Метаболизъм на желязото в организма

Обикновено тялото на здрав възрастен съдържа около 3-5 г желязо, следователно желязото може да се класифицира като микроелемент. Желязото е разпределено неравномерно в организма. Приблизително 2/3 от желязото се съдържа в хемоглобина на червените кръвни клетки - това е циркулиращият фонд (или пул) от желязо. При възрастни този пул е 2-2,5 г, при доносени новородени - 0,3-0,4 г, а при недоносени новородени - 0,1-0,2 г. Сравнително много желязо се съдържа в миоглобина: 0,1 г при мъжете и 0,05-0,07 г при жените. Човешкото тяло съдържа повече от 70 протеина и ензима, които включват желязо (например трансферин, лактоферин), като общото количество желязо в тях е 0,05-0,07 г. Желязото, транспортирано от транспортния протеин трансферин, съставлява около 1% (фонд за транспорт на желязо). Железните резерви (депо, резервен фонд), които съставляват около 1/3 от цялото желязо в човешкото тяло, са изключително важни за медицинската практика. Следните органи изпълняват функцията на депото:

• черен дроб;
• далак;
• костен мозък;
• мозък.

Желязото се съдържа в депото под формата на феритин. Количеството желязо в депото може да се характеризира чрез определяне на концентрацията на SF. Днес SF е единственият международно признат маркер за железни резерви. Крайният продукт на метаболизма на желязото е хемосидерин, който се отлага в тъканите.

Желязото е най-важният кофактор на ензимите от дихателната верига на митохондриите, цитратния цикъл, синтеза на ДНК, играе важна роля в свързването и транспорта на кислород от хемоглобина и миоглобина; протеините, съдържащи желязо, са необходими за метаболизма на колаген, катехоламини, тирозин. Поради каталитичното действие на желязото в реакцията Fe2 ^* <--> Fe3 ^, свободното нехелирано желязо образува хидроксилни радикали, които могат да причинят увреждане на клетъчните мембрани и клетъчна смърт. В процеса на еволюция защитата от вредното действие на свободното желязо е решена чрез образуване на специализирани молекули за усвояване на желязо от храната, неговото усвояване, транспорт и отлагане в нетоксична разтворима форма. Транспортът и отлагането на желязо се осъществяват от специални протеини: трансферин, трансферинов рецептор, феритин. Синтезът на тези протеини се регулира от специален механизъм и зависи от нуждите на организма.

[ 1 ], [ 2 ], [ 3 ], [ 4 ]

Метаболизмът на желязо при здрав човек е затворен в цикъл

Всеки ден човек губи около 1 мг желязо с биологични течности и десквамиран епител на стомашно-чревния тракт. Точно същото количество може да се абсорбира в стомашно-чревния тракт от храната. Трябва ясно да се разбира, че желязото постъпва в организма само с храната. По този начин, всеки ден се губи 1 мг желязо и се абсорбира 1 мг. В процеса на разрушаване на старите еритроцити се освобождава желязо, което се усвоява от макрофагите и се използва повторно при изграждането на хем. Тялото има специален механизъм за абсорбция на желязо, но то се отделя пасивно, тоест няма физиологичен механизъм за отделяне на желязо. Следователно, ако абсорбцията на желязо от храната не отговаря на нуждите на организма, възниква железен дефицит, независимо от причината.

Разпределение на желязото в тялото

1. 70% от общото количество желязо в организма е част от хемопротеините; това са съединения, в които желязото е свързано с порфирин. Основният представител на тази група е хемоглобинът (58% желязо); освен това, тази група включва миоглобин (8% желязо), цитохроми, пероксидази, каталази (4% желязо).
2. Група нехемови ензими - ксантин оксидаза, NADH дехидрогеназа, аконитаза; тези желязосъдържащи ензими са локализирани главно в митохондриите, играят важна роля в процеса на окислително фосфорилиране и електронен транспорт. Съдържат много малко метал и не влияят на общия железен баланс; синтезът им обаче зависи от снабдяването на тъканите с желязо.
3. Транспортната форма на желязото е трансферинът, лактоферин, нискомолекулен железен носител. Основният транспортен феропротеин на плазмата е трансферинът. Този протеин от бета-глобулиновата фракция с молекулно тегло 86 000 има 2 активни центъра, всеки от които може да прикрепи един Fe3 ⁺ атом. В плазмата има повече места за свързване на желязо, отколкото железни атоми, и по този начин в нея няма свободно желязо. Трансферинът може да се свързва и с други метални йони - мед, манган, хром, но с различна селективност, а желязото се свързва предимно и по-здраво. Основното място на синтез на трансферин са чернодробните клетки. С повишаване на нивото на отложено желязо в хепатоцитите, синтезът на трансферин е забележимо намален. Трансферинът, който пренася желязо, е активен за нормоцитите и ретикулоцитите, а количеството на абсорбция на метал зависи от наличието на свободни рецептори на повърхността на еритроидните прекурсори. Ретикулоцитната мембрана има значително по-малко места за свързване на трансферин, отколкото пронормоцитната, което означава, че усвояването на желязо намалява с напредване на възрастта на еритроидните клетки. Нискомолекулните железни носители осигуряват вътреклетъчен транспорт на желязо.
4. Депозирано, резервно или резервно желязо може да бъде в две форми - феритин и хемосидерин. Съединението на резервното желязо се състои от протеина апоферитин, чиито молекули обграждат голям брой железни атоми. Феритинът е кафяво съединение, разтворимо във вода, съдържа 20% желязо. При прекомерно натрупване на желязо в организма, синтезът на феритин рязко се увеличава. Молекулите на феритин присъстват в почти всички клетки, но особено много от тях са в черния дроб, далака, костния мозък. Хемосидеринът присъства в тъканите като кафяв, гранулиран, неразтворим във вода пигмент. Съдържанието на желязо в хемосидерина е по-високо, отколкото във феритина - 40%. Увреждащият ефект на хемосидерина в тъканите е свързан с увреждане на лизозомите, натрупване на свободни радикали, което води до клетъчна смърт. При здрав човек 70% от резервното желязо е под формата на феритин, а 30% под формата на хемосидерин. Скоростта на усвояване на хемосидерин е значително по-ниска от тази на феритина. Запасите от желязо в тъканите могат да бъдат оценени въз основа на хистохимични изследвания, използвайки полуколичествен метод за оценка. Преброява се броят на сидеробластите - ядрени еритроидни клетки, съдържащи различно количество нехемови железни гранули. Особеността на разпределението на желязото в организма на малките деца е, че те имат по-високо съдържание на желязо в еритроидните клетки и по-малко желязо в мускулната тъкан.

Регулацията на железния баланс се основава на принципите на почти пълното повторно използване на ендогенното желязо и поддържането на необходимото ниво поради абсорбция в стомашно-чревния тракт. Полуживотът на екскреция на желязо е 4-6 години.

[ 5 ], [ 6 ], [ 7 ], [ 8 ], [ 9 ], [ 10 ], [ 11 ], [ 12 ], [ 13 ], [ 14 ]

Усвояване на желязо

Абсорбцията се осъществява главно в дванадесетопръстника и началния отдел на йеюнума. При железен дефицит в организма, зоната на абсорбция се простира в дистална посока. Дневната диета обикновено съдържа около 10-20 mg желязо, но само 1-2 mg се абсорбират в стомашно-чревния тракт. Абсорбцията на хемовото желязо значително надвишава приема на неорганично желязо. Няма ясно мнение относно влиянието на валентността на желязото върху абсорбцията му в стомашно-чревния тракт. В. И. Никуличева (1993) смята, че Fe2 ⁺ практически не се абсорбира нито при нормални, нито при излишни концентрации. Според други автори абсорбцията на желязо не зависи от неговата валентност. Установено е, че решаващият фактор не е валентността на желязото, а неговата разтворимост в дванадесетопръстника при алкална реакция. Стомашният сок и солната киселина участват в абсорбцията на желязо, осигуряват възстановяването на оксидната форма (Fe2H4 ⁾ до оксидна форма (Fe2 ⁺ ), йонизацията и образуването на компоненти, достъпни за абсорбция, но това се отнася само за нехемовото желязо и не е основният механизъм за регулиране на абсорбцията.

Процесът на абсорбция на хемовото желязо не зависи от стомашната секреция. Хемовото желязо се абсорбира под формата на порфиринова структура и едва в чревната лигавица се отделя от хема и образува йонизирано желязо. Желязото се абсорбира по-добре от месни продукти (9-22%), съдържащи хемово желязо, и много по-лошо от растителни продукти (0,4-5%), които съдържат нехемово желязо. Желязото се абсорбира от месните продукти по различни начини: желязото се абсорбира по-лошо от черния дроб, отколкото от месото, тъй като желязото в черния дроб се съдържа под формата на хемосидерин и феритин. Варенето на зеленчуци в голямо количество вода може да намали съдържанието на желязо с 20 %.

Усвояването на желязо от кърмата е уникално, въпреки че съдържанието му е ниско - 1,5 мг/л. Освен това, кърмата увеличава усвояването на желязо от други продукти, консумирани едновременно с нея.

По време на храносмилането желязото навлиза в ентероцита, откъдето преминава в кръвната плазма по концентрационния градиент. При дефицит на желязо в организма, пренасянето му от лумена на стомашно-чревния тракт към плазмата се ускорява. При излишък на желязо в организма, основната част от желязото се задържа в клетките на чревната лигавица. Ентероцитът, зареден с желязо, се придвижва от основата към върха на въсината и се губи с десквамирания епител, което предотвратява навлизането на излишния метал в тялото.

Процесът на усвояване на желязо в стомашно-чревния тракт се влияе от различни фактори. Наличието на оксалати, фитати, фосфати и танини в домашните птици намалява усвояването на желязо, тъй като тези вещества образуват комплекси с желязото и го извеждат от организма. Напротив, аскорбиновата, янтарната и пирувиновата киселини, фруктозата, сорбитолът и алкохолът усилват усвояването на желязото.

В плазмата желязото се свързва с неговия носител, трансферин. Този протеин транспортира желязото предимно до костния мозък, където желязото прониква в еритроцитите, а трансферинът се връща в плазмата. Желязото навлиза в митохондриите, където се осъществява синтезът на хем.

По-нататъшният път на желязото от костния мозък може да се опише по следния начин: по време на физиологична хемолиза, от еритроцитите се освобождават 15-20 mg желязо на ден, което се използва от фагоцитните макрофаги; след това основната част от него отново отива за синтез на хемоглобин и само малко количество остава под формата на резервно желязо в макрофагите.

30% от общото съдържание на желязо в организма не се използва за еритропоеза, а се отлага в депа. Желязото под формата на феритин и хемосидерин се съхранява в паренхимните клетки, главно в черния дроб и далака. За разлика от макрофагите, паренхимните клетки консумират желязо много бавно. Приемът на желязо от паренхимните клетки се увеличава при значителен излишък на желязо в организма, хемолитична анемия, апластична анемия, бъбречна недостатъчност и намалява при тежък дефицит на метали. Освобождаването на желязо от тези клетки се увеличава при кървене и намалява при кръвопреливания.

Цялостната картина на метаболизма на желязото в организма ще бъде непълна, ако не вземем предвид тъканното желязо. Количеството желязо, което е част от фероензимите, е малко - само 125 мг, но значението на ензимите за тъканно дишане е трудно да се надцени: без тях животът на която и да е клетка би бил невъзможен. Запасът от желязо в клетките ни позволява да избегнем пряката зависимост на синтеза на желязосъдържащи ензими от колебанията в приема и разхода му в организма.

[ 15 ], [ 16 ], [ 17 ], [ 18 ], [ 19 ]

Физиологични загуби и особености на метаболизма на желязото

Физиологичните загуби на желязо от организма на възрастен са около 1 мг на ден. Желязото се губи с ексфолиращ кожен епител, епидермални придатъци, пот, урина, изпражнения и ексфолиращ чревен епител. При жените желязото се губи и с кръвта по време на менструация, бременност, раждане и кърмене, което е около 800-1000 мг. Метаболизмът на желязото в организма е показан на диаграма 3. Интересно е да се отбележи, че съдържанието на желязо в серума и насищането на трансферина се променят през деня. Високи концентрации на желязо в серума се наблюдават сутрин, а ниски стойности вечер. Липсата на сън при хората води до постепенно намаляване на съдържанието на желязо в серума.

Метаболизмът на желязото в организма се влияе от микроелементи: мед, кобалт, манган, никел. Медта е необходима за усвояването и транспорта на желязото; нейният ефект се осъществява чрез цитохром оксидаза, церулоплазмин. Ефектът на мангана върху процеса на хематопоеза е неспецифичен и е свързан с високия му окислителен капацитет.

За да разберем защо железният дефицит е най-често срещан при малки деца, юноши и жени в детеродна възраст, нека разгледаме характеристиките на железния метаболизъм в тези групи.

Натрупването на желязо в плода се случва през цялата бременност, но най-интензивно (40%) през последния триместър. Следователно, преждевременното раждане от 1-2 месеца води до намаляване на запасите от желязо с 1,5-2 пъти в сравнение с доносените деца. Известно е, че плодът има положителен железен баланс, протичащ срещу концентрационния градиент в полза на плода. Плацентата по-интензивно улавя желязото от костния мозък на бременната жена и има способността да абсорбира желязо от хемоглобина на майката.

Съществуват противоречиви данни за ефекта на железния дефицит при майката върху железните запаси на плода. Някои автори смятат, че сидеропенията по време на бременност не влияе на железните запаси на плода; други смятат, че има пряка връзка. Може да се предположи, че намаляването на съдържанието на желязо в организма на майката води до дефицит на железни запаси у новороденото. Развитието на желязодефицитна анемия поради вроден железен дефицит обаче е малко вероятно, тъй като честотата на желязодефицитна анемия, нивата на хемоглобина и серумното желязо през първия ден след раждането и през следващите 3-6 месеца не се различават при деца, родени от здрави майки, и майки с желязодефицитна анемия. Съдържанието на желязо в организма на доносено и недоносено новородено е 75 mg/kg.

При децата, за разлика от възрастните, желязото, получено чрез храната, трябва не само да попълни физиологичните загуби на този микроелемент, но и да задоволи нуждите от растеж, които са средно 0,5 мг/кг на ден.

По този начин, основните предпоставки за развитие на железен дефицит при недоносени бебета, деца от многоплодна бременност и деца под 3-годишна възраст са:

• бързо изчерпване на резервите поради недостатъчен екзогенен прием на желязо;
• повишена нужда от желязо.

Метаболизъм на желязо при юноши

Характерна особеност на метаболизма на желязото при юноши, особено при момичета, е изразеното несъответствие между повишената нужда от този микроелемент и ниския му прием в организма. Причините за това несъответствие са: бърз растеж, неправилно хранене, спортни дейности, обилна менструация и първоначално ниско ниво на желязо.

При жени в детеродна възраст основните фактори, водещи до развитие на железен дефицит в организма, са обилна и продължителна менструация, многоплодна бременност. Дневната нужда от желязо за жени, които губят 30-40 мл кръв по време на менструация, е 1,5-1,7 мг/ден. При по-голяма кръвозагуба нуждата от желязо се увеличава до 2,5-3 мг/ден. Всъщност, през стомашно-чревния тракт могат да постъпят само 1,8-2 мг/ден, т.е. 0,5-1 мг/ден желязо не могат да бъдат попълнени. По този начин, дефицитът на микроелемента ще бъде 15-20 мг на месец, 180-240 мг годишно, 1,8-2,4 г на 10 години, т.е. този дефицит надвишава съдържанието на резервно желязо в организма. Освен това, броят на бременностите, интервалът между тях и продължителността на кърменето са от значение за развитието на железен дефицит при жената.