Il ferro è un importante nutriente, essenziale per il metabolismo di molte proteine, definite metalloproteine. Allo stesso tempo, se presente in concentrazioni elevate, può essere tossico; per queste ragioni il metabolismo del ferro deve essere ben regolato e, contemporaneamente, dinamico. L'omeostasi del ferro, negli organismi superiori, è garantita da molti sistemi capaci di coordinarsi tra loro e bilanciare l'assimilazione e il rilascio di ferro, adattandosi anche a stati transitori di perdita improvvisa di ferro, ad esempio dovuti a una emorragia.
Il ferro appartiene alla vasta classe degli oligoelementi, poiché - pur essendo essenziale - la sua introduzione è necessaria in piccola quantità rispetto ai cosiddetti macronutrienti.
Nell'uomo, il ferro presente nell'organismo è per la maggior parte riciclato. Le perdite fisiologiche avvengono a seguito della desquamazione dell'epitelio, specialmente nei tratti gastrici e, nella donna, durante il ciclo mestruale.
Metabolismo del ferro nei procarioti
I procarioti hanno un metabolismo del ferro relativamente semplice. L'assorbimento avviene grazie a particolari trasportatori, appartenenti alla classe delle proteine ABC; il metallo, una volta all'interno della cellula è inglobato all'interno di strutture definite siderofori, che hanno un compito chelante. Uno tra i siderofori più rappresentativi è il catecolo, o orto-diidrossibenzene.
Struttura del catecolo, un sideroforo.
I siderofori rappresentano sia le molecole che captano, all'interno della cellula, il ferro, sia le molecole che servono per il bioaccumulo.
Metabolismo del ferro nell'uomo
Il metabolismo, e l'omeostasi, del ferro negli esseri umani è molto complesso. Non ci sono dei semplici siderofori, ma sistemi capaci di bilanciare l'assunzione e l'utilizzo del ferro e modulare la loro attività in base a numerosi parametri.
L'assorbimento del ferro avviene a livello del tratto gastrointestinale, specialmente nel duodeno; in questa regione il ferro è allo stato ossidato e si presenta sotto forma di ferro ferrico (Fe3+). L'assorbimento avviene grazie alla riduzione del ferro da ferrico a ferroso (Fe2+) ad opera di un enzima presente nel lume che utilizza la vitamina C come cofattore; l'enzima prende il nome di citocromo B duodenale. Il ferro ossidato permane per poco tempo nel lume duoodenale poiché è rapidamente assorbito dal un trasportatore di membrana, che opera un trasporto attivo, mediante un cotrasporto Ferro/Protone.
A livello dell'enterocita il ferro segue due, differenti, destini. La cellula può utilizzare direttamente il ferro ferroso, ad esempio incorporandolo nell'eme o nelle metalloproteine, oppure temporaneamente incorporarlo nella ferritina, una proteina che ha il compito di "sequestrare" il ferro e conservarlo, dopo ossidazione, sotto forma di ferro ferrico. L'ossidazione avviene grazie a una particolare subunità della ferritina. L'organismo può non necessitare di ferro e lascia che l'enterocita, a seguito di desquamazione, venga eliminato portando con sé il ferro legato alla ferritina. Questo è un meccanismo omeostatico, poiché garantisce che - anche a fronte di una elevata assunzione di ferro - questo non venga direttamente immesso nel circolo.
Proteine coinvolte nel trasporto del ferro
Ferritina (FT)
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Proteina che acquisisce il Fe2+ e lo conserva nello stato di ossidazione Fe3+. Formata da due subunità (una pesante H, che ha attività ossidasica e una leggera L che ha attività di deposito). |
| Transferrina (TF) |
Proteina di trasporto del ferro nello stato di ossidazione Fe3+. |
| Recettori per la transferrina (TFR) |
Proteine di membrana che facilitano il passaggio del ferro dal torrente sanguigno all'interno della cellula. |
Qualora l'organismo necessitasse di ferro, si ha un passaggio dalla membrana basolaterale attraverso il sistema della ferroportina-1, chiamata anche IREG. Il ferro è ossidato a ferro ferrico e trasportato all'esterno dell'enterocita affinché un'altra transferrina possa legarlo a sé. La proteina che ossida il ferro è strutturalmente simile alla ceruloplasmina.
Un discorso a parte è relativo al passaggio del ferro presente nell'eme dal chimo all'enterocita; è molto probabile che l'eme possa entrare direttamente nella cellula, portando con sé il ferro. Una ossidasi, chiamata eme ossidasi neutralizza la reattività dell'eme, altrimenti incompatibile con la vita cellulare.
Regolazione del metabolismo del ferro.
L'assorbimento e il metabolismo del ferro è finemente regolato da un sistema complesso di segnalazione interno, che può intervenire sulla traduzione di molti geni.
Regolazione genica
Alcune proteine, chiamate proteine regolatrici del ferro (IRP) captano la concentrazione del metallo a livello del citoplasma e si legano a specifiche sequenze degli mRNA. Valori bassi di ferro bloccano la biosintesi della ferritina, ma aumentano la concentrazione di recettori per la transferrina, definiti TFR. I TFR, sono proteine di membrana capaci di coadiuvare il trasporto della ferritina all'interno della cellula renendo, di fatto, disponibile il ferro a livello citoplasmatico.
Regolazione da epcidina
L'epcidina è una molecola prodotta nel fegato in risposta alle alte concentrazioni di ferro. È un potente modulatore dell'uptake di ferro, giacché agisce sui trasportatori IREG, presenti nella membrana basolaterale, tra l'enterocita e il torrente sanguigno. Un alto livello di ferro, determina la produzione dell'epcidina che blocca selettivamente il trasporto. A seguito di ciò, il ferro presente nell'epatocita rimane sequestrato e preso a seguito della desquamazione della cellula.
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