Cuprul in sinteza de neurotransmitatori, ATP, protectia antioxidativa, fertilitate si metilare

Introducere

Cuprul este un micronutrient esential pentru existenta tuturor organismelor (bacterii, plante, animale), avand rol de cofactor pentru multiple enzime. Astfel, are un rol esential la nivel mitocondrial in sistemul de transport de electroni si sinteza de energie celulara (ATP) fiind esential pentru respiratia celulara a tuturor celulelor eukariote. Se gaseste in enzimele cu rol de superoxid dismutaza avand astfel rol in protectia antioxidanta, convertind superoxizii in oxigen si peroxid de hidrogen H2O2 etc. Fiecare din aceste proteine/enzime va fi discutata separat si voi include, acolo unde este posibil, si testele de laborator ce permit evaluarea metabolismului lor specific.

La om, este esential cuprul in sinteza de neurotransmitatori fiind astfel implicat in functionarea sistemului nervos, a sistemului imun, in sinteza de energie la nivel mitocondrial, in protectie antioxidanta, in crosslinking si stabilizarea colagenului.

Organismul uman poseda mecanisme complexe homeostatice de aprovizionare constanta cu cupru, simultan cu eliminarea excesului.

Biochimie

Cuprul este necesar pentru sinteza de proteine cu functie enzimatica, cu rol in sistemul de transfer de electroni in motocondrie, activarea oxigenului si transportul oxigenului, aceste proteine sunt clasificate in urmatoarele clase:

clasa I “blue copper protein” – T1Cu, conformatie 3D sferica, contin 2x histidina, 1x metionina, 1x cisteina, cu absorptie la ca. 600 nm (culoare albastra), exemple: plastocianin, nitrit reductaza
clasa II “non-blue copper protein” – T2Cu, conformatie 3D planara, contin 3xhistidina, 1xH2O, absorbtie scazuta in spectrul vizibil, exemple multiple enzime cu rol de oxidaza –
- superoxid dismutaza SOD
- dopamin β-monooxigenaza DBH
- lisil oxidaza LOX
- galactoz oxidaza (fungi)
- quercetinaza (fungi)
- peptidilglicine α-hidroxilaza monooxigenaza PMH
- diaminoxidaza DAO
clasa III “dimer cu o punte de oxigen” – T3Cu, care dupa cuplarea cu oxigenul are o absorbtie intensa in spectrul 350-600 nm (culoare albastra), exemple: tirozinaza, hemocianina
“blue multi-copper protein”: ceruloplasmina si hephaestina.

Roluri metabolice

1. Superoxid dismutaze SOD1 si SOD3

Mutatiile SOD au fost discutate pe larg in articolul Mutatiile SOD. (Nu includ si SOD2 intrucat aceasta este o enzima care contine mangan- MnSOD).

Enzimele SOD protejeaza de radicalii liberi de superoxizi de oxigen prin intermediul reactiilor de oxidare a cuprului, datorita trecerii usoare a Cu⁺ (cupru cupros, redus) in Cu ²⁺ (cupru cupric, oxidat) si realizeaza protectie anti-oxidativa: Cu⁺-SOD + O₂⁻ + 2H⁺ → Cu²⁺-SOD + H₂O₂ (oxidarea atomului de Cupru cupros in Cu cupric simultan cu reducerea superoxidului).

SOD1, sau CuZn-SOD (EC 1.15.1.1):

a fost prima enzima descrisa si caracterizata,
este o enzima ce contine mineralele de tip cupru si zinc,
este o proteina de tip homodimer care se gaseste in
- din abundenta in spatiul intracelular citoplasmatic, ca peptid solubil
- reticulum si nucleu
- mitocondrie
  - in spatiul intermembranar – dupa maturare impreuna cu CSS
  - in matrix
  - pe membrana externa
enzima SOD1 necesita pentru a functina si o enzima CCS (Copper Chaperone for Super Oxid Dismutaza) functionala care o aprovizioneaza cu ioni de cupru
mutatiile genei SOD1 sunt asociate cu Scleroza laterala amiotrofica si Tetraplagie spastica.
mutatiile genei CCS sunt asociate cu Scleroza laterala amiotrofica 1

SOD3, sau EC-SOD (EC 1.15.1.1),

este cea mai recenta SOD caracterizata
este de tip tetramer cupru-zinc, fiind sintetizata exclusiv in spatiul extracelular
are afinitate crescuta pentru heparina si este ancorata in matricea extracelulara si are rol in:
- protectia antioxidanta in organe (creier, plamani, alte tesuturi)
- protectia fata de aparitia emfizemului pulmonar, testat la animale de laborator expuse fumului de tigarete
- nivele scazute de SOD3 fiind gasite la pacientii cu boala cronica obstructiva pulmonara
- mutatiile acestei gene sunt asociate cu risc de boli cardiace, boli pulmonare
- fumatul de tigarete nu induce hipermetilarea promoterului genei SOD3 la nivel pulmonar asa cum se intampla pentru GCL (glutamat-cisteina ligaza, prima enzima din calea de sinteza a glutationului), insa aceasta nu exlude o posibila sinteza scazuta prin mutatii SOD3 sau prin deficit de Cu-Zn si o sinteza finala scazuta de SOD3
- o buna protectie antioxidanta pentru un plaman de fumator de tigarete este administrarea de SOD si glutation, pe langa evident oprirea fumatului

Testele de evaluare pentru SOD :

test direct prin masurarea activitatii SOD serice (se masoara evident doar SOD3 extracelular)
- - Synlab cod 2570,
  - Medlife Superoxid Dismutase,
  - Synevo
testare genetica pentru mutatii SOD1 & SOD3
- SOD1 (CuZn SOD1) intracelulara
  - SOD1 alela mutanta G, rs2070424 – MyHeritage, Ancestry & secventiere Synlab
- SOD3 (CuZn SOD3) extracelulara
  - SOD3 489 C>T, alela mutanta C, rs2855262 – 23andme, Ancestry
  - SOD3 R231G, alela mutanta G, rs1799895 – 23andme, MyHeritage
  - SOD3, alela mutanta T, rs699473 – MyHeritage

- testare indirecta prin masurarea concentratiei serice/eritrocitare de cofactori:
  - zinc seric
  - cupru eritrocitar – se lucreaza deocamdata doar la Synlab cod 5984.

2. Tirozinaza (Tirozin 3 mono-oxigenaza Hidroxilaza) TH

proteina cu rol enzimatic, de culoare albastra, codificata de gena TH (EC 1.14.18.1) este un tetramer din 4 unitati identice (homotetramer), fiecare subunitate include un atom de fier divalent fier Fe²⁺
centrul enzimatic al tirozinazei este flexibil in timpul catalizei si include doi atomi de cupru– CuA si CuB, care sunt prezenti si in plante unde asigura colorarea (fructe, legume, ciuperci) si la bacterii
tirozinaza este clasificata in tipul 3 din familia de proteine ce includ cupru (T3Cu)
reactia catalitica condusa de tirozinaza include 3 tipuri de prezentare redox pentru atomii de cupru:
- forma deoxy [Cu(I)-Cu(I)] este o forma redusa care leaga oxigenul cu sinteza de forma oxy $[O_{2}^{2 -}]$
- in forma oxy $[O_{2}^{2 -}]$ oxigenul molecular este legat ca peroxid intr-o punte de tip μ-η²:η² care destabilizeaza legatura O-O si o activeaza
- forma met form [Cu(II)-Cu(II)] se presupune ca este o forma de repaus enzimatic unde ionii de Cu(II) sunt legati de un ligand mic, ca molecula de apa sau ionul hidroxid
la om, enzima este implicata in anormalitati de
- pigmentare cutanata
- boli neurodegenerative
enzima catalizeaza primele doua etape din calea metabolica Raper-Mason, si anume:
- a) hidroxilarea L-tirozinei la L-DOPA (activitate de hidroxilaza) si
- b) oxidarea subsecventa a L-DOPA la L-DOPA quinona (activitate de ortho-difenol oxidaza/catecol oxidaza/DOPA oxidaza):
a) reactia de conversie a tirozinei in L-DOPA cu necesitatea prezentei cofactorului BH4, mai departe Levodopa fiind convertita in dopamina de catre enzima DDC
b) in celulele din piele in melanozomi, are loc reactia de DOPA-oxidare cu formare de L-DOPA quinone care vor intra in ciclul de sinteza de melanina (pigment pentru piele, par)

testarea functionarii enzimei tirozinaza sau tirozin hidroxilaza TH
- Test indirect prin masurarea nivelului seric/eritrocitar de cofactori:
  - pterine (BH4) serice, urinare si din LCR
  - evaluare metabolism cupru:
    - cupru eritrocitar: Synlab cod 5984
    - cupru seric
    - cupru urinar din urina pe 24 ore
    - ceruloplasmina serica
- Testare genetica gena TH – inclusa in MyHeritage, Ancestry
- Test indirect prin masurarea
  - concentratiei de dopamina serica
  - concentratiei de dopamina urinara
deficitul de functionare al TH va induce un nivel scazut de L-dopa care va antrena
- nivele scazute de neurotransmitatori de tip catecolamine,
- nivel scazut de pigmentare (par blond si piele deschisa la culoare) si
- sinteza scazuta de hormoni tiroidieni.

3. Dopamin Beta Hidroxilaza DBH

DBH este o proteina cu rol enzimatic de tip oxidoreductaza dependenta de cupru, codificata de gena DBH – EC 1.14.17.1, este compusa din 4 tetratrameri, ce necesita ascorbat pentru a functiona si este situata la nivel membranar.

Enzima Dopamin beta Hidroxilaza DBH catalizeaza conversia dopaminei in noradrenalina, ambele fiind neurotransmitatori de tip catecolamine, in sistemul nervos central si in sistemul nervos autonom simpatic, ceea ce arata cat este de important cuprul pentru sinteza de neurotransmitatori.

Proteina DBH necesita simultan cofactorii pentru a-si putea exercita functia enzimatica

cupru – un ion per molecula
vitamina C

Deficitul de functionare al enzimei DBH poate fi indus de catre:

mutatii genetice ale genei DBH
deficit nutritional de cupru
deficit nutritional de vitamina C

Deficitul functional DBH induce cresterea activitii dopaminergice si scaderea activitatii norepinefrinei la nivel sinaptic cu simptome

crestere dopamina: anxietate, reflexe hiperflexibile, nivel crescut de stres
scadere norepinefrina: scadere tensiune arteriala, hipotonie si ptoza musculara, oboseala, ameteala, greata, tulburari de vedere, dureri de cap, POTS

Testarea functionarii enzimei DBH se poate face prin:

test direct prin masurarea activitatii DBH serice
- care se coreleaza cu activitea DBH in lichidul cefalo-rahidian, test OPTIM care insa nu se lucreaza in Romania (deocamdata)
- factori de interferenta (cu rezultate fals scazute): aspartame (consuma din disponibilul de BH4), fenoli etc
test indirect prin masurarea nivelului seric/eritrocitar de cofactori:
- dozare vitamina C serica
- evaluare metabolism cupru:
  - cupru eritrocitar: Synlab cod 5984
  - cupru seric
  - cupru urinar din urina pe 24 ore
  - ceruloplasmina serica
testare genetica gena DBH – inclusa in MyHeritage, Ancestry, care arata un numar crescut de mutatii SNP, deletii, de aceea cel mai bun test este masurarea nivelului activitatii DBH serice
teste indirecte :
- concentratiei de dopamina, noradrenalina (si adrenalina) in ser
- concentratiei de dopamina, noradrenalina (si adrenalina) in urina
- deficitul de functionare al DBH va indica nivele crescute de dopamina cu un nivel foarte mic de noradrenalina, ceea ce indica blocajul conversiei sau “gatuirea” reactiei

- Test indirect prin masurarea concentratiei de metaboliti ai dopaminei (acid homovanilic) si ai noradrenalinei (acid vanilmandelic) in urina (testare acizi organici)

4. Lizil oxidaza LOX

lizil oxidaza LOX este o enzima codificata de gena LOX, care catalizeaza conversia lizinei in allysina, derivatul sau aldehidic;
allysina realizeaza cross-linking in proteinele din matricea extracelulara (colagen si elastina) cu stabilizarea tesutului conjunctiv
deficitul de functionare al enzimei LOX duce la diminuarea calitatii colagenului, prin afectarea structurii tertiare a colagenului din os si cartilaje cu sinteza de colagen fragil si afectarea formarii de tesut conjunctiv mezenchimal, cu afectarea tesutului conjunctiv mezemchimal, osos, vascular, cartilaginos
- prin mutatii genetice LOX
- prin inhibitia data de toxina beta aminopropionutril BAPN din planta Lathyrus odoratus (un tip de mazare)
- prin chelarea complexului cupru-bipiridina de catre anumite medicamente

5. Peptidilglicin α-amidare monooxigenaza PAM

PAM este o enzima bifunctionala a carei sarcina este amidarea post-translationala a lantului C-terminal din peptidele mici, cum sunt:
- neurotransmitatori, ceea ce arata cat este de important cuprul in sinteza de neurotransmitatori
  - oxitocina,
  - substanta P,
  - tirotropina TSH,
  - calcitonina
- hormoni peptidici: atrial natriuretic peptide ANP
- factori de crestere
activitatea PAM scade in cazul unei diete deficitare in cupru
functiile PAM sunt
- PHM monooxigenaza: peptidilglicin α-hidroxilare monooxigenaza (PHM; EC 1.14.17.3)
  - include 2 atomi de cupru ce sunt subunitati diferite, amandoi esentiali pentru functionarea enzimei, care trec prin stadiile de Cu cupric si Cu cupros), si necesita vitamina C pentru functionare
  - realizeaza hidroxilarea glicinei terminale din neurotransmitatori (oxitocina)
- PAL liaza: peptidil α-hidroxilglicin α-amidare liaza (PAL; EC 4.3.2.5)
  - include un centru metalic de cupru,
  - face conversia pordusilor de la primul pas in peptide amidate si glioxilat

6. Citocrom C oxidaza COX

este ultima enzima (complexul IV) al lantului respirator mitocondrial de transport de electroni (electron transport chain ETC) cu rol in sinteza de ATP (energie celulara)
se gaseste in mitocondria celulelor eukariote, care contine
- dubla membrana, cea interna fiind impaturita in cristae unde sunt localizate proteinele din sistemul de transport de electroni ETC ce produce energie ce este folosita pentru cuplarea chemiosmotica a fosforilarii oxidative de la ADP la ATP
- ADN mitocondrial propriu mostenit pe linie materna,
- matricea interna gel-like (matrix) ce contine ADNm si enzimele ciclului Krebs, ionii de fier si de cupru, ceea ce ii confera culoarea violet
- mitocondria este sursa principala de sinteza de radicali liberi de oxigen datorita pierderilor aberante de electroni liberi ce sunt imediat contracarate de enzima SOD
contine 14 subunitati proteice si cofactori: 2 unitati hem (Fe²⁺) si 2 centre de cupru: CuA si CuB
- 3 unitati proteice sunt codificate de ADN mitocondrial – subunitatea I, II, III
- 11 unitati proteice codificate de ADN nuclear (majoritatea proteinelor mitocondriale sunt codificate in nucleu)
reactia este 4 Fe²⁺ – cytochrome c + 4 H⁺ + O₂ → 4 Fe³⁺ – cytochrome at c + 2 H₂O ΔG^o‘ = – 218 kJ/mol, E^o‘ = +565 mV
sinteza de energie mitocondriala este extrem de importanta pentru celulele cu consum crescut de energie
- celule musculare
- celule nervoase
- celula hepatica 2000 mitocondrii
- in contrast hematiile nu contin mitocondrii
- ovocite aprox. 600.000 mitocondrii (care asigura dezvoltarea embrionului pana la implantare)
- spermatozoid 80-100 mitocondrii
sinteza de energie este inhibata de:
- monoxid de carbin, cianid, oxid nitric, hidrogen sulfid, acid formic (din alcool metilic)
- mutatii ale genei COX sunt asociate cu boli neurologice

7. Ceruloplasmina CP

proteina cu rol enzimatica ceruloplasmina este codificata de gena CP
este o enzima unica intre enzimele de tip cupru-oxidaza, care contine 6 domenii cupredoxin, dintre care
- domeniile 2, 4, 6 au cate un site de legare pentru un centru mononuclear tipul 1 de cupru sfera – 3xT1Cu
- intre domeniile 1 si 6 se afla un centru de tip 2 planar (1xT2Cu) si 2 centre de tip 3 dimeri (2xT3Cu) care formeaza centrul trinuclear de cupru
- prezenta ionilor de cupru ii confera culoarea albastra
cuprul din alimente ajunge la ficat prin circulatia porta legat de albumina

ceruloplasmina are urmatoarele roluri
- este principalul transportor de cupru in circulatie (6 atomi de Cu/molecula de ceruloplasmina), transportand pana la 90% din cuprul circulator posthepatic, restul de aprox. 10% finnd reprezentat de albumina si transcuprein
- are activitate de feroxidaza pentru atomii de Fe, convertind ionii de fier ferous Fe²⁺ in fier feric Fe³⁺, transportand ionii de fier impreuna cu transferina, intrucat transferina transporta numai Fe3+
- teste de laborator:
  - ceruloplasmina serica – Bioclinica dozare , Synlab, Regina Maria etc
    - se va testa ideal testarea activitatii ceruloplasminei serice fata de dozarea cantitativa a enzimei in circulatie
  - testare activitate ceruloplasmina serica – nu se lucreaza la noi
  - mutatii ale genei CP – testare genetica kit Ancestry, duc uzual la scaderea activitatii
deficitul de ceruloplasmina este datorat mutatiilor genei CP sau deficitului de cupru
exces de ceruloplasmina serica este datorat: contraceptive orale, sarcina, inflamatie

8. Haefaestina HEPH

este o proteina transmembrana cu rol in homeostazia fierului, avand rol de feroxidaza cupru-dependenta (converteste Fe²⁺ in Fe³⁺)
elibereaza fierul din enterocite in circulatie in cooperare cu ferroportina
este codificata de gena HEPH, avand expresia genica maxima in intestinul subtire, in vili, fiind absenta in cripte
prezinta homologie structurata 50% cu ceruloplasmina
mutatiile combinate de HEPH si CP sunt asociate cu degenerescenta maculara

9. Diaminoxidaza DAO

diaminoxidaza este enzima care degradeaza histamina la nivel circulator, substantele cu rol alergic (spermina, putresceina, raspuns imun, proliferare celulara)
cofactori pentru enzima DAO: B6, Cu
expresia enzimei este in principal in: rinichi, intestin, placenta
functia DAO este de gasi histamina circulanta (precum si alte diamine precum putresceina, spermidina) si de a o degrada prin deaminare oxidativa
mutatiile genei DAO sunt asociate cu
- boli inflamatorii gastrointestinale (alergii alimentare, enteropatie sensibila la gluten, boala Crohn, colita ulcerativa)
- exces de histamina
  - intestinala
  - serica, si ulterior la nivelul
  - sistemului nervos central unde are rol de neurotransmitator excitator, ceea ce arata cat este de important cuprul in sinteza de neurotransmitatori, in acest caz prin deficit de degradare enzimatica
enzima este de tip amino-oxidaza ce contine cupru
forma activa este un homodimer cu site ul active de tip quinona. pH optim este de 7.2

10. Sinteza hemului din hemoglobina

Enzima Ferochelataza FECH incorporeaza ionii de fier in gruparea hem, care reprezinta legatura intre metabolismul porfirinelor si metabolismul fierului, este stimulata de cupru. De asemenea, cuprul realizeaza reversia inhibitiei ferochelatazei date de plumb Pb ++ sau cobalt Co++.

Se cunoaste ca deficitul de cupru este asociat cu anemie, ceea ce poate fi explicat printr-un defect intracelular de sinteza a hemului la nivel de ferochelataza.

11. Modularea metilarii de catre ionii de cupru

AHCY Adenozil-Homocisteinaza este o proteina foarte conservata intre organismele vii.

AHCY este enzima care catalizeaza liza reversibila a SAH (S-Adenozin-Homocisteina) in adenozina si homocisteina, fiind singura enzima capabila sa catalizeze aceasta reactie la mamifere. Deletia AHCY duce la moartea embrionului.

AHCY previne acumularea de SAH, care are efect de inhibare a enzimelor de tip metiltransferaza MT.

Ionul de Cu²⁺ divalent (oxidat), cu concentratie crescuta in stresul oxidativ, are efect de inhibare a enzimei AHCY (SAHH) prin disocierea NAD din enzima.

Capacitatea de legare a AHCY fata de cupru este similara cu cea a albuminei, ceea ce ii arata importanta in metabolismul cuprului.

De aceea, in stresul oxidativ, este necesar un aport de agenti reducatori care sa scada nivelul de Cu²⁺ divalent (oxidat), prin donarea unui electron si conversia acestuia la Cu⁺ monovalent (redus), ceea ce va scadea inhibitia AHCY si va sustine metilarea.

Deficitul de cupru

Un deficit cronic de cupru va crea deficit functional pe toate enzimele dependente de cupru:
– dopamin beta hidroxilaza cu

exces de dopamina si anxietate
deficit de norepinefrina cu tranzit intestinal lent, hipotensiune arteriala ortostatica

– diamin oxidaza cu intoleranta la histamina
– superoxid dismutaza SOD1 si SOD3 cu stres oxidativ
– citocrom c oxidaza cu deficit de sinteza de ATP si oboseala
– lysyl oxidaza cu deficit de stabilizare a colagenului si elastinei

Teste de laborator pentru evaluarea metabolismului cuprului

Testare genetica metabolica extinsa – kit Ancestry sau secventiere
Teste metabolism cupru :
- cupru eritrocitar – Synlab cod 5984
- cupru urinar in urina pe 24 ore
- cupru seric
- cupru intestinal in mf
- cupru din firul de par
- cupru in biopsia hepatica pentru boala Wilson de ex Bioclinica impreuna cu
- mutatii ale genei transportorului ATP8B hepatic cu scaderea eliminarii biliare si exces de cupru, depozitat in ficat, sistem nervos central – testare genetica pentru boala Wilson- cod 3659 Synlab
- mutatii ale genei transportorului ATP7A – sindrom Menkes cu deficit primar de cupru si deces in copilarie – testare genetica
- ceruloplasmina serica activitate (optim)
- ceruloplasmina serica – antigen
- albumina serica
- transcupreina
Zinc seric
Teste metabolism fier:
- sideremie
- saturatia transferinei
- hemoglobina (hemograma)
- feritina
- capacitatea totala de legare a fierului
- transferina
- hepcidina
Agenti reducatori
1. vitamina C serica
2. glutation seric profil total, redus, ratie
Evaluare activitate enzime dependente de cupru:
- enzima DBH
  1. Test indirect prin masurarea concentratiei de dopamina, noradrenalina (si adrenalina) in ser si in urina; deficitul de functionare al DBH va indica nivele crescute de dopamina cu un nivel foarte mic de noradrenalina, ceea ce indica blocajul conversiei sau “gatuirea” reactiei
  2. Test indirect prin masurarea concentratiei de metaboliti ai dopaminei (acid homovanilic) si ai noradrenalinei (acid vanilmandelic) in urina (testare acizi organici)
  3. Test direct prin masurarea activitatii DBH serice
- enzima DAO
  1. activitate DAO serica
- enzima SOD3
  1. activitate SOD serica

Terapia de suplimentare

Administrarea de suplimente cu cupru TREBUIE sa fie efectuata la recomandarea medicului / nutritionistului strict dupa efectuarea testelor de laborator si strict dupa excluderea bolii Wilson.

Solicitare de Consiliere nutritionala personalizata

Pentru a va programa la o consultatie nutritionala online cu primirea unui tratament nutritional personalizat, puteti lua legatura cu mine prin:

pagina de Contact.
e-mail la office@nutrigenomic.ro
formularul de mai jos.

Voi raspunde personal la solicitarea dvs.