Le est l'ensemble des réactions chimiques faisant intervenir le fer et qui se déroulent à l'intérieur de chaque cellule d'un être vivant. Ce terme désigne plus spécifiquement l'ensemble de ces réactions qui visent à l'homéostasie du fer chez les vertébrés. Le fer est indispensable pour la majorité des êtres vivants, en intervenant dans les réactions biochimiques de la vie cellulaire.
Chez l'être humain, la majorité du fer utilisé (70 %) est incorporé à l'hémoglobine (transport de l'oxygène par les globules rouges) ; 20 % dans la myoglobine des cellules musculaires ; 10 % dans les autres cellules de l'organisme qui ont toutes besoin de fer. L'essentiel de ce fer (95 %) est utilisé en circuit fermé par recyclage. Il est absorbé par voie digestive, en pouvant se présenter sous deux formes : le fer héminique (viandes et poissons) mieux absorbé que le fer non héminique (végétaux et produits laitiers). L'être humain absorbe et excrète relativement peu de fer.
Le métabolisme du fer est déterminé par des cellules digestives, sanguines et hépatiques, en rapport avec des protéines spécifiques de transport, stockage, et régulation. Depuis les années 1990, les approches de génétique moléculaire permettent d'en détailler le mécanisme.
Les besoins en fer varient selon l'âge et le sexe. Ils sont les plus élevés lors de la grossesse et lors de la croissance du tout petit enfant.
Tout déséquilibre du métabolisme du fer, d'origine génétique ou environnementale, est nuisible, que ce soit par déficit ou par surcharge.
de sang contient de fer.
Aspects historiques vignette|Boisson tonique à base de fer et de cocaïne, New-York, années 1880. Utilisation médicinale du fer
L'usage thérapeutique du fer est mentionné en médecine égyptienne vers l'an 1500 av. J.-C., dans le Papyrus médical de Berlin (Bln 88). Il est utilisé comme remède à appliquer sur les morsures venimeuses : le fer est pilé (réduit en limaille – parcelles de fer provenant du limage –) dans de l'eau provenant de la crue du Nil.
Sous la Rome Antique, la limaille ou poudre de fer peut être avalée dans du vin ou du vinaigre, ce qui suggère l'existence de carence en fer. En médecine arabe et médecine médiévale, le fer peut être pris aussi sous la forme de sirop.
En 1681, Thomas Sydenham mentionne l'effet du fer sur la chlorose (terme historique désignant très probablement l'anémie ferriprive, par carence en fer) : « le pouls gagne en force et en fréquence (...), le teint n'est plus pâle comme la mort, mais vif et haut en couleur ».
En 1831, le médecin Jean-Pierre Blaud (1773-1859) invente la pilule Blaud, première formulation moderne du fer, à base de sulfate ferreux et de carbonate de potassium, qu'il présente en 1832 comme un traitement de la chlorose qui « redonne au sang sa qualité perdue, à savoir celle d'être une substance colorante ».
Méthodes d'études Le métabolisme du fer a été étudié en trois grandes étapes.
Au , les études d'anatomo-pathologie, de cytochimie et d'histochimie, ont permis une première approche de la répartition normale et pathologique du fer dans l'organisme. Par prélèvement sanguin ou biopsie d'organe, il devient possible de distinguer entre autres, les anémies par défaut de fer, comme les surcharges en fer, en particulier au niveau du foie (sidérose hépatique ou hépatosidérose)
Au cours du , la dynamique du métabolisme du fer a pu être approchée par la technique d'utilisation des isotopes (isotopes de fer radioactif, médicaux ou biologiques, à demi-vie courte). Ces méthodes ont permis de mesurer la vitesse du passage du radio-fer dans le sang, l'absorption intestinale du fer, son devenir dans les organes, en particulier dans la moelle osseuse chez les précurseurs des globules rouges.
À partir des années 1990, le savoir fait un nouveau bond, avec la biologie moléculaire et surtout la génétique moléculaire (entre autres utilisation de souris transgéniques) qui permettent d'approcher la génétique et le métabolisme complexe du fer à l'échelle moléculaire.
Importance et rôle du fer Monde vivant
Le fer est un élément indispensable pour la majorité des êtres vivants, notamment pour le transport de l'oxygène, et en particulier pour le transport et l'échange des électrons (Fe2+ ↔ Fe3+) lors des réactions d'oxydo-réduction (respiration cellulaire et fonctionnement enzymatique). vignette|Rôle évolutif et écologique majeur des bactéries et des mycorhizes dans le processus de biométéorisationLibération de l'ion fer des minéraux ferromagnésiens (olivines, biotites, amphiboles, pyroxènes, etc.) résultant de l'altération des roches. et de mobilisation du fer, deuxième élément le plus abondant dans le globe terrestre et septième élément le plus abondant dans le monde vivant..
Cependant à l'état libre, le fer est également très toxique, car les radicaux libres de fer altèrent les structures cellulaires. Les atomes de fer sont toujours utilisés et « contrôlés » en restant liés à diverses molécules et protéines spécifiques pour leur absorption, transport, stockage, utilisation et excrétion. Ce sont autant d'étapes du métabolisme du fer.
Certaines algues et bactéries des eaux ferrugineuses sont très riches en fer, elles oxydent le fer ferreux Fe2+ en fer ferrique Fe3+ pour trouver l'énergie nécessaire à l'assimilation du CO2. Presque tous les micro-organismes ont besoin de fer, notamment pour les cytochromes (transporteurs d'électrons dans les chaînes respiratoires et photosynthétiques), et pour les pigments respiratoires transporteurs d'oxygène (chlorocruorines, érythrocruorines, hémérythrines, globines).
Quand il y a peu de fer disponible dans le milieu, la plupart des micro-organismes sécrètent des sidérophores, petites molécules de captation et transport de fer. Le complexe ainsi formé se lie alors à un récepteur de la membrane cellulaire. Le fer pénétrant dans la cellule est réduit en fer ferreux Fe2+. Il existe plusieurs voies et mécanismes d'absorption pour obtenir une quantité suffisante de fer.
Chez les végétaux supérieurs, le fer est indispensable à la formation de la chlorophylle, bien que n'entrant pas dans la composition de sa structure.
Humains De façon générale, le métabolisme du fer « fonctionne à l'économie ». L'essentiel du fer de l'organisme tourne en circuit fermé, par recyclage. En situation d'équilibre, les humains absorbent et excrètent relativement peu de fer. Du point de vue évolutif, ce métabolisme serait l'adaptation à une pression de sélection exercée par l'environnement (plus ou moins riche en fer), et par les micro-organismes pathogènes qui utilisent le fer circulant des organismes supérieurs qu'ils parasitent (voir la régulation négative par hepcidine).
L'organisme humain contient de 30 à de fer par kg de poids, soit autour de 3 à chez un adulte. Il en perd quotidiennement 1 à en moyenne par les sécrétions et desquamation intestinales et cutanées (éliminations des cellules mortes superficielles), la sueur et l'urine, auxquelles il faut ajouter le sang menstruel.
Chez l'être humain, il n'existe pas de régulation de cette excrétion, la principale régulation s'opère au niveau de l'absorption digestive du fer, et cette absorption est relativement limitée par rapport aux autres mammifères. Cette étape intestinale est cependant essentielle, car c'est par là que l'organisme humain, à l'état normal, bloque un excès de fer ou compense ses pertes, en adaptant l'absorption selon les possibilités et ses besoins.
La majorité du fer utilisé (70 %) est incorporé à l'hémoglobine (transport de l'oxygène par les globules rouges) ; 20 % dans la myoglobine des cellules musculaires ; 10 % dans les autres cellules de l'organisme qui ont toutes besoin de fer. La répartition du fer dans l'organisme est aussi strictement contrôlée à partir de la biodisponibilité en fer du secteur sanguin (fer plasmatique) et de son stockage hépatique.
Au total il existe 4 types cellulaires principaux qui déterminent le métabolisme du fer : les entérocytes, cellules intestinales qui absorbent le fer ; les érythroblastes, cellules-souches ou précurseurs des globules rouges, qui captent et transportent le fer utilisable ; les macrophages, qui récupèrent et « recyclent » le fer des globules rouges en fin de vie ; les hépatocytes, cellules du foie qui stockent le fer, et qui jouent un rôle de « gestion du stock ». La circulation de fer entre ces quatre types cellulaires est assuré par des protéines spécifiques. Dans les années 1970-1980, on n'en connaissait que deux : la ferritine et la transferrine. En 2006, plus de 20 protéines ont été identifiées à différentes étapes du métabolisme du fer, dont l'hepcidine (hormone de régulation du fer dans l'organisme) et les protéines régulatrices du fer (régulation intra-cellulaire).
Tout déséquilibre du métabolisme du fer, d'origine génétique ou environnementale, est nuisible que ce soit par déficit ou par surcharge.
Absorption digestive Pour la teneur des aliments, voir la section Aliments riches en fer.
Les apports alimentaires moyens sont de par jour lors d'un régime équilibré. Ils sont largement supérieurs aux besoins réels de l'organisme (sauf parfois en situation de grossesse), qui perd habituellement de façon incompressible de fer par jour en moyenne. À l'état normal, seul le fer alimentaire nécessaire (compensant les pertes) est absorbé, soit 10 % du fer ingéré à partir d'une alimentation normale.
L'absorption intestinale se situe principalement dans le grêle au niveau du duodénum et du jéjunum. Elle est régulée en fonction de la quantité de fer dans l'organisme, de l'intensité de la production de globules rouges (érythropoïèse), et elle dépend de la nature du fer alimentaire.
Le fer ne peut être transporté dans sa forme minérale que dans sa forme ferreuse.
Fer alimentaire Il existe deux types de fer alimentaire : le fer héminique, ainsi nommé car il est lié à l'hème, est retrouvé dans les viandes, volailles et les poissons ; le fer non héminique, qui se trouve dans les céréales, les fruits, les légumes secs, les légumes et les produits laitiers.
Le rendement d'absorption digestive de ces deux types de fer est très différent : celui du fer héminique est en moyenne de 25 % (15-35 %) bien supérieur à celui du fer non héminique qui est de l'ordre de 10 % (de 1 à 20 % chez les individus normaux).
Les légumes verts, comme les feuilles d'épinard, sont riches en fer, mais avec une biodisponibilité relativement basse (autour de 12 %). Ceci est attribué au caractère indigestible de composants de la cellule végétale où le fer est stocké. Cette biodisponibilité du fer non héminique est améliorée par la présence de vitamine C, voire doublée par la fermentation lactique des végétaux (voir la sous-section suivante Interactions alimentaires). Ces processus agissent comme agents réducteurs, car avant son absorption proprement dite, le fer non héminique doit être réduit et libéré de ses complexes.
Le fer héminique représente 10 % et plus, jusqu'aux deux tiers de la totalité du fer absorbé, alors qu'il ne constitue que le tiers des apports alimentaire (régime occidental) ou 10 à 15 % de l'apport alimentaire total dans le cas d'un régime riche en viande.
Dans l'estomac, les protéines héminiques (hémoglobine, myoglobine) sont découpées par l'acide gastrique, et l'hème (porteur de fer) ainsi libéré est capté par les cellules (entérocytes) du duodénum et du jéjunum.
Interactions alimentaires L'absorption du fer héminique est très peu influencée par les autres aliments, alors que ce n'est pas le cas du fer non héminique.
Interactions positives