Physiologie et régulation du FER

Docteur Alain Duvallet

UFR SMBH Léonard de Vinci - P2, physiologie -

2007-2008

Le 3 mars 2008

En trop (surcharge en fer), ou en pas assez (déficit en fer), il est responsable de pathologies pouvant être mortelles.

Pourtant sa physiologie (régulation dans des conditions de normalité) a été très longtemps méconnue, même si dés 1935 Sheldon JH a soupçonné que certaines pathologies de surcharge étaient héréditaires.

Sa physiologie et sa physiopathologie n’ont été réellement étudiées qu’à partir de la découverte d’un gène responsable d’une forme héréditaire de la surcharge en fer, le gène HFE (1996 Feder et coll)

Le fer est un constituant étonnant de l’organisme. Ion métal, il est parmi les éléments les plus répandus de notre planète.

C’est un élément chimique de symbole Fe et de numéro atomique 26; du latin ferrum.

En solution, il présente deux valences principales: Fe2+ et Fe3+.

Fer : Oligoélément, il a plusieurs fonctions biologiques

bien définies :

Il est un composant de groupements hèminiques et

non-héminiques transportant l’oxygène ou les électrons

Il est en particulier présent dans des enzymes fer-souffre

qui interviennent dans des réactions de transfert

d’électrons

alimentation

intestin

Cellules intestinales

5 à 10% d’absorption

Stockée sous forme de ferritine

sang Transporté sous forme de transferrine

Stockée sous forme de ferritine

Moelle osseuse Musclesmyoglobine-cytochromes

Autres tissuscytochromes

Globules rouges

Pertes menstruelles

foie

Schéma simplifié de la physiologie du fer

hémoglobines

Selles

Protéines contenant du fer

Enzymes à centre fer-soufreProtéines hémiques

flavoprotéines

hémoglobine myoglobine

enzymatiques Non-enzymatiques

Enzymes à fer non-hémique, non-à-centre fer-soufre

Cytochrome P450

à centre fer-soufre

Protéine à fer non-hémique

NADH déshydrogénase

succinate déshydrogénase

NADH-ubiquinone réductase

Fer – transfert d’électrons et réactions d’oxydoréduction

Le fer ferreux et le fer ferrique se comportent comme des

agents réducteurs et oxydants, et agissent comme une paire

conjugée « redox ».

Fe2+ e- + Fe 3+

Fe2+ est le donneur d’électron

Fe 3+ est l’accepteur d’électron

Cycle de l’acide citrique

ou cycle de Krebs,

avec utilisation d’un

complexe enzymatique à

centre fer-soufre pour la

transformation du

citrate à l’isocitrate.

Les pathologies dues au fer

1 - Les déficits en fer ���� connus le plus souvent comme des anémies

2 - Les surcharges en fer ou hypersidéroses

En physiologie et physiopathologie du fer on a plutôt tendance à utiliser les classes suivantes:

Les déplétions en ferles déficits en fer sans anémieles anémies légères et moyennesLes anémies sévères

normal déficit en fer

anémie

Fer total

hémoglobine

Muscle

cytochrome C

Modifications

fonctionnelles avec

le déficit en fer

D’après J.L.Beard

Le déficit en Fer :

Capacité oxydative tissulaire

Capacité de transport de l’oxygène

Capacité de travail

Efficience énergétique

endurance

VO2 max

Déficience en fer

Anémie

IDA

d’après J.D.Hass

IDA = iron deficience anemia

Anémie �� déficience tissulaire en fer

Limitation de la capacité

de délivrer de l’oxygène

aux muscles qui

travaillent

Diminution de la capacité

des muscles de faire une

performance en

métabolisme oxydatif

. Surcharges en fer et le monde sportif par utilisation intempestive du

fer pour améliorer les qualités physiques

Les surcharges en fer ou hypersidéroses

- Surcharges génétiques (hémochromatose)Hémochromatose liée au gène HFE

Hémochromatose non HFE

- Surcharges non génétiques ou surcharges secondaires. Surcharges sinusoïdales hépatiques

. Surcharges parenchymateuses hépatiquesSupplémentation martiale per os au long cours,

Dépots brunatres de fer. Hémochromatose secondaire par surcharge chez un cycliste de 25 ans (document personnel)

Physiologie du métabolisme du fer.Physiologie du métabolisme du fer.

Physiologie du métabolisme du fer.

Docteur A.Duvallet

Pour tous les nutriments énergétiques, les minéraux ( et le fer en particulier) ou les micronutriments, l’organisme, considéré comme une boite noire, est normalement en équilibre en permanence.

entrées sorties

?

ELIMINATIONENTREES

0n peut écrire : entrées du fer = sorties du fer ou : entrées – sorties = zéro

Contenu en fer de l’organisme

Adulte normal : homme de 70 kilogrammes : fer total = 4 à 5 grammes, femme de 60 kilogrammes : fer total = 2,5 à 3 grammes

Répartition : 73% liés à l’hémoglobine, 3% liés à la myoglobine,

17% sont en réserve liés à la ferritine et à l’hémosidérine, 0,2% sont du fer plasmatique transporté par la transferrine

reste : fer enzymatique (cytochromes), fer en recyclage

Dans le sang : 300 à 500 milligrammes par litreliés aux globules rouges et hémoglobineliés à la transferrine ( fer sérique)liés à la ferritine ( [ferritine]s = 12 à 300 µg/l )

Les apports alimentaires: alimentation normale et équilibrée

10 à 15 milligrammes par jour se répartissant:

en fer héminique (viandes rouges) boudin 18%, rognon 15%, foie 12%,

et fer non-héminiqueharicots secs 7%, épinard 3%, chocolat 3%, vin rouge…

Excrétion quotidienne du fer

Adulte homme

Adulte femme non réglée

ou aménorrhéïque

Enfants

: 1 milligramme par jour

Adolescente ou adulte femme normalement réglée :

+ 15 à 30 milligrammes par cycle

Urinaires et desquamatives

Apports

Entrées

Sorties

Eliminations

Stockage

Utilisation fonctionnelle

recyclage

Cycle physiologique du fer dans l’organisme

5 à 10%

Il faut faire la distinction entre les apports alimentaires et les entrées dans l’organisme. Celles-ci ne représentent qu’une fraction de ceux-là (5 à 10%).

La régulation des stocks de fer :

1 - Lors de l’absorption !

Deux niveaux de régulation

Absorption intestinale du fer

N.C.Andrews, NEJM, vol353, n°23, 2508-2509

L’hème pourrait être transportée dans l’entérocyteduodénal par l’HCP1 (Hème carrier protéine 1).

Elle peut alors être métabolisée par hème oxydase et libérée le fer. Elle pourrait aussi transiter de façon intacte grâce à deux transporteurs, le BCRP et Le FLVCR.

La captation du fer:

Le fer est réduit sous forme bivalente par une réductase membranaire.

Il est capté par le DMT1 (divalent metal transporter 1).

Il est stocké dans la cellule dans la ferritine.

Il peut être réoxydé en basolatéral par l’héphaestine.

Il est exporté par la ferroportine.

Il est transporté dans le sang par la transferrine.

d’après S.Gallati et coll, Forum Med Suisse n°41 Octobre 2002, 966-970

+ Vit C

Robson, K J H et al. J Med Genet 2004;41:721-730

La ferroportine: protéine de transport transmembranaire du fer

On mesure le fer transporté sur la transferrine par:le taux de transferrine, la saturation de la transferrine, la capacité de fixation de la transferrine

La transferrine, molécule de transport du fer dans le sang

Protéine porteuse qui peut:

ne fixer aucune molécule de fer (apotransferrine),

fixer 1 molécule de fer en S1 ou en S2,

fixer 2 molécules de fer; on dit qu’elle est saturée

La transferrine = sidérophilline

Glycoprotéine sérique d’origine hépatique (hépatocyte)

679 acides aminés, répartis en 2 zones globulaires

N terminale: 1-336

C terminal 337-679Demi-vie de 8 jours

Régulation sous la dépendance de fer de l’organisme

La transferrine = sidérophilline

Rôle physiologique : transport du fer au niveau sanguin

Elle peut fixer un ou deux atomes de fer ferrique, pour

former à partir d’une molécule désaturée (apotransferrine),

une molécule monosaturée ou saturée.

Elle se fixe sur les érythroblastes du fait de la présence

d’un récepteur membranaire spécifique : Rm-TR

La pénétration du fer dans toutes les cellules à partir du fer transporté dans

le sang sur la transferrine

la captation du fer se fait par endocytose, induit par le récepteur de la

transferrine. Le fer est ensuite libéré dans la cellule pour être incorporé

sur les ferroprotéines. La protéine HFE forme un complexe avec le

récepteur à la transferrine selon les besoins en fer de la cellule

d’après S.Gallati et coll, Forum Med Suisse n°41 Octobre 2002, 966-970

Le pool labile du fer et sa place dans le métabolisme cellulaire

Le récepteur membranaire à la transferrine

C’est une famille de protéines qui sont présentes à la surface

de toutes les cellules de l’organisme

Elles permettent le passage transmembranaire du fer lié à la

transferrine

Ce sont des glycoprotéines formées de deux sous-unité identiques,

de 95 Kdaltons chacune, capables de lier une molécule de

transferrine.

Le nombre de récepteurs pour une cellule est directement

proportionnel à ses besoins en fer. Il est plus élevé sur la cellule

immature et diminue au fur et à mesure de la maturation

cellulaire.

BIO n°57 – Juin 2000

Le récepteur à la transferrine et la liaison avec la transferrine

Entrée du fer dans les cellules

Tf-Fe: transferrine avec fer lié

Tf-R: transferrine lié à son récepteur

Récepteur soluble à la transferrine

Entrée du fer dans les cellules

Tf-Fe transferrine avec fer lié

Tf-R transferrine lié à son récepteur

Récepteur soluble à la transferrine

Récepteurs solubles à la transferrine (sTFR)

C’est la forme sérique tronquée du récepteur membranaire

de la transferrine. Elle représente la partie extracellulaire

libre du recepteur

C’est un monomère de 85 Kdalton

La protéine HFE, synthétisée localement, modifie l’affinité du récepteur à la transferrine pour la transferrine.

Elle participe aussi à la régulation de l’entrée et au contenu du fer dans les cellules.

Les cellules des cryptes se comportent comme des évaluateurs de la quantité de fer de l’organisme.

d’après A.PietrangeloN.Engl.J.Med, 2004

Croissance et maturation des entérocytes

La protéine HFE, synthétisée localement, modifie l’affinité du récepteur à la transferrine pour la transferrine.

Elle participe aussi à la régulation de l’entrée et au contenu du fer dans les cellules.

Les cellules des cryptes se comportent comme des évaluateurs de la quantité de fer de l’organisme.

d’après A.PietrangeloN.Engl.J.Med, 2004

Modèle de la protéine HFEselon Feder et coll - nature Genet 1996

ββββ2microglobiline

L’ensemble béta2microgloguline-HFE va intervenir au niveau des membranes cellulaires en modifiant l’affinité du récepteur à la transferrine pour son substrat

. Gène HFE

Le gène HFE est la partie de l’ADN cellulaire qui code pour la protéine HFE.

On connaît de nombreuses mutations: les 2 principales sont les mutations C282Y et H63D.

Elles sont, à des degrés plus ou moins importants, responsables de l’hémochromatose ou maladie de surcharge ferrique génétique, ou « diabète bronzé ».

En effet lors de l’absence ou de la déficience de la protéine HFE, le DMT1 n’est plus régulé. Il s’exprime de façon importante, permettant une entrée trop élevée de fer.

d’après A.PietrangeloN.Engl.J.Med, 2004

Robson, K J H et al. J Med Genet 2004;41:721-730

Si la découverte de la première mutation date de 1996, on connaît actuellement de très nombreuses mutations, qui n’ont pas toutes la même incidence sur le phénotype.

L’hepcidine

Le deuxième niveau de régulation :

Peptide d’origine hépatique et sécrété dans le sang. Il inhibe l’absorption du fer au niveau de l’intestin.

Le deuxième niveau de régulation est représenté par la protéine hepcidine.

Sa production et concentration sanguine est inversement proportionnelle à la quantité de fer de l’organisme, via la saturation de la transferrine

Elle régule au niveau de diverses cellules, et en particulier au niveau des entérocytes des villosités, la synthèse des transporteurs (DMT1 et Ferroportine).

Dans ce cas de diminution de la concentration en hepcidine, on a une sortie massive de fer depuis les entérocytes et les macrophages.

Dans le cas d’une mutation de la protéine HFE, le contenu en fer des cellules hépatiques est diminué, la sécrétion d’hepcidine est bas.

Rôle de l’hepcidine

Les cellules de Kupffer et les cellules des sinusoïdes seraient les capteurs de l’information. Celle-ci est transmise aux hépatocytes par de l’IL-6 (interleukine 6).

Structure de l’hepcidine

Robson, K J H et al. J Med Genet 2004;41:721-730

Schematic representation of the structure of hepcidin.27 The eight cysteine residues are indicated by black circles. The positions of the missense mutations G71D (black background)

and C70R (dark grey) are indicated. The only amino acid with an acidic side chain in the mature peptide, D60 (white background) is also indicated. The remaining amino acids are represented by

light grey filled circles.

Mutation au niveau de G71 et C70. Ces mutations sont responsables d’une forme d’hémochromatose.

L’hepcidine

Le deuxième niveau de régulation :

L’hepcidine humaine est un polypeptide de 25 acide aminés (20 et 22) produit par le foie, qui joue un rôle dans l’immunité innée et la régulation du fer.

Sa synthèse est stimulée par l’inflammation et les surcharges en fer. Elle est un régulateur négatif de l’absorption du fer au niveau du duodénum, du placenta et des macrophages.

Elle est produite au niveau du foie sous la forme d’une prohormone de 84 acides aminés(préprohepcidine). On en trouve aussi une faible expression dans le rein, le coeur, le muscle squelettique et le cerveau.

Protéine associée à un sucre (glucide), riche en fer, fabriquée par le foie et permettant le stockage du fer dans la rate, la moelle osseuse et le foie.

Il s'agit d'une grosse molécule (macromolécule) soluble dans l'eau (hydrosoluble), constituée d'une coque de nature protéïnique appelée apoferritine. Cette coque a un noyau constitué lui-même d'hydroxyde de fer. La ferritine permet la mise en réserve d'hydroxyde de fer dans certains organes (rate, foie, moelle osseuse).

La ferritine correspond au deuxième compartiment de réserve de fer de l'organisme soit environ 15 à 30 %, après l'hémoglobine qui elle correspond à environ 70 % des réserves.

La ferritine

Elle est formée de 24 subunités protéiques (apoferritine) formant une

enveloppe autour d’un noyau de fer ferrique (Fe +++).

On distingue deux types de sous unité,

H (poids 21 kDa) et L (19 kDa). Le

poids total de la molécule est d’environ

440 kDa.

La subunité H sert à l’incorporation du

fer, avec une activité ferroxidasique. La

subunité L sert à la stabilité du centre

ou noyau ferrique.Structure de l’apoferritine de O.Gaillard

Fer

La ferritine

L’apoferritine (protéine non chargée en fer) est synthétisée

par les hépatocytes, induite par la quantité de fer du milieu.

Plus elle est chargée en fer, plus elle est insoluble et lente à le

libérer.

La forme maximale est l’hémosidérine, insoluble, inapte à

rendre le fer (corps étranger à l’organisme).

Mise en évidence sur la biopsie hépatique :

ferritine: en microscopie électronique,

hémosidérine: pigment ocre en coloration de Perls

et par le dosage sanguin de la ferritinémie (reflet des réserves

martiales)

La régulation intracellulaire de la physiologie du fer

Les IRE, IRP (iron responsive elements, iron responsive proteins)

D’après Torti, F. M. et al. Blood 2002;99:3505-3516

Le principe des « responsive elements et responsive proteins »

Transcription post transcriptionnel

DNA RNAm Protéines

Activation de la transcription de la ferritine

Répression de la transcription des recepteursà la transferrine

Torti, F. M. et al. Blood 2002;99:3505-3516

Richard S. Eisenstein and Kerry L. Ross J. Nutr. 133:1510S-1516S, May 2003

La régulation intracellulaire se fait sur la transcription des ARNm, à partir des IRP (Iron responsive protéin) et des IRE (Iron responsive élement)

Les terminaisons 5’ et 3’ des ARNm vont avoir un rôle différent.

Absorption 1mg/24h

Excrétion 1mg/24h

HFE hepcidine