biochimie du sang l’hème - université de fribourg · 2 origine des c du succinyl-coa derivés...
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BIOCHIMIE DU SANG1. Métabolisme de l’erythrocyte2. Production et élimination d’éléments
cellulaires: synthèse de hème3. Metabolisme et Transport du Fe4. Composants du Plasma (structure &
fonction)
L’hèmeSynthèse
Cette synthèse débute dans la mitochondrie, se poursuit dans lecytosol et s’achève dans la mitochondrie (3 dernières étapes).
Gly+Succinyl CoA Acide δaminolévuliniqueProtoporphyrine IX
Fer+Protoporphyrine IX
Hème + globine
Hémoglobine
ALAsynthase
Ferrochélatase
TranscriptionTraduction
Fe
Fer+transferrine
Récepteur à latransferrine
Structure du heme. Biosynthèse du Hème
2
Origine des C du succinyl-CoAderivés de l’acetate via le cycle de Krebs
δ-amino-lévulinatesynthase
(enzyme PLP-dépendant)Mecanisme d’action
Porphobilinogen synthase Porphobilinogen synthase
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Synthèse d’Uroporphyrinogène IIIpar porphobilinogène deaminase et uroporphyrinogen III synthase
à partir de PBG
Porphobilinogène deaminase:complexe avec cofacteur dipyrromethane
Biosynthèse du Hème Ferrochelatase
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Régulation de la synthèse de l ’hème
Fe3+ Fe3+
[Fe2+]
Globine &Ala S
FC &Ala S
PROTEINES CONTENANT du HEME
• Hemoglobines
• Myoglobine
• Cytochromes
• Catalase
•Some peroxidases
Régulation de la synthèse de protéines clés du métabolisme du fer L’hème
Régulation de la synthèse de l’hème- L’hème active la synthèse des molécules de globine diminue le relargage
cellulaire du fer et inhibe l’action de la Ferrochélatase1° Régulation de l’ALA synthase
En présence de fer, la synthèse d’ALAsynthase s’effectue
5’ ALAS-3’ 5’ ALAS-3’
4Fe - 4S
Inhibition Traduction
IRP1
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L’hème2° Régulation du récepteur à la transferrineEn présence de fer, la synthèse de ce récepteur ne
s’effectue plus. La cellule a déjà suffisamment defer…
5’AUG -TFR 3’
4Fe - 4S
L’ARNm est stabilisé, lasynthèse a lieu L’ARNm est dégradé car non
stabilisé par IRP1
IRP1
5’AUG -TFR 3’
BIOCHIMIE DU SANG1. Métabolisme de l’erythrocyte2. Production et élimination d’éléments
cellulaires3. Metabolisme et Transport du Fe4. Composants du Plasma (structure &
fonction)
Circulation
Pertes1-2 mg/J
Absorption
3 mg
Utilisation
300mg
20-25 mg/Jferritine
Stockage
Utilisation
1-2 mg/J
300 mg
2,5 g
1,6 g
Le fer dans l’organisme 4-5g
How is info on Fe stores relayed to gut to regulate Fe absorption ?
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FerCompartiments - adulte de 75 kg
réserves1000mg
Tissus500 mg
erythrocytes2300 mg
3 mgAbsorption < 1 mg/day
Excretion < 1 mg/day
CYCLE du Fe
Fe
Fe
FeFeFe Ferritin
Hemosiderinslow
FeFe
Fe FeFe
Fe
Fe Fe
Fe
Ferritin Ferritin
Tran
sfer
rin R
ecep
tor
RBC PRECURSOR
CIRCULATING RBCs
Fe Fe
TRANSFERRIN
MONONUCLEARPHAGOCYTES
Regulation de metabolisme du Fe Facteurs exogènes
Le Fer
Fer Total: H 50mg/kg, F 35 mg/kg
30%Ferritine,Hémosidérine
Fer de Réserve
0,1%TransferrineFer de Transport
0,2%Cyt.C,Peroxydases,Catalase,Flavoprotéines
3%Myoglobine
66%HémoglobineFer Fonctionnel
% du Fer Total
Adulte 3 à 4g fer total
1 L sang = 500 mg fer
Fer de réserve H 1200 mg , F 600 mg
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• Cycle du fer
Femme: pertes en fer majoréesMenstruations 25 mg/moisGrossesse 700mgAllaitement 1mg/J
GR Hémoglobine
Érythroblastes Macrophages
Sang
Moelle osseuse Moelle–Foie-RateFerritine
Foie
TransferrinePlasma
Apports exogèneséquilibrés
10 à 25 mg/j
Absorption digestive
ExcrétionFéces-Urines-
Peau-Phanères
1 à 4 mg/j1 à 3 mg/j
Erythropoïétine (Epo)
• Hormone glycoprotéique: codée par chr 7, 166 aa, 35kDa, contenant 15%acide sialique
• Production: -cellules endothéliales péri-tubulaires du rein, à 90%
-foie à 10%
• Concentration sanguine: 10 à 20 mU/ml (1U = 12,5 ng)
• Contrôle de la sécrétion: diminution de la PaO2
• Effets médullaires:
-prolifération et différenciation CFU-E
-stimulation synthèse Hb
-accélération sortie médullaire des réticulocytes
PaO2 Hypoxie tissulaire Reins Epo
Moelleosseuse
• augmentation taux Epo:-hémorragie ou hyper-hémolyse-anomalie affinité Hb-élévations des besoins tissulaires en O2
-hypoxie d’altitude-hyper-production tumorale
• Epo recombinante : médicament pour traitement de
-anémie de l’insuffisance rénale chronique
-certaines anémies chroniques d’origine inflammatoire, infectieuse,liées à des hémoglobinopathies, ou après traitement anticancéreux
-transfusions autologues
•Epo recombinante: dopage sportif
• Autres facteurs de régulation de l’érythropoïèse
-Androgènes: augmentent la production Epo par rein, et la prolifération des cellules souches
-Hormones thyroïdiennes: stimulent hypoxie tissulaire
Control Hormonal del’Erythropoïèse
• Erythropoïetine (EPO) libérée par le rein en cas de:– Hypoxie due à une baisse d’érythrocytes– Diminution de disponibilité en oxygène– Augmentation de la demande en oxygen des tissus
• Une augmtentaion de l’erythropoïèse augmente:– Le nombre d’érythrocytes dans le sang– La capacité de transport de l’Oxygène dans le sang
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Erythropoietin Mechanism
Figure 17.6
Imbalance
Reduces O2levels in blood
Erythropoietinstimulates redbone marrow
Enhancederythropoiesisincreases RBCcount
Normal blood oxygen levels Stimulus: Hypoxia due todecreased RBC count,decreased availability ofO2 to blood, or increasedtissue demands for O2
Imbalance
Start
Kidney (and liver to asmaller extent) releaseserythropoietin
IncreasesO2-carryingability of blood
An Overview of Iron Metabolism
Gut
Bloo
dC
ells
• Low pH of stomach solubilizes Fe-containing ioniccompounds.• Fe transporters facilitate absorption into blood stream
• Fe3+ ions are bound and chelated by Transferrin (Tf).• Transferrin transports Fe to tissues
•Maintains solubility•Keeps Fe ions unreactive
• Transferrin endocytosis is receptor-mediated (TfR)• Endocytosis results in Fe3+ release• Fe is distributed to topologically distinct regions of the cellvia Fe transporter and/or channels (?)
• Usage: Protein components (Heme)• Storage: Ferritin (Fe2+)• Toxicity
Absorption du fer• Absorption du fer inorganique
– Ingestion quotidienne de 15 à 20 mg– 0,5 à 1 mg absorbé chez l ’homme normal
et 1 à 1,5 mg chez la femme préménopausée– Absorption accrue lors de carence, chez les enfants
et les femmes enceintes
Absorption du fer
• Absorption du fer inorganique (suite)– Absorption limitée par
• la formation de sels insolubles– hydroxyde, phosphate et bicarbonate des sécrétions
GI
• la formation de complexes insolubles– phytate, tanins et fibres de céréales de l ’alimentation
• ces complexes sont plus solubles à pH acide
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Absorption du fer
• Absorption du fer inorganique (suite)– L’acide chlorhydrique sécrété par l’estomac
favorise l’absorption du fer– L’ascorbate (vitamine C) favorise
l’absorption du fer• formation d ’un complexe soluble• réduction de Fe+++ en Fe++
– les sels ferreux ont moins tendance à former descomplexes insolubles---mieux absorbés
Absorption du fer
• Absorption du fer de l’hème
– des enzymes protéolytiques libèrent l’hème– l’hème est captée par un système de transport facilité des
cellules épithéliales– le fer est séparé de l’hème dans la cellule épithéliale par un
enzyme hème oxygénase
Absorption du fer• Mécanisme cellulaire de l’absorption du fer
– Absorption• transporteur duodénal pour Fe++ (Fe+++ non tansporté)• transport facilité pour l ’hème
– Cytosol• liaison à une protéine mobilferrine
– Membrane basolatérale• récepteur de transferrine---étape limitante de l ’absorption
Absorption du fer
• Régulation de l’absorption du fer– l’absorption du fer varie selon les besoins
de l’organisme en fer– Excrétion limitée– la liaison irréversible du fer avec la ferritine
intracellulaire prévient l’absorptionexcessive du fer
• excrété dans les selles
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L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
Hème
HCP1DMT1 DAP
L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
?
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
HCP1DMT1 DAP
Ferritine
DMT1 / NRamp2
- Transporteur membranaire de cations métalliques divalentsFe2+, Zn2+, Mg2+, Cu2+
- Conservation au cours de l’évolution : protéines similaireschez les vertébrés, µorganismes, insectes, plantes
- 2 isoformes DMT1- IRE duodénum DMT1 non IRE endosome
- Expression fortement inductible par la carence en fer
Natural Resistance Associated Macrophage Protein
DAP (DMT1 associated protein)
- Expression majoritaire dans l’intestin et le colon
- Co-localisée avec DMT1- IRE dans le duodénum
- DAP interagit avec DMT1- IRE
- Régulation post-transcriptionnelle par le fer intracellulaire
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L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
DMT1
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
?
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
HCP1DAP
HCP1 (Heme Carrier Transporter 1)
HCP1 serait le transporteur du fer héminique
– Chez le rat identification d’une protéine localisée auniveau de la bordure en brosse du duodénum
– Médie le transfert du fer héminique
– HCP1 est régulée par le statut en fer : déficit en fer: protéine localisée au pôle apical entérocytes surcharge en fer: protéine migre vers le cytoplasme
– HCP1 mRNA fortement exprimés dans le duodénum régulés par l’hypoxie mais pas par le fer
L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
DMT1
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
?
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
HCP1DAP
La Ferritine
– Hétéropolymère de 24 sous-unités, assemblées en sphère creuse pouvant contenir 4000 atomes de fer sous forme Fe3+
- Deux types de chaînes polypeptidiques:• H (heart ou heavy) et L (liver ou light)• Synthèse dans toutes les cellules• Variation du rapport H/L selon les tissus
- Propriétés physico-chimiques différentes• Chaîne H activité ferroxydase (Fe2+ -> Fe3+)• Chaîne L catalyse la formation du noyau Fe3+
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Ferritine
Forme spherique24 peptides
sous-unités de 480kd
séquestre jusqu’à 4500 Fesous forme de Fe(III)
dans la sphere
L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
DMT1
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
?
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
HCP1DAP
La Ferroportine– Transporteur membranaire (9 ou 10 domaines transmemranaires)
• Sortie du fer au pôle basolatéral de l’entérocyte• Sortie du fer des macrophages
– La ferroportine serait la seule protéine d’export du fer
– Expression majoritaire dans les entérocytes, les macrophages du foie et de la rate, le placenta
– Expression contrôlée par l’hepcidine
Model for hepcidin as a key regulator of Fe homeostasisPrediction- Increased Hepcidin induces Fe deficient state
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L’Héphaestine (Hfe)– Oxydation Fe2+ -> Fe3+– Famille des oxydases Cu-dépendantes 50% homologue àcéruloplasmine
L’ABSORPTION INTESTINALE DUFER
EntérocytesDifférenciésABSORPTION
DMT1
Fe2+DCYTBFe3+
Ferritine
?
Ferroportine Héphaestine
Hème
?
Hème
Fe2+
Biliverdine
HMOX1
+ apoTf holoTf
HCP1DAP
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surcharge tissulaire et/ou dommages cellulaires
– Synthétisée et sécrétée par le foie
– Deux sites de fixation pour Fe3+
– Conditions N : Saturation 30%
– Capacité de fixation saturée apparition de fer libre
diffusion passive ou ?
La Transferrine
Libération de Fe et Recylage du Recepteur de Transferrin
Apo-Tf
TRANSPORT INTRACELLULAIRE de Fe
H+ H+
H+H+Lysosome
Fe+2
Fe+2
Transferrin
Transferrin receptor
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Fe2+
TfR
Circulationsanguine Cellule
IREG-1Endosome
Acidification
Transferrine
Apo-Tf
RecyclageFe3+
Fe3+
Fe2+
DMT1
Ferritine
Mitochondrie
Captation du fer par les cellules utilisatrices Récepteurs de la Transferrine
- Glycoprotéine homodimérique transmembranaire
- Présente à la surface de tous les types cellulaires
- Fixe 2 molécules de transferrine
TfR1
TfR2- 66% de similitude avec TfR1
- Exprimé principalement dans le foie
- Affinité de la transferrine 30 fois plus faible
Fe2+
TfR
Circulationsanguine Cellule
IREG-1Endosome
Acidification
Transferrine
Apo-Tf
RecyclageFe3+
Fe3+
Fe2+
DMT1
Ferritine
Mitochondrie
Captation du fer par les cellules utilisatrices
Synthèse de l’hèmeBiogénèse des Fe-S
Régulation de la synthèse de protéines clés du métabolisme du fer
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Régulation du FeRégulation de la synthèse de l’hème- L’hème active la synthèse des molécules de globine diminue le relargage
cellulaire du fer et inhibe l’action de la Ferrochélatase1° Régulation de l’ALA synthase
En présence de fer, la synthèse d’ALAsynthase s’effectue
5’ ALAS-3’ 5’ ALAS-3’
4Fe - 4S
Inhibition Traduction
IRP1
Régulation du Fe2° Régulation du récepteur à la transferrineEn présence de fer, la synthèse de ce récepteur ne
s’effectue plus. La cellule a déjà suffisamment defer…
5’AUG -TFR 3’
4Fe - 4S
L’ARNm est stabilisé, lasynthèse a lieu L’ARNm est dégradé car non
stabilisé par IRP1
IRP1
5’AUG -TFR 3’
Iron Responsive Protein 1
IRE
GA-UC-GA-UA-UC-GU-GU-AC CG-CC-GG-CA-UG-CG-C
C
U
4Fe-4S
Si [Fe] élevée
Aconitase
Si [Fe] basse
AUG-ALAS-AAAA 3 ’
AUG-ALAS-AAAA 3 ’
▼[Fe]4Fe-4S▲[Fe]
IRE
AUG-ALAS-AAAA 3 ’
ALAS
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5 ’ AUG-TFR AAAA3 ’
5 ’ AUG-TFR
Récepteur à la transférrine
Stabilisation
▼[Fe] 4Fe-4S
5 ’ AUG-TFR
Dégradation
▲[Fe]FOIE
Internalisation et dégradation de la ferroportine
ferroportine
lysosome
Inhibitionde l’export
DMT1
ferritine
Homéostasie du fer dans l’organisme
HMOX1GR sénescent
Fe2+
Hepcidine25 aa
Inflammation
Fe ? HJV HFE TfR2
IL6
Les formes juvéniles
Autosomiques récessives
Type I HFE Type 3 TfR2
Autosomique dominante
Type 4 SLC40A1 (ferroportine)
Les formes adultes
Type 2A HJV Type 2B HAMP
Les Surcharges en Fer
Hémochromatoses, accumulation sanguine et organiques du fer,conduisant à insuffisances fonctionnelles (foie, cœur, rein,pancréas…)
-primaires: Hémochromatose génétique : dérégulation del’absorption intestinale du Fer
-secondaires: transfusions chroniques, alcoolisme ou autrecytolyse hépatique, mauvaise utilisation du fer (thalassémies,anémies réfractaires sidéroblastiques)
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L’HEMOCHROMATOSE de Type I
- Maladie héréditaire monogénique
- Transmission autosomique récessive
- Fréquence 3-5‰ en Europe du nord
- Hyperabsorption intestinale du fer surcharge généralisée
- Trois phases :
• Phase de latence
• Expression biologique FeS CS transitoire puis permanente Ferritine
• Maladie clinique 30 - 40 ans chez l’homme
Polymorphismes de HFE1
- p.Ser65Cys : Fréquence : 3,3 %
p.Cys282Y / p.Ser65Cys : données
- p.His63Asp : Exclusive de p.Cys282Tyr
Fréquence : 16 %
p.Cys282Tyr /p. His63Asp : 2,5%
Susceptibilité à la surcharge en fer
Surcharge en fer < homozygotesp.Cys282Tyr Hémochromatose type I
HEMOCHROMATOSE TYPE 3
- Transmission autosomique récessive,
- Tableau clinique similaire à l’hémochromatose type I
- Gène TfR2 - localisé en 7q22
- Protéine TFR2 : Pas de régulation par le fer intracellulaire Pas d’interaction avec HFE
- Rôle dans le métabolisme du fer ? Absence de gène fonctionnel = surcharge en fer
- Mutations décrites dans familles d’origine sicilienne, italienne, portugaise, française
HEMOCHROMATOSES JUVENILES
- Pathologie rare, transmission autosomique récessive
- Début précoce, évolution rapide Troubles endocriniens et myocardiopathie
- Expression identique dans les deux sexes
- Type 2A
- Type 2B