1

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

3

Synthèse d’Uroporphyrinogène IIIpar porphobilinogène deaminase et uroporphyrinogen III synthase

à partir de PBG

Porphobilinogène deaminase:complexe avec cofacteur dipyrromethane

Biosynthèse du Hème Ferrochelatase

4

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

5

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 ?

6

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

7

• 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

8

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

9

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

10

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

11

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+

12

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

13

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

14

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

15

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

16

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

17

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)

18

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

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Autres Pathologies

Hémochromatose néonatale

Hémochromatose des africains

Acéruloplasminémie

Atransferrinémie

Syndrome GRACILE