ZINCO

Contenuto totale di Zn nel corpo umano Zinco Contenuto totale di Zn nel corpo umano 1,5-2,5 grammi di cui >95% intracellulare: 50% citoplasma 30-40% nucleo 85% muscolo + osso (di cui 60% nel muscolo scheletrico) 11% pelle (unghie, capelli) cervello 0,5% nel sangue di cui 80% negli eritrociti (SOD e carbonico anidrasi) Zn plasmatico – trasporto 70-80 % legato all’albumina 20-30% legato alla 2-macroglobulina

FUNZIONI BIOCHIMICHE Lo zinco ha un solo stato di ossidazione stabile Zn2+ (a differenza del rame e del ferro) e quindi non partecipa direttamente a reazioni di ossido-riduzione A differenza di Cu e Fe non innesca reazioni redox potenzialmente dannose Si trova quasi esclusivamente legato a proteine (ligandi: cisteina, istidina) con effetti sulla struttura terziaria e sulla funzione

E’ ubiquitario nel metabolismo cellulare per cui una sua carenza porta a molteplici conseguenze biologiche e cliniche. funzione catalitica funzione strutturale funzione regolatoria a livello trascrizionale funzione antiossidante

Distribuzione schematica dello zinco nelle cellule Quasi tutte le cellule contengono zinco: la concentrazione varia (da 10-9 M nel citoplasma a  10-3 M in alcune vescicole). P = proteina; ZRT = proteina di trasporto MT = metallotioneina

Metallo enzimi dello zinco Enzimi contenenti Zn sono oltre 300. Nei suoi enzimi il metallo può svolgere: Funzione catalitica: quando lo ione Zn2+ è implicato direttamente nella catalisi e la sua eliminazione determina la perdita dell’attività enzimatica Funzione cocatalitica: quando sono necessari 2 o 3 metalli perché l’enzima esplichi la sua funzione e Zn occupa una posizione molto vicina ad un altro centro metallico con il quale è unito con un ponte formato da un solo AA oppure attraverso una molecola di H2O Funzione strutturale: quando lo ione è necessario per mantenere la struttura terziaria e, frequentemente, la quaternaria dell’apoenzima.

Funzione in più di 300 enzimi tra cui Carbonico anidrasi (equilibrio acido-base) Superossido dismutasi Lattico deidrogenasi Alcol deidrogenasi Retinale deidrogenasi (metabolismo vit A) Betaina –omocisteina metil transferasi Proteasi Carbossipeptidasi A e B Enzimi coinvolti nella replicazione, riparazione, trascrizione DNA (DNA polimerasi, RNA polimerasi, aminoacil-tRNA sintasi)

Proteine a Zn implicate nella regolazione dell’espressione genica E’ nota da tempo l’esistenza di zinco proteine che riconoscono sequenze specifiche di basi del DNA e partecipano a processi di regolazione e trascrizione. Sono dette anche fattori di trascrizione e alcune di esse contengono motivi strutturali chiamati “zinc finger” (dita di zinco) per il fatto che possono inserirsi nel solco della doppia elica del DNA come fossero delle dita. Ciò è dovuto alla possibilità che hanno gli ioni metalli di formare legami trasversali all’interno di una stessa proteina. Per esempio, in una struttura tipica contenente 25-60 AA (formata da un foglietto  antiparallelo seguito da una  elica), lo Zn è coordinato a due residui di cisteina e due di istidina, generando una geometria tetraedrica distorta del tipo [ZnS2N2]. Lo ione Zn consente solo a piccoli tratti della catena polipeptidica di ripiegarsi in forma di unità stabili, capaci di interagire con gli acidi nucleici

Interazioni di una proteina “zinc finger” con frammenti di DNA

FUNZIONE STRUTTURALE IN PROTEINE REGOLATRICI motivi strutturali detti dita di zinco. Zn2+ coordinato a 2 S (Cys) e 2 N (His) Calcolato che 1% del genoma umano codifica per questo tipo di proteine consente a piccoli tratti della catena di ripiegarsi in forma di unità stabili capaci di interagire con siti di DNA regolando la trascrizione e la espressione o inattivazione di geni. Classici esempi di tali fattori di trascrizione sono i recettori per gli estrogeni, testosterone, acido retinoico, 1,25(OH)2D3

CONTROLLO DELLA TRASCRIZIONE Alti livelli di Zn inducono aumento: MTF-1 - Metal-binding Transcriptor Factor–1: fattore di trascrizione con motivo a dita di zinco Zn modula il legame di MTF-1 con MRE (sequenza Metal Response Element del DNA) Alti livelli di Zn inducono aumento: sintesi di metallotioneine -glutamil cisteina sintasi (sintesi GSH) Zn Transporter-1 (efflusso cellulare Zn)

Metallotioneine (MT) Proteine citosoliche formate da circa 60 AA di cui 20 sono cisteine che con gruppo -SH legano / atomi di Zn o altri metalli indotte rapidamente nell’enterocita, fegato, rene, pancreas in risposta ad alti livelli di zinco ma anche di rame, e metalli pesanti tossici quali cadmio (Cd2+) e mercurio (Hg2+). ruolo nella Omeostasi dello Zn (assorbimento, riserva) Protezione da metalli pesanti, specie Cd, Regolazione metabolica tramite donazione/sequestro di Zn Controllo redox

Metallotioneine (MT) Le metallotioneine, la cui funzione biologica non si conosce in gran dettaglio, probabilmente giocano un ruolo di immagazzinamento e somministrazione dei metalli in ambito cellulare. Sono metalloproteine a basso peso molecolare (6-7 kDa), con la peculiarità di non contenere ammino acidi aromatici e, inoltre un terzo sono cisteine. Per esempio, le MT dei mammiferi contengono 61 residui di AA, dei quali 20 sono residui di cisteina che legano 7 ioni Zn(II), in gruppi di 4 (nel dominio C-terminale) e di 3 nel dominio N-terminale.

Zinco enzimi Le PROTEASI (idrolisi del legame peptidico) che contengono Zn si classificano: Metallo esoproteasi: la funzione idrolitica si esercita sugli estremi della catena polipeptidica. A loro volta queste si dividono in aminopeptidasi (rottura del legame N-terminale) e le carbossipeptidasi che idrolizzano il legame C-terminale. Metallo endoproteasi: la funzione idrolitica si esercita nei punti intermedi della catena polipeptidica. E’ la famiglia più numerosa.

Metalloproteasi

Metalloproteasi L’attività richiede la presenza di un metallo lo Zinco La degradazione della matrice extracellulare è essenziale: sviluppo embrione morfogenesi riproduzione assorbimento e rimodellamento dei tessuti Le Metalloproteasi (MMPs) giocano un ruolo fondamentale in tutti questi processi L’espressione delle MMPs è regolata a livello della trascrizione da numerosi fattori: fattori di crescita ormoni citochine trasformazione cellulare

Ruolo fisio-patologico delle MMPs FUNZIONE: demolire la matrice extracellulare MMPs partecipano in numerose funzioni fisiologiche correlate con lo sviluppo e il ricambio cellulare Funzioni patologiche correlate con: Artrite Cancro Malattie cardiovascolari Nefriti Malattie neurologiche Malattie parodontali Ulcerazioni Fibrosi fegato Enfisema

Metalloproteasi La cisteina serve per bloccare lo Zn Il prodominio viene proteolizzato (1) Struttura base delle MMP (2) Dominio Fibronettina-simile (3) Legate alla membrana (4) Struttura minima

Coinvolgimento delle MMPs nella progressione dei tumori

Anidrasi carbonica (AC) La prima evidenza del ruolo enzimatico dello Zn si ottenne (1939) esaminando l’enzima anidrasi carbonica, una liasi che catalizza la reazione: CO2 + H2O ⇄ HCO3- + H+ La CO2 prodotta nei tessuti muscolari, diffondendo nei capillari viene convertita dall’enzima contenuto negli eritrociti in HCO3-. Altre forme sono unite alla membrana cellulare, nei mitocondri o nella saliva.

Struttura dell’anidrasi carbonica umana II La struttura dell’anidrasi carbonica umana (tipo II) ha lo zinco, in una cavità idrofobica, legato a 3 gruppi imidazolici di residui istidinici (His-94, 96 e 119).

Fosfatasi alcalina (FA) Altri enzimi idrolitici in cui Zn gioca un ruolo catalitico includono la fosfatasi alcalina che promuove la reazione: R-O-PO32- + H2O ⇄ ROH + HPO42- Sono le metalloidrolasi dinucleari più studiate: la loro importanza biologica nei mammiferi è indicata dall’ampio uso che se ne fa nel siero umano per diagnosticare varie malattie. L’attività ottimale dell’enzima si osserva a pH 8 e comporta l’idrolisi di monoesteri fosforici generando fosfato e un alcol, ma in certe condizioni può funzionare anche come fosfotransferasi Struttura della fosfatasi alcalina di Eschirichia coli complessata con lo ione fosfato

Alcool deidrogenasi (ADH) E’ una ossidoreduttasi in cui lo zinco attiva il substrato per la riduzione chimica operata dal cofattore NAD+ /NADH Questo enzima catalizza la conversione di alcoli primari in aldeidi attraverso la reazione redox: RCH2OH + NAD+ ⇄ RCHO + NADH + H+ Lo Zn serve a legare ed attivare il substrato prima del trasferimento di uno ione idruro.

FUNZIONE ANTIOSSIDANTE Ruolo strutturale nella SOD Stimola la sintesi di metallotioneine che sequestrando metalli inibiscono la formazione di radicali dell’ossigeno Lo Zn si trova in elevata quantità nelle membrane cellulari dove aiuta a mantenere l’integrità: lega i gruppi –SH proteggendoli dalla ossidazione

STATO REDOX DI PROTEINE Convergenza metabolismo Zn e stato redox cellulare nel legame Zn-S Ligando e non metallo va incontro a reazione redox Attività redox del sito: Zn2-SH  Zn2+ + -S-S- Cys  ossidanti (GSSG, NO)  Cys -S-S-Cys I SH Zn2+  in presenza di riducenti (vit C)  Zn2+

punto di controllo dell’omeostasi dello Zn ASSORBIMENTO intestino tenue, in particolare duodeno punto di controllo dell’omeostasi dello Zn Trasporto mediato saturabile: si ritiene quello funzionale per la dieta (identificati 2 trasportatori) Trasporto non mediato, non saturabile, paracellulare: in presenza di alte concentrazioni, per esempio supplementi I livelli di Zn regolano la sintesi di metallotioneine nell’intestino: se il loro livello aumenta, diminuisce l’assorbimento di Zn Grande quantità di Zn rilasciato con le secrezioni pancreatiche ed intestinali; viene riassorbito: importante per l’omeostasi

METABOLISMO REGOLAZIONE rapido ricambio nel fegato (pancreas, rene, milza) ≈ 12 giorni lento ricambio nell’osso e nel sistema nervoso ≈ 300 giorni riflette cambiamenti metabolici regolati da ormoni, in particolare glucocorticoidi che inducono diminuzione dello Zn ematico e stimolano la captazione dal fegato REGOLAZIONE Aumentati livelli di Zn inducono aumento metallotioneine che funzionano da tampone dello Zn intracellulare. Non vi sono grosse riserve di Zn

ELIMINAZIONE intestinale (via principale) renale (scarsa) non influenzata da Zn assunto ma dipende dal metabolismo muscolare aumenta in presenza di - digiuno - catabolismo muscolare - attività fisica pesante (motivazione della supplementazione nello sportivo) - temperatura ambientale elevata inibita da insulina, aumentata da glucagone

Difficile la valutazione dello stato di nutrizione Difficile dai livelli plasmatici, costanti anche in dieta a basso tenore di Zn, calano solo dopo drastica e prolungata carenza  infezione, febbre, stress, gravidanza (anche in presenza di un buono stato nutrizionale) livelli plasmatici di norma = 80-120 ug/dl non vale per il singolo individuo ma può essere usata per la valutazione di una popolazione indice di carenza - livelli plasmatici inferiori a 50 ug/dl - concentrazione capelli inferiore a 70 ug/g

Contenuto in alcuni alimenti Fonti di Zn Contenuto in alcuni alimenti Petto di pollo 0,7 mg/100 g Bovino adulto 5,0 mg/100 g Fegato 6,0 mg/100 g Uovo intero 1,2 mg/ 100 g ,tuorlo 2,1 mg/100 g Prodotti della pesca 0,8 mg/100 g Latte e derivati 0,2 mg/100 g (ricotta di pecora) 11,0 mg/100 g (grana) Alimenti di origine vegetale 0,7 mg/100 g (eccezioni crusca di grano 16 mg/100 g; legumi secchi 2,9-4,3 mg/100 g; frutta secca a guscio 2,0-6,0 mg/100 g). Alcuni cereali: frumento, mais, miglio, riso parboiled 2,0-3,0 mg/100 g (la biodisponibilità può essere molto bassa dalla presenza di fitati) Latte umano: eccellente fonte di Zn biodisponibile che soddisfa le richieste per i primi mesi di vita

Biodisponibilità Dipende dal contenuto in fitato, ossalato, fibre, tannini  livello e tipo di proteine (favorito presenza His, Cys) Carenza in popolazioni con alto uso di fitati e basso uso di proteine Dieta occidentale vegetariana: carenza difficile da valutare DRI indicano 50% di assunzione in più rispetto ai non-vegetariani

contenuto di Zn nella dieta assorbito 50% a bassi livelli nella dieta (5 mg/die) 25% alti livelli (16 mg/die) assorbimento di Fe e Zn inibito dalle stesse sostanze carne: maggiore fonte di Fe e Zn Carenze di Fe e Zn sono frequenti e possono presentarsi contemporaneamente

RDA 2013 (adulto) 11 mg/die uomo 8 mg/die donna Gravidanza: 11-13 mg/die richiesta addizionale totale di 100 mg (5-7 % rispetto allo Zn presente nella donna non gravida) di cui 57% per il feto e 27% per l’utero. Allattamento 12-14 mg/die Bambino in crescita Carenza subclinica di Zn diffusa nei paesi in via di sviluppo 4-8 anni 3-5 mg/die 9-13 anni 8 mg/die

SINTOMI di CARENZA di ZINCO deficit sistema immunitario alterazioni comportamento e delle funzioni mentali dermatiti – ritardo cicatrizzazione Zn legato al metabolismo della vit A necessaria per il differenziamento epiteliale Zn cofattore della collagenasi alterazione del gusto (presente nella gustina peptide salivare appartenente alla famiglia della carbonico anidrasi) ritardo crescita e maturazione sessuale (possibilmente legato al ruolo nella trascrizione)

Altre cause di carenza di Zn nutrizione parenterale prolungata malassorbimento, colite, morbo di Crohn gastrite atrofica nell’anziano alcolismo (soprattutto se con cirrosi epatica) malattia renale (perdita di Zn legato alla albumina), dialisi, trattamento con diuretici ustioni

UL (Tolerable Upper Intake Level) 25 mg/die (40 mg/die) basato sugli effetti negativi dello Zn sullo status del rame Interferenza con altre sostanze - induce carenza di rame utilizzato per diminuire accumulo di Cu nel morbo di Wilson 50 mg/die alterano attività Cu/Zn SOD; 450-600 mg die inducono bassi livelli plasmatici di Cu e ceruloplasmina ed anemia - induce carenza di ferro - alterazione della risposta immunitaria alterazione HDL Uso terapeutico Cicatrizzante (funzione in presenza di carenza non evidenziata di Zn) Ulcera gastrica