microbik.ru
1 2

                              ЖЕЛЕЗО


 

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Биологическая роль железа

Железосодержащие органические соединения в организме человека

Кинетика обмена железа

Этиология дефицита железа

Роль питания

Диагностическое и лечебное применение железа

Библиография

  

 

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ЖЕЛЕЗА


Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на
класса макроэлементы и микроэлементы. Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах ( порядка нескольких граммов в сутки ). Часто они выполняют более чем одну функцию. Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют незаменимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов, т.е.
сопоставима с потребностью в витаминах. Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов. Большинство незаменимых микроэлементов служит в
качестве кофакторов или простетических групп ферментов. При этом они выполняют какую-нибудь одну функцию из трех (по меньшей мере ) возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той иди иной химической реакции, скорость которой в значительной степени возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых, ионметалла может образовывать комплекс одновременно и с субстратом
и с активным центром фермента, в результате оба они сближаются друг с другом и переходят в активную форму. Наконец, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определенной стадии каталитического цикла.

 

Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно.


Значение железа для организма человека, как и в целом для живой природы, трудно переоценить.

  Подтверждением этому может быть не только большая распространенность его в природе, но и важная роль в сложных метаболических процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа
определяется многогранностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных

биохимических процессах , активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное
функционирование тканей и организма человека.


Железо принадлежит к восьмой группе элементов периодической системы Д. И. Менделеева

  (атомный номер 26, атомный вес 55,847 , плотность 7,86 г/ см). Ценным его свойством
является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со

  значительно отличающимися биохимическими свойствами, непосредственно участвовать в
реакциях электронного транспорта.


ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ      ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ         В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА


Железо , находящееся в организме человека, можно разбить на 2 большие группы : клеточное и

  внеклеточное . с оединения железа в клетке, отличающиеся различным строением, обладают

  характерной только для них функциональной активностью   биологической ролью для организма. В свою очередь их можно
подразделить на 4 группы:

1. гемопротеины , основным структурным элементом которых является гем (гемоглобин, миоглобин,

  цитохромы , каталаза и пероксидаза );

2. железосодержащие ферменты негеминовой группы ( сукцинатде гидрогеназа , ацетил коэнзим А –

  дегидрогеназа , НАДН , цитохром   едуктаза и др.);
3. ферритин и гемосидерин внутренних органов;
4. железо, рыхло связанное с белками и другими органическими
веществами.

Ко второй группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки трансферрин и лактоферрин ,
содержащиеся во внеклеточных жидкостях.


КЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО


   Гемоглобин ,       содержащийся в эритроцитах, выполняет важную    для     организма

газотранспортную     функцию -   переносит экзогенный   кислород   и   эндогенный   углекислый газ.  

Эритроцит      по отношению   к   гемоглобину   играет   роль   буферной системы, способной

регулировать общую величину газотранспортной функции.

 

  Дыхательный пигмент крови - сложный белок, состоящий из белковой молекулы - глобина, соединенной полипептидными цепочками с 4 комплексами гема . Глобин состоит из 2 пар (    ) полипептидных цепочек, каждая   из   которых

содержит   141-146 аминокислот. Гем , составляющий 4% веса молекулы гемоглобина, содержит железо в

центре порфиринового кольца.   У здорового человека гемоглобин гетерогенен. Нормальный эритроцит содержит приблизительно 30 пг . гемоглобина, в котором находится 0,34% железа.


Миоглобин - дыхательный белок сердечной и келетной мускулатуры. Он состоит из единственной

Полипептидной цепочки, содержащей 153 аминокислоты и соединенный с гемпростетической

группой. Основной функцией миоглобина является транспортировка кислорода через клетку и регуляция его
содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит
0,34% железа. Миоглобин депонирует кислород во время сокращения мышц, а при их поражении он может попадать в кровь и
выделяться с мочой.

Железосодержащие ферменты и негеминовое железо клетки находится главным образом в

митохондриях . Наиболее изученными и важными для организма ферментами являются цитохромы ,

каталаза и пероксидаза .


Цитохромы делятся на 4 группы в зависимости от строения геминовой группы :

 

А - цитохромы с гем - группой, соединяющей формилпорфин ;

В - цитохромы с протогем - группой;

С - цигохромы с замещенной мезогем - группой;

Д - цитохромы с гем - группой, соединяющей дегидропорфин .

 

      В организме человека содержатся следующие цитохромы : а 1 , аз, в, в5, с, с1, Р450. Они представляют

собой липидные комплексы гемопротеинов и прочно связаны с мембраной митохондрии. Однако,

цитохромы в5 и Р450 находятся в эндоплазматическом ретикулюме , а микросомы содержат

НАДН- цитохром С - редуктазу . Существует   мнение, что митохондриальное дыхание необходимо для

Процессов ифференцировки тканей, а внемитохондриальное играет важную роль в процессах роста

и дыхания клетки. Основной биологической ролью большинства цитохромов является участие в переносе
электронов, лежащих в основе процессов терминального окисления в тканях.

Цитохромоксидаза является конечным ферментом митохондриального транспорта электронов –

Электронотранспортной епочки , ответственным за образование АТФ при окислительном
фосфолировании в митохондриях. Показана тесная зависимость между содержанием этого фермента в

тканях и утилизацией ими кислорода.

  Каталаза , как и цитохромоксидаза , состоит из единственной полипептидной цепочки, соединенной с

гем - группой. Она является одним из важнейших ферментов, предохраняющих ритроциты от

окислительного гемолиза. Каталаза выполняет войную функцию в зависимости от концентрации

перекиси водорода в клетке. При высокой концентрации перекиси водорода фермент катализирует

еакцию ее разложения, а при низкой - и в присутствии донора водорода   (метанол, этанол и др.)

становится реобладающей пероксидазная активность каталазы.
  Пероксидаза содержится преимущественно в лейкоцитах и слизистой тонкого кишечника у человека.

Она также обладает защитной ролью, предохраняя клетки от их разрушения перекисными

соединениями. Миелопероксидаза – железосодержащий геминовый фермент, находящийся в

азурофильных гранулах нейтрофильных лейкоцитов и освобождается в фагоцитирующие вакуоли

в течение лизиса гранул.

  Активированное этим ферментом разрушение белка клеточной стенки бактерий является смертельным

  для микроорганизма, активированное им йодинирование частиц относится к бактерицидной

функции лейкоцитов.     
    К железосодержащим относятся и флавопротеи новые ферменты , в которых железо не включено в

геминовую группу и необходимо только для реакций переноса.

Наиболее изученной является сукцинат дегидрогеназа ,

которая наиболее активна в цикле трикарбоновых кисло т.   Митохондриальные мембраны

свободно проницаемы для субстрата фермента.

Негеминовое железо, локализующееся главным образом в митохондриях клетки, играет существенную

роль в дыхании   клетки, участвуя в окислительном фосфолировании и транспорте электронов при

терминальном окислении , в цикле трикарбоновых кислот.
Ферритин и гемосидерин – запасные соединения железа в клетке, находящиеся главным образом в
ретикулоэндотелиальной системе печени, селезенки и костного мозга. Приблизительно одна треть резервного железа организма
человека, преимущественно в виде ферритина , падает на долю ечени . Запасы железа могут быть при необходимости
мобилизованы для нужд организма и предохраняют его от оксичного действия свободно циркулирующего железа.

Известно, что гепатоциты и купферовские клетки печени участвуют в создании резервного железа,

причем в нормальной печени большая часть пегом и нового железа обнаружена в гепатоцитах в виде

ферритина . При парентеральном введении железа как гепатоциты , так и кунферовские клетки печени
аккумулируют большое количество дополнительного ферритина , хотя последние имеют тенденцию

  запасать относительно больше из лишнего негеминового железа в виде гемосидерина .
Сферическая белковая оболочка молекулы ферритина состоит из 24 субъединиц, имеющих

молекулярный вес 8500 - 19000. Общий молекулярный вес апоферритина 445000. Электронно -

микроскопические исследования показали, что ферритин имеет полую оболочку с внутренним диаметром 70 - 80 А.
Оболочка имеет 6 каналов, расширяющихся кнутри ( их диаметр 9-12 А). Ядро ферритина состоит из

мицелл железо-фосфатного комплекса, имеющих кристаллическую структуру. Захват и свобождение

железа осуществляется через белковые каналы путем свободного пассажа, а его отложение и

мобилизация происходят на поверхности микрокристаллов. Стимуляция синтеза ферритина
железом является хорошо установленным фактом.
Как известно, печень является основным компонентом ретикулоэндотелиальной системы. В конце
жизнедеятельности эритроциты фагоцитируются макрофагами этой истемы , а освобождающееся железо

или оседает в печени в виде ферритина ( гемосидерина ), или возвращается в плазму крови и

захватывается в паренхиматозных клетках печени и мышц, а также в макрофагах ретикулоэндотелиаль

ной системы печени, селезенки и костного мозга.  
Гемосидерин является вторым запасным соединением железа в клетке и содержит значительно больше
железа, чем ферритин . В отличие от ферритина он нерастворим в воде. Существует достаточно

аргументированное предположение, что преобразование ферритина в гемосидерин происходит путем
постепенного перенасыщения ферритиновой молекулы железом с последующим ее разрушением и образованием зрелого
гемосидерина .
Внимание исследователей в последнее время привлекает циркулирующий в крови ферритин . Вероятно, он
происходит из клеток ретикулоэндотелиальной системы. Имеются предположения, что сывороточный

ферритин является отражением активной секреции ферритина из печеночных клеток, возможно из

связанных полисом. Таким образом, его присутствие в сыворотке в небольшом количестве не является

результатом разрушения клеток печени. Не только его происхождение, но и биологическая роль в
организме человека до настоящего времени изучены недостаточно. Не вызывает сомнений точно

установленный факт концентрация сывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда

железа в организме человека. Отметим, что хорошая зависимость отмечена между уровнем сывороточ

ного ферритина и мобилизуемыми запасами железа в организме человека, изученных с помощью

количественных кровопусканий, а также между ферритином и концентрацией негеминового железа в

тканях печени, полученных с помощью биопсии у людей. Средняя концентрация го в сыворотке крови у

мужчин выше, чем у женщин, с колебаниями от 12 до 300 мкг/л.

 

 


                       ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО  


Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии - в виде железо - белковых комплексов.
Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, оставляет 10,8 - 28,8 мкмоль /л. С достаточно большими суточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль /л. Общее содержание железа во всем объеме циркулирующей плазмы у взрослого человека оставляет 3 - 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от ряда факторов: взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочнокишечном тракте. Однако наиболее важной

причиной, определяющей уровень плазменного железа, является заимодействие процессов синтеза и рас

пада эритроцитов.
Железо-связывающий белок трансферрин , открытый шведскими учеными, содержится в небольшом

количестве в плазме крови. Общая железо-связывающая способность плазмы, характеризуящаясяпрактически концентрацией трансферрина , колеблется от 44,7 до 71,6 мкмоль /л, а свободная железо-связывающая способность –

резервная емкость трансферрина - составляет 28.8 - 50.4 мкмоль /л у здорового человека.  


В плазме здорового человека трансферрин может находиться в 4 молекулярных формах:

 

1) апотрансферрина ;

моножелезистого трансферрина А - железо занимает только
А - пространство;

  моножелезистого трансферрина В - железо
занимает только В-пространство;

  дижелезистого транферрина - заняты А и В пространства.

 

Молекулярный вес трансферрина 76000 - 80000, он состоит из единственной полипептидной цепочки с
расположенными на ней двумя значительно схожими , если не идентичными, металлсвязывающими

пространствами. Эти пространства   (А и В) наиболее прочно связывают железо по сравнению с

ионами других металлов. Около 6% железо-связывающего белка составляют углеводные остатки,

находящиеся в 2 ответвляющихся цепочках и заканчивающихся сиаловой кислотой. Углеводы,

вероятно, не участвуют в механизме захвата железа. Синтезируется трансферрин преимущественно в

паренхиматозных клетках печени. Функции трансферрина в организме представляют значительный

интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и «узнает» синтезирующие

гемоглобин ретикулоциты и, возможно другие нуждающиеся в железе клетки. Трансферрин отдает

железо им только в том случае, если клетки имеют специфические рецепторы, связывающие

железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок функционирует как транспортное средство

для железа, обмен которого в организме человека зависит как от общего поступления железа в плазму

крови, так и от его количества, захваченного различными тканями соответственно количеству в них

специфических рецепторов для железа. Кроме того трансферрин обладает защитной функцией –

предохраняет ткани организма от токсического действия железа.
  Анализируя биологическую роль трансферрина в организме, следует упомянуть о результатах

Экспериментальных сследований , свидетельствующих о способности этого белка регулировать

транспорт железа из лабильных его запасов в эпителии леток желудочно-кишечного тракта в плазму

крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и

эритроцитов, в меньшей степени – клетками ретикулоэндотелиальной системы и откладывается в виде запасного
железа, некоторое количество его поступает в неэритропоэтические ткани и используется для

образования миоглобина и ферментов тканевого дыхания ( цитохромы , каталаза и т.д.). Все эти процессы
являются сложными и до конца не изученными.

  Однако некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа трансферрином клеткам

костного мозга можно представить следующим образом:
1) адсорбция трансферрина рецепторными участками на
поверхности ретикулоцитов ;
2) образование прочного соединения между трансферрином и
клеткой, возможно проникновение белка в клетку;
перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующему
гемоглобин - аппарату клетки;

освобождение трансферрина в кровь.

  Известно, что количество связывающих трансферрин пространств максимально в ранних эритроидных

предшественниках и меньшается по мере созревания этих клеток.
Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологических жидкостях: молоке,

слезах , желчи, синовиальной жидкости, панкреатическом соке и секрете тонкого кишечника.

Кроме того, он находится в специфических вторичных гранулах нейтрофильных лейкоцитов, образуясь в

Клетках иелоидного ряда со стадии промиелоцита . Подобно трансферрину , актоферрин способен связывать 2 атома железа специфическими пространствами. Он состоит из одной полипептидной цепочки, молекулярный вес

приблизительно равен 80000. В физиологических условиях этот железо-связывающий белок насыщен

железом до 20% в ничтожных количествах он содержится в плазме крови, освобождаясь в нее из нейтрофильных лейкоцитов. Несмотря на схожесть лактоферрина и трансферрина , эти железо-связывающие белки отличаются

друг от друга по антигенным свойствам, составу аминокислот, белков и углеводов.
В настоящее время известны следующие функции этого белка: бактериостатическая, участие в иммунных   роцессах и

абсорбции железа в желудочно-кишечном тракте. Свободный от железа лактоферрин - аполактоферрин обладает бактериостатическими свойствами, которые теряются при насыщении его железом. Аполактоферрин

тормозит in vitro рост бактерий и грибов, и возможно, играет роль во внутриклеточной гибели

микроорганизмов. При низкой концентрации лактоферрина в нейтрофильных лейкоцитах может

уменьшаться их бактерицидная активность.

Железосерные ферменты - это еще один важный класс железосодержащих ферментов, участвующих в

Переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий. Железосерные ферменты не содержат

гемогрупп , они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и

серы, которые   находятся в особой лабильной форме, расщепляющейся под действием кислот. К железо –

серным ферментам относится, например, ферредоксин хлоропластов, осуществляющий перенос
электронов от возбужденного светом хлорофилла на разнообразные акцепторы электронов.

 

КИНЕТИКА ОБМЕНА ЖЕЛЕЗА


Механизмом, регулирующим обмен железа в организме человека, является всасывание железа в

желудочно-кишечном тракте .   Выделение его из организма кишечником, с кожей, потом и мочой,

являющееся пассивным процессом, лимитировано.   В последние 30 лет большое количество исследований

в нашей стране и за рубежом посвящено изучению различных аспектов всасывания железа.

Однако механизм абсорбции и специфическая роль слизистой оболочки кишечника в регуляции запасов

  железа и его метаболизма не известны .


ЭТАПЫ ОБМЕНА ЖЕЛЕЗА В ОРГАНИЗМЕ


При среднем поступлении с пищей 10-20 мг железа в сутки у здорового человека не более 1-2 мг

  абсорбируется в желудочнокишечном тракте. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в

  двенадцатиперстной кишке и начальных отделах тощей кишки. Желудок играет лишь

незначительную роль в усвоении: в нем абсорбируется не более 1-2% от общего количества

поступающего в желудочно-кишечный тракт. Соотношение в пище продуктов животного и

растительного происхождения, веществ, усиливающих и тормозящих абсорбцию, функциональное и морфологическое состояние эпителия желудочнокишечного тракта все это оказывает влияние на величину усвоения железа.
Кратко остановимся на процессе всасывания железа, состоящем из
ряда последовательных этапов:


начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой
оболочки кишечника;

внутриклеточный транспорт его образование лабильных запасов
железа в клетке;

          3) освобождение железа из слизистой оболочки кишечника в кровь.

                         В экспериментальных исследованиях показано, что клетки

эпителия слизистой оболочки кишечника чрезвычайно быстро абсорбируют железо из его полости,

причем митохондрии активно участвуют в ранних механизмах транспорта железа. Значительная



следующая страница >>