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Elementos No. 85, Vol. 19, Enero-Marzo, 2012, Página 41

El hierro, elemento metálico importante en la vida y en los procesos infecciosos

Alberto Chantes Guerra
Erasmo Negrete Abascal

Sergio Vaca Pacheco
María Patricia Sánchez Alonso
Candelario Vázquez Cruz             Descargar versión PDF


Los cationes metálicos como el Fe+2, Zn+2, Cu+2, Mn+2, Co+2 o Cd+2, son oligoelementos esenciales para el crecimiento de todos los organismos. La mayoría de ellos participan como cofactores en procesos enzimáticos o forman parte de estructuras anatómicas celulares. Sin embargo la elevada concentración de estos iones puede tener efectos tóxicos o letales en las células, por inhibición de procesos metabólicos (por ejemplo, la respiración anaeróbica) o por acumulación de radicales libres generados en los procesos de reducción química. Por ello es fundamental que en las células no se sobrepase la concentración “apropiada” para cada uno de ellos.
  

Importancia del hierro en los sistemas biológicos


El hierro tiene dos estados de oxidación conocidos como Fe(II) y Fe(III), esto es debido a la valencia +2 y +3 con la que se combina con otros elementos químicos de la tabla periódica.1 El elemento hierro puede estar combinado con iones bromuro, cloruro, óxido, carbonato, hidróxido, nitrato, fosfato, sulfato o dicromato. De estas combinaciones las más solubles son las de bromuro, cloruro, nitrato y sulfato. La solubilidad de una sustancia depende de su dispersión homogénea o disociación química en un medio líquido.
    Esta es una propiedad intrínseca del material que puede ser calculada experimentalmente, y se puede representar por medio de la fórmula pkps=log kps=log (n x 10-z), donde “p” es el logaritmo de base diez del producto de solubilidad, esto se entiende como la concentración en Moles en equilibrio a 25°C, o máxima solubilidad en un disolvente (n x 10-z), el cual podría ser el agua.
    La solubilidad depende entonces de la composición química del compuesto químico, el disolvente y la temperatura de disolución. Experimentalmente se sabe que el hidróxido de hierro a 20°C en agua se comporta de la siguiente manera y los valores se expresan como Moles por litro:

tabla 1-hierro

Tabla 2-hierro


    KSP=6.92 x 10-14, así el logaritmo del producto de disociación o pksp es igual a 14.84, el cual es un poco más fácil de recordar y manejar. Estos valores expresados en gramos por litro son 0.05255. Este valor significa que es una sal de poca solubilidad, comparado con la sal cloruro de hierro (II), de la que pueden disolverse hasta 62.5 gramos por litro de agua a 20°C.
    Una situación real es que, conforme pasa el tiempo, la sal de cloruro de Fe
(II) en agua se transforma en una sal de hidróxido, por lo tanto la solución homogénea de cloruro se transforma en un sistema heterogéneo que genera un residuo insoluble amarillento característico de los óxidos de hierro, comúnmente conocido por la gente al observar un alambre o clavo oxidado.
    Las sales de hierro son tóxicas para los seres vivos porque desarrollan procesos de óxido-reducción. En nuestro ambiente, por las condiciones de humedad y presencia de oxígeno en la atmósfera terrestre, solo existen compuestos de hierro de muy baja solubilidad, lo que los hace poco tóxicos debido a su baja disponibilidad. Aunque el hierro constituye el 5% del volumen de la corteza terrestre.2
    Se ha observado que en condiciones aeróbicas y de ph neutro, el 
Fe(II) se oxida espontáneamente a Fe(III) y forma hidróxidos insolubles, lo cual origina una drástica disminución del hierro disponible.3 Las bacterias necesitan una concentración de hierro comprendida entre 10-6 y 10-8 m, lo cual significa que una célula requiere del orden de 105 a 106 iones de hierro por generación para poder crecer.4, 5 Por lo tanto, las altas densidades celulares (10 9 cfu/ml), en cada generación necesitan consumir 1018 átomos de hierro por litro.6
    En condiciones anaerobias el hierro se encuentra en su forma reducida, 
Fe(II), que es soluble como para que pueda ser capturado por las bacterias sin necesidad de mecanismos especializados.7
    El 
Fe(II) es soluble a ph fisiológico y las células lo obtienen sin mucha dificultad a partir del medio externo. En condiciones de acidez (pH 3), la concentración de Fe(III) soluble es de 10-8 M, suficiente para cubrir las necesidades de la mayoría de las bacterias acidófilas.
 

Disponibilidad de hierro en organismos superiores


En las mucosas y tejidos de los organismos superiores la concentración de hierro libre baja hasta 10-18 M.8 Esta baja concentración de hierro libre constituye una estrategia de defensa del huésped frente a las infecciones microbianas. Los organismos superiores disponen de mecanismos encargados de mantener un bajo nivel extracelular de hierro basados en ciertas proteínas que secuestran los iones de hierro, como transferrinas, hemoglobina, hemopexina, ferritina y albúmina.
    Varias de estas proteínas se encuentran en el plasma y líquido linfático; la lactoferritina se localiza en el interior de neutrófilos y en la mayoría de fluidos corporales: seminales, intestinales, saliva, moco cervical, leche, etcétera. En las aves, la ovotransferrina se encuentra mezclada con la albúmina de los huevos.8
    La ferritina es la principal proteína de almacenamiento de hierro y se encuentra localizada en la mayoría de los tejidos animales y es abundante en el hígado.
    Como mecanismo de protección a infecciones, el huésped animal es capaz de reducir aún más la cantidad del hierro extracelular, fenómeno conocido como hipoferremia de la infección.9
    La albúmina es una proteína del plasma sanguíneo que puede unir hasta diez átomos de hierro, es una proteína globular de alrededor de 68 kDa que constituye aproximadamente el 60% de las proteínas totales del plasma.10 La hemoglobina es una de las proteínas más conocidas, su peso molecular es de 64.5 kDa y se encarga del transporte de oxígeno en los glóbulos rojos, está compuesta por dos cadenas polipeptídicas llamadas α y β, que contienen un grupo hemo localizado en un dominio hidrofóbico de cada una de ellas.
    Cuando hay recambio de glóbulos rojos o hemólisis, el hemo se une a una proteína de unión denominada hemopexina; una parte pequeña de las moléculas de hemo se desintegran en protoporfirina y hierro, este último se une a la transferrina y se almacena en la ferritina.
9
 

El hierro y la anemia


En los mamíferos en general el hierro es importante para el desarrollo celular y especialmente para la elaboración de la sangre.
    La sangre es un tejido formado por células blancas llamadas linfocitos o macrófagos, y células rojas o glóbulos rojos; estas últimas son las que contienen la hemoglobina, sustancia encargada de transportar el oxígeno desde los pulmones a todas las células del organismo a través del torrente sanguíneo.11
    Se ha observado que, cuando la dieta es reducida en hierro, se presenta una enfermedad por déficit de hierro, la anemia hipocrómica, la cual consiste en la producción de células rojas pequeñas que tienen poco color cuando se observan al microscopio (Figura 1). 

Fig.1-hierro

Figura 1. En a) se observan células rojas normales, mientras que en b) se observan células más pequeñas y con poco color, características de la anemia hipocrómica.

    Este déficit de hierro, hemoglobina y glóbulos rojos provoca diversos síntomas en el ser humano como palidez, mareos, fatiga y, en el peor de los casos, en los niños la anemia provoca reducción en el crecimiento corporal y pobre desarrollo del cerebro.12, 13 


El hierro y las infecciones


Los organismos superiores en general contienen poco hierro libre, y solo puede haber un aumento del hierro libre circulante a consecuencia de la ingesta de alimentos enriquecidos con hierro. Normalmente el hierro se encuentra en tejidos específicos como el hígado o la sangre; el resto del hierro circulante está combinado con proteínas transportadoras, como la transferrina o la lactoferrina que forman complejos muy estables que solo ceden el hierro a los tejidos demandantes como el hepático o el sanguíneo.14, 15
    En este ambiente los gérmenes infecciosos como las bacterias no pueden desarrollarse apropiadamente por carencia de hierro accesible; sin embargo, las bacterias patógenas son capaces de arrebatarle el hierro al cuerpo humano por medio de sustancias muy afines al hierro como los sideróforos, los receptores de transferrina o los de hemoglobina. Justamente la producción de sustancias receptoras de compuestos de hierro es el inicio del daño bacteriano a los organismos superiores.

El hierro y la respuesta inmune


El hierro es un elemento importante en la modulación de la respuesta inmune del hospedero contra patógenos mediante la regulación de los niveles de hierro en las células del sistema inmune y el medio externo.16 Durante el proceso infeccioso los microorganismos utilizan varias estrategias para adquirir competitivamente el hierro del ambiente interno del hospedero. El hospedero, por su parte, posee la capacidad para encausar el metabolismo celular del hierro, para usarlo primeramente como catalizador y generar especies reactivas de oxígeno como barrera antimicrobiana. Adicionalmente se activan otras funciones inmunológicas (Tabla 1) por el control global que ejerce el hierro sobre proteínas involucradas en la homeostasis del hierro, como almacén, unión y transporte del ion.

Tabla 1.1-hierro

Tabla 1. Importancia de proteínas y genes involucrados en la homeostasis del hierro y funciones inmunológicas.


El hierro y la regulación de la expresión de genes en algunas bacterias
Tal como ya mencionamos, los microorganismos patógenos han desarrollado estrategias para captar hierro de diferentes fuentes; estos sistemas de captación de hierro se han clasificado en dos grupos: aquellos que implican una interacción directa con las proteínas del huésped que transportan o almacenan hierro (transferrinas, lactoferrina, hemoglobina, ovotransferrina, etcétera), y los que implican la síntesis y liberación de moléculas de bajo peso, llamadas sideróforos (acarreadores de hierro), que son sintetizados y exportados por bacterias, levaduras y hongos. Los sideróforos actúan como agentes quelantes específicos para el Fe+3 y normalmente se incrementa su síntesis cuando el microorganismo se encuentra en un ambiente con poco hierro; en esta condición se sintetizan proteínas de membrana externa (OMPs) reguladas por hierro (IROMPs) que funcionan como receptores de los complejos sideróforo-hierro, o captan hierro mediante receptores de transferrina, lactoferrina, ovotransferrina, hemina y hemoglobina.17
    Por ejemplo, la familia Pasteurellaceae, que incluye bacterias patógenas de animales y humanos, adquiere el hierro que necesita directamente de la transferrina del hospedero por medio de receptores (TBPA
TBPB) que contienen proteínas de unión de transferrinas.18
    Otra fuente de hierro es la adquisición del metal unido a hemoglobina por algunas bacterias como Pasteurella multocida, Haemophilus influenzae, Haemophilus ducreyi y Actinobacillus pleuropneumoniae.19
    El único mecanismo de adquisición de hierro descrito en Av. paragallinarum es a través de la utilización de ovotransferrina mediante dos proteínas de unión a transferrina (probables 
TBP1TBP2) similares a las de otras especies bacterianas. Se identificaron dos regiones de ovotransferrina (lóbulo-n y lóbulo-c) involucradas en la unión a receptores de transferrina de Avibacterium paragallinarum y Haemophilus avium; además se observó que los fragmentos lóbulo-n y lóbulo-c de ovotransferrina y transferrina humana mantienen el crecimiento en condiciones limitadas de hierro de Av. paragallinarum y Neisseria meningitidis, respectivamente, sugiriendo que la interacción de ambos lóbulos es necesaria para una eficiente adquisición de hierro.20
    Al crecer a Av. paragallinarum en medios con baja concentración de hierro se ha observado la expresión diferencial tanto de proteínas de la membrana más externa como de las secretadas. En estas condiciones se observó un incremento en la expresión de tres proteínas de membrana externa con pesos moleculares de 60, 68 y 93 kda. Estas proteínas fueron reconocidas por suero de gallinas infectadas con Av. paragallinarum, sugiriendo su expresión in vivo. Las tres proteínas de membrana externa fueron identificadas por espectroscopía de masas, como receptores de transferrina (
TBPATBPB) y proteínas de transporte de hierro.21
    El mecanismo de captación de hierro de Av. paragallinarum se lleva a cabo de la siguiente manera: toma como fuente de hierro ovotransferrina o transferrina de gallina o pavo.22 Av. paragallinarum expresa las proteínas de membrana externa 
TBPATBPB, que son receptores anclados a la membrana externa; estos reconocen a su fuente de hierro y son translocados a periplasma por un proceso activo que utiliza fuerza protón-motriz aportada por el sistema Ton.
    En periplasma, el hierro es unido por la proteína periplasmática 
TBPB de unión a sustrato, esta la lleva a la permeasa anclada a membrana citoplasmática, en donde la ATPasa aporta la energía necesaria para el paso del hierro al citoplasma, entonces el Fe+3 es reducido a Fe+2 por reductasas y es utilizado por la célula bacteriana (Figura 2).

Fig.2-hierro

Figura 2. Mecanismo de captación de hierro de Avibacterium paragallinarum y algunos miembros de la familia Pasteurellaceae. Las bacterias gram negativas poseen doble membrana y el hierro debe viajar por etapas del medio externo al espacio periplásmico y finalmente al citoplasma por un complejo de proteínas. El sistema ton es un sistema general de transporte de iones o moléculas y está formado por tres proteínas: tonb es una proteína periplásmica anclada a la membrana interna o citoplasmática, ExbB y ExbD son proteínas integrales de la membrana citoplasmática que aprovechan el gradiente electroquímico de la membrana para que tonb provoque el cambio conformacional en el receptor de membrana externa e inicie el movimiento del hierro hacia el citoplasma.

Fur: una familia de reguladores de la expresión genética por hierro


Debido a la toxicidad de las concentraciones elevadas de hierro en el citoplasma celular y teniendo en cuenta que en bacterias no se han descrito bombas de excreción para este elemento, la forma de control de su homeostasis intracelular es mediante proteínas de membrana.
    Este proceso es desarrollado por la proteína Fur (ferric uptake regulator), que ejerce una regulación transcripcional sobre casi todos los genes implicados en el transporte e incorporación del metal en función de la concentración intracelular.23
    La proteína fur es un polipéptido de 17 kDa que actúa como represor transcripcional de promotores regulados por hierro; el Fe(II) actúa como correpresor.24 En la proteína fur se identifican dos dominios: un dominio C-terminal responsable de la unión de los iones metálicos así como de la interacción proteína-proteína que da lugar a la dimerización. El extremo N-terminal contiene un motivo de unión a DNAhelix-turn-helix“ (HTH) involucrado en el reconocimiento y anclaje al DNA.25
    La regulación de la expresión del gen fur es muy compleja, ya que es autorregulable y está sujeta a represión catabólica, con lo que se liga su expresión al metabolismo de la célula, y además es regulada también por la respuesta al estrés oxidativo.26
    Bajo condiciones ricas en hierro, Fur se une al ión divalente y forma el complejo Fe(
II)-Fur, adquiriendo una configuración capaz de unirse a secuencias blanco de DNA, conocidas como cajas Fur o cajas de hierro (GATAATGATAATCATTATC), inhibiendo la transcripción de genes regulados por Fur río abajo.
    Al contrario, cuando el hierro es escaso, disminuye el complejo Fe(II)-Fur y se liberan regiones operadoras reguladas por hierro permitiendo que la
RNA polimerasa acceda a promotores de genes para la biosíntesis de sideróforos y otras funciones reguladas por hierro, permitiendo su expresión (Figura 3).

Fig.3-hierro

Figura 3. Mecanismo de acción de la proteína Fur.

    Además, la proteína Fur también puede regular la captación de hierro de forma indirecta a través de diferentes sistemas de transducción de señales de dos componentes reguladores AraC-like para la síntesis de sideróforos y sistemas de absorción, y factores sigma.24
    Los genes regulados por la proteína fur constituyen el llamado regulón Fur, cuya mayoría de genes está implicada en la captación de hierro, en la biosíntesis y transporte de sideróforos, en la codificación de proteínas de membrana externa receptoras de moléculas transportadoras de hierro del huésped, y en el metabolismo del hierro como las bacterioferritinas.27
    Fur regula también la expresión de otras proteínas implicadas en el metabolismo celular, tales como las aconitasas PurR o MetJ, o proteínas que participan en la respuesta al estrés oxidativo, la superóxido dismutasa SodD y algunos factores de virulencia como colicinas, hemolisinas de Escherichia coli y Vibrio cholerae o la exotoxina A de Pseudomonas aeruginosa; por lo que la acción de estas toxinas permitiría el acceso a fuentes de hierro, como la ferritina o el grupo hemo de la hemoglobina, ubicadas en la célula huésped.24
    Se ha detectado también la presencia de cajas Fur en los promotores de genes implicados en todos los procesos de regulación y transducción de señal de quimiotaxis tanto en E. coli como en V. cholerae28 (Tabla 2). La proteína Fur también parece controlar genes cuyos productos están implicados en la síntesis de flagelos, como el gen flhD, principal activador del sistema de biosíntesis de flagelos en E. coli

Tabla2.2-hierro

Tabla 2. Genes que son regulados positiva y negativamente por la proteína Fur.

    Recientemente fue descrita la presencia de un gen fur en Av. paragallinarum; la secuencia de aminoácidos obtenida por traducción in silico a partir de la secuencia nucleotídica de dicho gen mostró un 94% de identidad con las proteínas Fur de A. pleuropneumoniae y H. ducreyi, y un porcentaje menor (74%) con la de A. actinomycetem-comitans al realizarse un alineamiento ClustaLW con las secuencias reportadas.
    La secuencia de aminoácidos de la proteína Fur de Av. paragallinarum conserva los dominios de unión a DNA (Helix-Turn-Helix) y al hierro, como se ha descrito para otras secuencias Fur, sugiriendo que la regulación en la captación de hierro en Av. paragallinarum podría ser similar a la descrita en otros microorganismos.21, 29 Estas investigaciones moleculares de nuevos modelos microbianos nos muestran indicios de un entramado molecular aún desconocido, el cual gracias a la aplicación de nuevas técnicas moleculares y a la participación de jóvenes científicos formados en la genómica, transcriptómica y proteómica, en los próximos años podremos entender mejor y revalorar la importancia biológica de los iones como el hierro.30, 31, 32

 

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Chantes Guerra A., Sánchez Alonso M.P.G.,
Vázquez Cruz C.
Centro de Investigaciones en Ciencias Microbiológicas, Instituto de Ciencias, BUAP

Negrete Abascal E., Vaca Pacheco S.,
Carrera de Biología, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México
ecobacilos@yahoo.com



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