; mentre un sovraccarico porta a diminuito assorbimento. In coerenza con ciò, se vi è carenza di ferro la sintesi di apo-ferritina è bassa: la proteina lega poco ferro, che, da parte sua, è invece libero di circolare nel sangue legato alla propria proteina di trasporto. Se vi è un sovraccarico di ferro nell'organismo, vi è una grande sintesi di apo-ferritina, che nell'epitelio intestinale può integrare fino a 4 500 atomi di ferro, anche se di solito è legata a circa 3000 atomi. In questo modo, la ferritina impedisce la circolazione di ferro libero nel sangue, dove potrebbe legarsi ad altre proteine disattivandole o distruggendole.

IRP1 e IRP2

Le due proteine che fungono da sensori delle variazioni del ferro nel citoplasma, nelle cellule epiteliali del duodeno, sono le proteine regolatrici del ferro, IRP1 e IRP2. La regolazione degli enzimi chiave coinvolta nell'emostasi del ferro, avviene a livello traduzionale, attraverso le Iron Responsiv Element, ossia regioni dell' m-RNA coinvolte nel metabolismo del ferro, e le proteine IRP, che si legano alle regioni IRE dell'm -RNA. In maniera interessante, la IRP1 è un'aconitasi presente nel citosol; un'aconitasi identica si trova nel mitocondrio, per il ciclo di Krebs, dove serve a convertire citrato in iso-citrato.

Questa proteina contiene un gruppo prostetico con quattro atomi di ferro, 4 atomi di zolfo, alternati ai vertici. Si è scoperto che l'enzima, nel citoplasma, può perdere un atomo di ferro, passando da 4 a 3 atomi di ferro e diventando in grado di legarsi all'm-RNA. Tale struttura può cedere ferro quando questo è basso, mentre quando è alto funziona da aconitasi; può anche cedere ferro quando il livello di ROS è elevato.

L'enzima è in grado di legarsi ad un'ansa, una forcina, dell'm-RNA: questo avviene quando i livelli di ferro sono bassi.

Anche le IRP2 appartengono alla classe delle aconitasi, anche se non funzionano mai come tali, nemmeno quando il ferro è alto. In quest'ultima condizione la proteina è a bassi livelli e viene ossidata e degradata. Come IRP1,  quando il ferro è basso si lega all'm-RNA, anche se non perde ferro dalla sua struttura, ma semplicemente è presente a concentrazioni più alte.

Di qualunque IRP si tratti, questa si lega all'm-RNA. Questo presenta delle anse, a valle o monte della regione codificante. Quando IRP si lega sul versante 5'UTR, impedisce all'apparato di traduzione di lavorare sull'm-RNA, di conseguenza la sintesi di proteina verrà inibita. Quando invece IRP si lega al 3'UTR, il risultato è opposto, impedendo la distruzione dell'm-RNA ad opera delle endonucleasi: poiché il lato di interazione è al 3', la sintesi non sarà disturbata, ma la sintesi aumenterà poiché aumenta la stabilità del trascritto.

I geni che vengono inibiti sul versante 3'UTR sono: i geni per la subunità H e L della ferritina (perchè in carenza di ferro la produzione di ferritina va ridotta), l'enzima ALA-Sintasi che catalizza la prima tappa della via di sintesi dell'eme (poiché, se le porfirine non si legano al ferro sono dannose), la ferroporitina, il fattore IF( sensibile all'ipossia) e la sintesi dell'aconitasi mitocondriale. Quindi, vengono inibite anche proteine che usano il ferro. In generale, il senso è di ridurre l'esportazione di ferro, già di per sè carente, nei tessuti a livello locale.

Esistono delle altre IRP, che si legano al 3'-UTR di certi m-RNA, aumentando così la produzione di transferrina e quindi il meccanismo per l'importazione di ferro ed anche il livello di DMT1: il trasportatore di metalli bivalenti, che serve per far uscire/entrare ferro dall'endosoma.

Se, invece, il ferro aumenta, si sposta l'equilibrio, IRP1 torna a fare l'aconitasi e IRP2  viene degradata; gli IRP si staccano dall'm-RNA e quello che veniva attivato torna a lavorare di meno, mentre ciò che veniva inibito viene attivato.

Accanto a questa rapida regolazione traduzionale, ne esiste una trascrizionale, molto più lenta, ma di durata maggiore. Per esempio, in condizioni di ipossia o di aumentata proliferazione, aumenta la sintesi del recettore per la transferrina, poiché in apossia si cerca di aumentare la captazione di ossigeno aumentando la produzione di emoglobina, che richiede più ferro. In condizioni di aumentata proliferazione, invece, c'è semplicemente un'aumentata necessità di proteine. L'esposizione a citochine aumenta la trascrizione di m-RNA per la ferritina, aumentando così il livello di ferritina.

Emocromatosi

Si tratta di una malattia genetica che porta ad accumulo di ferro. Ci sono patologie ereditarie in cui la ferroportina non risponde più all'epcidina: c'è un difetto a carico di fattori per la sintesi di epcidina. La sintesi di quest'ultima è stimolata dalla sintesi delle proteine HJV, TFR2 e HFM. La forma più comune di emocromatosi è causata da una mutazione omozigote nel gene HFE. Anche una mutazione nei geni delle altre proteine può provocare emocromatosi, ma sono casi molto rari.

La conseguenza è che una diminuita produzione di epcidina porta a incapacità di regolare la ferroportina: pertanto il livello di quest'ultima sarà alto ed entrerà più ferro negli enterociti; oppure, in alcuni casi, la ferroportina lega epcidina ma non viene internalizzata per essere degradata. In ogni caso, si ha un aumento dell'assunzione di ferro.

Accanto alla genetica ci sono anche abitudini alimentari: se, ad esempio, il cibo viene mantenuto in contenitori di ferro come accade in alcune tribù africane; in soggetti alcolisti si ha emocromatosi anche se i motivi non sono ancora stati del tutto chiariti.

Beta Talassemia

Storicamente, la Beta Talassemia è stata classificata in

• Beta talassemia, i pazienti sono clinicamente asintomatici
• Beta talassemia intermedia,  con disturbi clinicamente eterogenei e genotipici, che vanno in gravità da lieve a grave stato trasfusione-dipendente.
• Beta talassemia major con anemia grave, dipendente dalla trasfusione.

Si ha una beta-talassemia quando non vengono prodotte le catene beta dell'emoglobina e si ha un accumulo di catene alfa, con formazione di tetrameri che possono precipitare, rilasciando l'eme e causando danni ossidativi. Di conseguenza, i globuli rossi sono più deboli e fragili, vivono molto meno, provocando ipossia. Ipossia provoca spleno ed epato-megalia ed un 'alterazione del midollo osseo, che aumenta di dimensioni per produrre più globuli rossi. Un aumento dell'eritropoiesi provoca una riduzione dell'espressione di epcidina, che a sua volta determina un aumentato livello di ferroportina e di disponibilità di ferro. La terapia è una somministrazione periodica di trasfusioni e di chelanti del ferro, come EDTA, che dispone un ottaedro, simile all'eme, attorno al ferro. Attualmente l'EDTA (troppo poco specifico) viene sostituito da deferoxamina, un peptide usato da sideroforo nei batteri, mentre nell'uomo va a legare il ferro e, a questo punto, viene eliminata nelle urine.