FERRôle biologique du fer

Le fer est nécessaire à toute forme de vie sur Terre (seules quelques rares bactéries peuvent utiliser le manganèse à la place du fer) du fait de ses propriétés de fixation d'oxygène et d'oxydo-réduction. Cette capacité à réagir avec l'oxygène, qui le place aussi au centre des situations de stress oxydatif, le rend particulièrement dangereux pour les constituants cellulaires lorsqu'il n'est pas parfaitement pris en charge ou lorsqu'il est présent en excès.

Le fer est utilisé dans les organismes vivants essentiellement pour assurer le transport d'oxygène, ou catalyser des réactions de transfert d'électrons, de fixation d'azote ou de synthèse d'ADN. En solution, le fer peut exister sous deux états d'oxydation, le fer ferreux Fe (II) et le fer ferrique Fe (III). Il est faiblement soluble au pH physiologique, particulièrement quand il est sous la forme oxydée de Fe (III), et pour éviter qu'il ne précipite, les organismes vivants fabriquent de nombreuses protéines qui servent à le transporter ou à le stocker dans les cellules.

Rôles et fonctions physiologiques du fer dans le monde du vivant

Les protéines du métabolisme du fer

Dans le métabolisme du fer, deux grandes classes de protéines différentes interviennent. D'une part, celles qui sont nécessaires au transport du fer (sidérophores) dans les fluides biologiques, à son passage à travers les membranes cellulaires, à son stockage dans les tissus sous une forme facilement disponible et non toxique, mais aussi les protéines à activité ferroxydase ou ferriréductase, qui catalysent les nombreux passages de l'état ferreux à l'état ferrique, ou réciproquement, que subit ce métal dans un organisme vivant. Ces protéines, dont la plupart ont été découvertes depuis la fin des années 1990, seront présentées dans leur contexte par les chapitres suivants.

D'autre part, celles qui dans l'organisme utilisent le fer pour leur fonction ; ces protéines peuvent être distinguées d'après le degré de coordination de l'atome de fer dans la molécule, en corrélation avec la grande variété de fonctions auxquelles le fer est associé.

Chez les hémoprotéines, le fer est présent sous forme d'hème, lié aux quatre noyaux pyrroles d'une molécule de porphyrine IX (fig. 1a). L'hème est le groupement prosthétique de protéines de transport d'oxygène (hémoglobine, myoglobine), d'activateurs de l'oxygène moléculaire (cytochrome P450, cytochromes oxydase, peroxydase, catalase) ou de transport d'électrons (cytochrome de la chaîne respiratoire mitochondriale). Une deuxième classe de protéines à fer est constituée par les protéines à centre fer-soufre (fig. 1e), où des atomes de fer sont liés de façon covalente à des atomes de soufre, et ces structures, de composition variable de type [2Fe-2S], [3Fe-4S] ou [4Fe-4S], sont liées à la protéine par l'intermédiaire de résidus cystéine.

Fer et protéines : formes chimiques

Formes chimiques sous lesquelles le fer est associé aux protéines. A : molécule d'hème ; B : centre fer-soufre ; C : exemples de liaison directe de l'atome de fer aux acides aminés de la protéine. 

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La troisième classe contient des protéines où le fer est présent sous forme d'un seul atome associé à des acides aminés particuliers (le plus souvent une histidine ou une cystéine) du site actif de la molécule (fig. 1c), avec une organisation du site de coordination très variable suivant les enzymes qui en sont porteuses.

Le fer dans l'évolution

À l'inverse de la ferritine, la protéine de stockage du fer, qui est évolutivement très conservée, les systèmes d'acquisition du fer ont considérablement évolué entre les espèces et se sont adaptés à la forme chimique sous laquelle le fer se trouve dans l'environnement. Les bactéries sont capables, suivant les cas, de transporter des complexes de fer-citrate ou de synthétiser des molécules de sidérophores qui chélatent le fer dans le milieu environnant pour l'importer dans la bactérie. Pour les bactéries pathogènes ou commensales, l'hème représente une source importante de fer, et les bactéries ont développé des systèmes de transport de l'hème, libre ou complexe à l'hémopexine ou à l'hémoglobine. Ces différents composés, héminiques ou non héminiques (fer-citrate ou fer-sidérophore), sont captés par les bactéries à l'aide de différents transporteurs membranaires spécifiques. Dans les bactéries pathogènes, certains systèmes de transport du fer sont des facteurs de virulence. Chez la levure, le fer présent sous forme de complexes ferriques dans le milieu extracellulaire est réduit par des réductases membranaires, puis transporté soit par un transporteur de basse affinité du Fe (II), ou par la perméase FTR1, un transporteur de haute affinité du fer ferrique, qui est physiquement associé dans la membrane à FET3, une protéine qui oxyde le Fe (II) en Fe (III). FET3 possède une activité ferroxydase cuivre-dépendante et appartient à la famille des « multi-copper » oxydases (au même titre que la céruloplasmine et l'héphaestine des mammifères). Les plantes ont développé deux systèmes mutuellement exclusifs, l'un fondé sur des sidérophores directement sécrétés dans la région du sol qui entoure les racines (la rhizosphère), l'autre sur des protéines de réduction et de transport du fer qui sont génétiquement exprimées dans les racines.

Les cellules de mammifères empruntent plusieurs des mécanismes présents chez les bactéries, les levures ou les plantes pour transporter le fer à travers les membranes des cellules ou des organelles, dans un ensemble complexe étroitement régulé.

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Fer et protéines : formes chimiques
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Ferritine : structure de la molécule
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Hepcidine : rôle biologique
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