Metabolismo del rame

Scopri il metabolismo del rame per i viventi e il suo ruolo essenziale nell’organismo umano e nella salute.

Indice

Effetti del rame sui microbi
Le funzioni del rame negli animali

Il rame è un minerale fondamentale per gli organismi viventi. Un organismo umano adulto contiene dai 50 ai 120 mg di rame concentrati principalmente nel fegato. Tuttavia il rame può diventare tossico, se supera la sua soglia di tossicità. Per gli esseri umani questa soglia è di 5-10 mg di rame al giorno, essendo invece raccomandata una dose giornaliera di 1,3-1,4 mg al giorno. Questo elemento chimico risulta essere tossico perché provoca spontaneamente la formazione del pericoloso radicale ossidrile (·OH) attraverso la reazione di Fenton.

Cu⁺ + H₂O₂ → Cu²⁺ + ·OH + OH^–

Il radicale ossidrile, una volta formatosi, può danneggiare proteine, acidi nucleici e lipidi. Per questo motivo, il rame viene necessariamente legato a molecole proteiche. Invece il perossido d’idrogeno (H₂O₂) è eliminato grazie all’azione di enzimi quali catalasi e glutatione perossidasi.

Effetti del rame sui microbi

Il rame presente nell’acqua, in seguito all’erosione delle rocce, può trovarsi disciolto nel liquido oppure legato ai sedimenti. Questo legame e anche la presenza di altri elementi chimici ne limitano drasticamente la disponibilità per gli esseri viventi. I batteri anaerobi e gli Archaea anaerobi utilizzano il rame in modo molto limitato, e anzi producono proteine che servono ad espellere le eventuali particelle di rame dal citoplasma, allo scopo di difendersi dai suoi effetti tossici. I microrganismi aerobi utilizzano maggiormente il rame sempre legato a proteine enzimatiche e ne eliminano le quantità in eccesso. Comunque il progresso scientifico degli ultimi due secoli ha evidenziato l’affascinante proprietà antimicrobica del rame, infatti le superfici costituite da rame metallico sono in grado di uccidere in un minuto da 10 ai 100 milioni di batteri attraverso il solo contatto.

Le funzioni del rame negli animali

Il rame è un cofattore essenziale (Fig. 1) per i seguenti importanti enzimi, dove agisce grazie alla possibilità di accettare o donare un elettrone, passando da Cu²⁺ a Cu⁺ e viceversa:

Citocromo c ossidasi (complesso IV), l’ultimo enzima della catena respiratoria;
Superossido dismutasi SOD1 e SOD3, neutralizzano il radicale superossido ·O₂⁻;
lisil-ossidasi, che permette di formare le fibre mature del collagene e dell’elastina presenti nel tessuto connettivo;
dopamina beta-idrossilasi, allo scopo di produrre noradrenalina;
tirosinasi, necessaria al fine di sintetizzare la melanina, il pigmento scuro presente nella pelle e nei capelli;
le ferrossidasi ceruloplasmina ed efestina, coinvolte nel metabolismo del ferro, che a sua volta serve alla sintesi dell’emoglobina, proteina necessaria al buon funzionamento dei globuli rossi.

Le funzioni del rame, un minerale fondamentale per i viventi. Ogni funzione è legata a una diversa via metabolica e biochimica: Migliora la salute della pelle e dei capelli (melanina); stimola l'attività cerebrale (noradrenalina); È di beneficio al sistema cardiovascolare (ferrossidasi); Rinforza il tessuto osseo e cartilagineo (collagene); Ha azione antiossidante (superossido dismutasi); Potenzia il sistema immunitario (proprietà antimicrobica) — Figura 1 – Le funzioni del rame, un minerale fondamentale per i viventi. Ogni funzione è legata a una diversa via metabolica e biochimica: Migliora la salute della pelle e dei capelli (melanina); stimola l’attività cerebrale (noradrenalina); È di beneficio al sistema cardiovascolare (ferrossidasi); Rinforza il tessuto osseo e cartilagineo (collagene); Ha azione antiossidante (superossido dismutasi); Potenzia il sistema immunitario (proprietà antimicrobica) [Fonte: Dovicchi J]

Assorbimento del rame e metabolismo del fegato

Il rame, introdotto con l’alimentazione, viene assorbito nel duodeno sotto forma di Cu⁺ grazie a un trasportatore specifico per esso, chiamato Ctr1 (Copper transporter 1), il quale si trova sulle membrane delle cellule che rivestono l’intestino. Il rame poi fuoriesce da queste cellule per mezzo della proteina ATP7A ed entra nella circolazione sanguigna. Le particelle di rame presenti nel sangue vengono quindi legate in modo labile all’albumina, una proteina di trasporto che lo rilascia nel fegato, l’organo deputato alla regolazione e al deposito del rame. Il fegato riesce a trattenere circa il 75% del rame assorbito.

Metabolismo cellulare del rame

All’interno delle cellule del fegato, il rame altrimenti tossico, si lega con delle proteine chiamate metallotioneine (Mt1 e Mt2) che insieme al glutatione funzionano sia da depositi che da scambiatori. Altri scambiatori (chaperone) per il rame all’interno delle cellule (Fig. 2) sono:

la proteina CCS che dona il rame necessario per la sintesi della superossido dismutasi SOD1;
le proteine Cox e Sco che portano il rame all’interno dei mitocondri allo scopo di far funzionare le citocromo c ossidasi;
la proteina Atox1 la quale destina il rame all’escrezione, attraverso le vescicole generate dall’apparato di Golgi.

Lo ione Cu2+ all'esterno della cellula è ridotto a Cu+ grazie a STEAP e poi trasportato da CTR1 all'interno della cellula, dove si lega a proteine chaperone come CCS e SOD1 per essere veicolato ai vari organuli. Il rame che raggiunge i mitocondri è coinvolto nella catena respiratoria legandosi alla citocromo c ossidasi. Nello spazio compreso tra le due membrane mitocondriali COX17 lega il rame e lo passo a SCO1 oppure a COX11 che lo trasferiscono alla citocromo c ossidasi. Nel nucleo il rame può legarsi a fattori di trascrizione e regolare l'espressione genica. Infine, ATP7A e ATP7B trasferiscono il rame dal citosol all'apparato di Golgi, per attivare enzimi di secrezione. Quando i livelli di rame nel citosol sono elevati, ATP7A e ATP7B facilitano la fuoriuscita del rame attraverso la membrana cellulare — Figura 2 – Metabolismo cellulare del rame, minerale fondamentale per i viventi. Lo ione Cu²⁺ all’esterno della cellula è ridotto a Cu⁺ grazie a STEAP e poi trasportato da CTR1 all’interno della cellula, dove si lega a proteine chaperone come CCS e SOD1 per essere veicolato ai vari organuli. Il rame che raggiunge i mitocondri è coinvolto nella catena respiratoria legandosi alla citocromo c ossidasi. Nello spazio compreso tra le due membrane mitocondriali COX17 lega il rame e lo passo a SCO1 oppure a COX11 che lo trasferiscono alla citocromo c ossidasi. Nel nucleo il rame può legarsi a fattori di trascrizione e regolare l’espressione genica. Infine, ATP7A e ATP7B trasferiscono il rame dal citosol all’apparato di Golgi, per attivare enzimi di secrezione. Quando i livelli di rame nel citosol sono elevati, ATP7A e ATP7B facilitano la fuoriuscita del rame attraverso la membrana cellulare [Fonte: Chen L, Min J, Wang F]

Il rame fuoriesce dal fegato

Sulla membrana dell’apparato di Golgi esiste un trasportatore attivo specifico per il rame, chiamato ATP7B, che porta le particelle di rame dal citosol all’interno delle cisterne e delle vescicole del Golgi. A questo punto il rame può prendere due strade:

escrezione con la bile. In tal caso il rame rimane legato alla proteina COMMD, specifica per esso e, in questo modo il rame torna al duodeno dove può essere riassorbito o può essere eliminato definitivamente con le feci;
ridistribuzione ai vari tessuti attraverso la circolazione sanguigna, legato alla ceruloplasmina (Cp), una proteina azzurra che si combina con il rame nell’apparato di Golgi e successivamente lo accompagna lungo il torrente circolatorio.

Giunto nelle varie cellule dell’organismo, il rame utilizza ancora gli stessi tipi di proteine di trasporto e gli stessi tipi di scambiatori, presenti nel duodeno e nel fegato (Ctr1, Mt1, Mt2, CCS, Atox1, ATP7A, ATP7B, Cox e Sco) per portare a compimento le sue funzioni specifiche a seconda del tipo di tessuto.

Eliminazione del rame

La maggior parte del rame contenuto nelle feci proviene dalla bile, con minori quote derivanti dal cibo non digerito e dalla desquamazione delle cellule di rivestimento intestinali. Solitamente le quantità di rame eliminate attraverso l’urina e il sudore sono trascurabili (Fig.3).

Metabolismo sistemico del rame nell'essere umano — *Figura 3 – Metabolismo umano del rame minerale fondamentale per i viventi [Fonte: Bishop WP]*

Rame e organismi acquatici

Generalmente il rame è molto tossico per gli organismi acquatici, ma al di sotto della sua soglia di tossicità, risulta essenziale per i molluschi e per i crostacei, perché funziona da cofattore nell’emocianina, la proteina blu che lega l’ossigeno presente nel “sangue” di questi animali. Per questo motivo i molluschi, i crostacei e i loro predatori naturali più longevi, salmoni, tonni e sgombri, sono buone fonti alimentari per l’oligoelemento rame.

Le funzioni del rame nelle piante

Le funzioni del rame esclusive degli organismi vegetali sono legate al funzionamento dei cloroplasti, perché il rame agisce da cofattore nella plastocianina, una piccola proteina di colore blu che è fondamentale per il trasporto di elettroni nella fotosintesi. Altre funzioni del rame nelle piante sono legate alla produzione della lignina, alla difesa contro gli organismi fitopatogeni, alla proliferazione, alla differenziazione cellulare, e al metabolismo di ferro, manganese e zinco. Tutte queste sono attività comunque legate alla buona crescita delle piante e, avendo un ruolo nella germinazione, importanti quantità di rame sono immagazzinate nei semi. Pertanto cereali, legumi e noci sono annoverate tra le più importanti fonti alimentari di rame.

Fonti

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Crediti immagini

Immagine in evidenza: https://www.efsa.europa.eu/sites/default/files/styles/social_media_share/public/2022-05/copper%20medium.png?h=82f92a78&itok=QJfsqOT0
Figura 1: https://www.melarossa.it/wp-content/uploads/2021/04/rame-proprieta-benefici.jpg
Figura 2: https://media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1038%2Fs41392-022-01229-y/MediaObjects/41392_2022_1229_Fig1_HTML.png?as=webp
Figura 3: https://i0.wp.com/abdominalkey.com/wp-content/uploads/2019/01/m_bish1_c025f001.png