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11/9/12 1 Corso di Laurea Triennale in Biotecnologie per la salute Biochimica clinica Il laboratorio nel metabolismo marziale Prof.ssa R. Tomaiuolo 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 •Emoglobina e mioglobina (trasporto dellO2) •Citocromi, NAD deidrogenasi, deidrogenasi flavoproteiche (trasporto di elettroni) •Catalasi, lattoperossidasi (demolizione dei perossidi) •Transferrina, lattoferrina, ferritina, emosiderina (assorbimento, trasporto e deposito di ferro nellorganismo)

Il laboratorio nel metabolismo marziale

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Metabolismo del ferro dal punto di vista diagnostico

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Corso di Laurea Triennale in Biotecnologie per la salute

Biochimica clinica

Il laboratorio nel metabolismo marziale

Prof.ssa R. Tomaiuolo

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

• 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)

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Ferro sierico

In un individuo adulto sono presenti 4-5 g di ferro, distribuiti sotto forma di:

•  Fe emoglobinico (50-70%) •  Fe tessutale (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%)

Gli stati di ossidazione più comuni del ferro sierico comprendono: •il ferro(II), che dà composti di Fe2+ (ferro ferroso-ridotto) •il ferro(III), che dà composti di Fe3+ (ferro ferrico-ossidato)

*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.

1)  Il ferro nel plasma 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)

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Il ciclo del ferro

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Biodisponibilità del ferro

Tra le migliori fonti alimentari di ferro si annoverano 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 60 •10 mg/die alle donne over 50 •12 mg/die per adolescenti maschi e femmine senza mestruazioni •18 mg/die per donne dai 14 ai 50 • 30 mg/die nelle gestanti

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: • circa un 20 % è assorbito come Fe legato al gruppo eme (non è influente lo stato di ossidazione)

• il restante 80 % è assorbito come ferro non emico, che deve essere necessariamente nella forma ridotta. La riduzione avviene facilmente a pH acido, quindi nello stomaco o in presenza di sostanze riducenti

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Fattori non favorenti l’assorbimento del ferro della dieta

•  pH elevato del succo pancreatico •  Ossalati, fosfati

Fattori favorenti l’assorbimento del ferro della dieta: •  Volume e acidità del succo gastrico •  Acido ascorbico (Vit. C),

che riduce il ferro allo stato ferroso •  Acido citrico, fruttosio

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

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La carenza di Fe provoca il blocco della sintesi dell’eme, ma il ferro libero è tossico!

•  Nelle cellule della mucosa intestinale, il ferro viene legato alla apoferritina

•  l'apoferritina, capta il Fe++(ferroso) e lo ossida affinché venga depositato come Fe+++(ferrico)

Il Ferro di deposito

Ferro + Apoferritina = Ferritina

Il Ferro si accumula sotto forma di ferritina (solubile) ed emosiderina (insolubile)

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•  La ferritina è una proteina globulare che si trova principalmente nel fegato, nella milza, nel midollo osseo e nei tessuti scheletrici

•  può contenere fino a circa 4500 ioni di ferro (in stato di ossidazione Fe3+) in una struttura a nanogabbie composta da 24 identiche subunità

•  svolge la funzione di riserva organica del ferro a livello epatico (intracellulare) •  Il ferro si deposita nel “core” centrale vuoto

La ferritina

La composizione della ferritina è estremamente eterogenea per cui si distinguono numerose forme isoenzimatiche tipiche di ogni tessuto

• origina dal tessuto reticolo-endoteliale ed è catabolizzata dal fegato • La concentrazione è in rapporto ai depositi di ferro nell’organismo • Marker tumorale

6 gr Ferritina sierica 1 gr

Ferritine tessutali 5 gr Equilibrio dinamico

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•  L'emosiderina è una proteina di deposito del ferro presente nei macrofagi del fegato e del midollo osseo.

•  circa il 33% del ferro è depositato nella 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

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

L’emosiderina

liquido edematoso in cui la transferrina e l’emoglobima, contenuta negli eritrociti trasudati dai capillari congesti, vengono fagocitate dai macrofagi e trasformate in emosiderina che appare come corpuscoli marroni nel citoplasma cellulare

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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

Il trasporto del ferro

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 presente nel plasma in forma libera (2/3) ed in forma legata (1/3). È costituita da un’unica catena polipeptidica che presenta due siti di legame per il ferro In condizioni fisiologiche la transferrina viene saturata per il 30% circa

200-300 mg/dl

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L’apotransferrina è una proteina bilobata con due siti di legame per il ferro ferrico (Fe3+): si parla transferrina monoferrica quando si lega un solo ione ferro e di transferrina diferrica quando si legano due ioni ferro

Cessione del ferro tramite la transferrina

Circa l’80% degli scambi avviene tra

midollo osseo e macrofagi

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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

La cessione del ferro ai tessuti avviene attraverso l’interazione del complesso transferrina-ferro con recettori specifici della membrana. Essi sono proteine transmembrana, costituite da due monomeri di 90.000 dalton legati con ponti disolfuro (1). Il complesso transferrina-ferro-recettore 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).

I recettori della transferrina

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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.

A pH acido il legame lattoferrina-ferro è più stabile di quello tra il ferro e la transferrina. L’aumentato legame con la lattoferrina presente in abbondanza nei focolai di infiammazione, e nelle tipiche condizioni di pH acido, può spiegare l’IPOSIDEREMIA, che si associa spesso alla flogosi.

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)

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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

(1)  Il ferro ferrico (Fe3+) della dieta è ridotto (2) a ione ferroso (Fe2+), 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.

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Il metabolismo del ferro

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Il laboratorio e il metabolismo marziale

•  Sideremia •  Transferrinemia •  Ferritinemia

Tipologia di campione

•  Sangue intero •  Plasma •  Siero

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Sideremia

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 riflette la concentrazione di Fe3+ legato alla transferrina

La sideremia è un parametro essenziale nella diagnostica delle anemie e delle patologie da deposito di Fe, quali l’emocromatosi ed emosiderosi.

La sideremia è un parametro poco sensibile e poco specifico, a causa

•  della forte variabilità biologica intaindividuale legata all’alimentazione

•  ai ritmi circadiani

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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, sonno-veglia, 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.

Variabilità biologica: • Aumenta nei processi di necrosi cellulare (epatopatie acute) • Diminuisce nell’infiammazione (per il legame con la lattoferrina)

I valori di riferimento variano a seconda dell'età e del sesso: Neonato: 170-190 µg/dL alla nascita e 50-70 µg/dL dopo 2-3 mesi Infanzia: <100 µg/dL Uomo: 80-170 µg/dL Donna: 60-140 µg/dL Anziani: 40-80 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.

Le fluttuazioni della sideremia

valori di riferimento: 50-150 µg/dL

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Emocromatosi Sindromi emolitiche Etilismo cronico Epatite acuta Terapia con ferro Periodo premestruale

Anemia ferro carenziale Insufficiente apporto Ridotto assorbimento Perdita Nefrosi Gravidanza

Ha un valore limitato nella routine, è importante per la diagnosi del sovraccarico di ferro e nell’avvelenamento acuto

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.

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Ferritinemia

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

La ferritina è la principale proteina di accumulo del ferro ed è correlata con la quantità totale dei depositi di ferro nell’organismo

1 ng/mL di ferritina corrisponde a 8-10 mg di ferro immagazzinato

I valori di riferimento Neonato: 25-200 ng/ml Uomo: 12-300 ng/ml Donna: 12-150 ng/ml

Concentrazione sierica: > negli uomini che nelle donne aumenta con l’età

In condizioni fisiologiche c’è un equilibrio tra la ferritina intracellulare ed extracellulare

quando le scorte di ferro sono consumate, diminuisce prima la porzione intracellulare e poi, in maniera correlata, la porzione extracellulare

rappresenta le scorte di ferro

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Anemia sideropenica Carenza di Vit. C

Diminuisce nelle condizioni di carenza di ferro

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. Per questo motivo la ferritina è considerata un indice precoce della condizione ferropriva.

Emocromatosi Anemia emolitica

Falsi positivi: • Infiammazione • Tumori • epatopatie 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

Attenzione! La ferritina è una proteina della fase acuta dell’infiammazione!

N.B. questo tipo di anemia NON è dovuto ad una carenza di ferro, ma si osserva un’aumentata distruzione di globuli rossi e quindi di rilascio di ferro!

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Ferritina e deficit marziale

•  Una concentrazione di ferritina pari a 30-40 ng/ml fornisce un valore predittivo positivo del 95% per l’anemia sideropenica

•  Una concentrazione di ferritina > di 100 ng/ml esclude il deficit marziale

Transferrina sierica

È 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)

Valori di riferimento Uomo: 215-365 mg/dL Donna: 250-380 mg/dL

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TIBC = Transferrina sierica mg/dl x 1,25

Capacità totale di legare il ferro (TIBC: Total Iron Binding Protein Capacity)

•  Il ferro è trasportato nel sangue dalla transferrina •  La transferrina normalmente è satura al 30%, ovvero il 30% dei siti di

legame con il ferro ne contengono un atomo

•  La capacità ferro-legante è la quantità di ferro necessaria per saturare al 100% la transferrina

•  Poichè 1 mg di transferrina lega 1,25 µg di ferro:

la quota satura coincide con il valore della sideremia

la quota insatura: TIBC-sideremia

Valori di riferimento 240-450 µg/dL

Età neonatale Età senile

In condizioni fisiologiche la transferrina viene saturata per il 30% circa • valori inferiori al 18% indicano uno stato ferro-carenziale • valori superiori al 50% indicano un sovraccarico di ferro

Gravidanza (transferrina totale) Anemie sideropeniche (transferrina insatura) Perdita di sangue acuta e cronica

TIBC riflette quindi lo stato del ferro: i livelli di TIBC sono elevati quando il ferro è basso

Emocromatosi Anemia emolitica

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Saturazione della transferrina È espressa dalla seguente equazione: che esprime la percentuale dei siti di legame del ferro che sono occupati.

Sideremia TIBC

= saturazione della transferrina

Anemie ferrocarenziali Malattie croniche

Emocromatosi Emosiderosi Talassemia Contraccettivi ormonali

Valori di riferimento: dal 20% al 50%

Determinazione associata di sideremia, transferrina e ferritina

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Anemia ferropriva

•  I fase: deplezione dei depositi di ferritina ed emosiderina

•  II fase: diminuzione della sideremia ed aumento della capacità totale di legare il ferro (TIBC)

•  III fase: diminuzione dell’emoglobina e riduzione della sintesi dell’eme