Metabolizm żelaza w organizmie

Normalnie ciało zdrowego dorosłego człowieka zawiera około 3-5 g żelaza, zatem żelazo można zaliczyć do mikroelementów. Żelazo jest nierównomiernie rozłożone w organizmie. Około 2/3 żelaza znajduje się w hemoglobinie czerwonych krwinek - jest to krążący fundusz (lub pula) żelaza. U dorosłych pula ta wynosi 2-2,5 g, u noworodków donoszonych - 0,3-0,4 g, a u wcześniaków - 0,1-0,2 g. Relatywnie dużo żelaza znajduje się w mioglobinie: 0,1 g u mężczyzn i 0,05-0,07 g u kobiet. Ciało ludzkie zawiera ponad 70 białek i enzymów, do których należy żelazo (na przykład transferyna, laktoferyna), całkowita ilość żelaza w nich wynosi 0,05-0,07 g. Żelazo transportowane przez białko transportowe transferynę stanowi około 1% (fundusz transportu żelaza). Rezerwy żelaza (depot, fundusz rezerwowy), które stanowią około 1/3 całego żelaza w ciele człowieka, są niezwykle ważne dla praktyki medycznej. Następujące organy pełnią funkcję depot:

• wątroba;
• śledziona;
• szpik kostny;
• mózg.

Żelazo jest zawarte w depozycie w postaci ferrytyny. Ilość żelaza w depozycie można scharakteryzować, określając stężenie SF. Obecnie SF jest jedynym międzynarodowo uznanym markerem rezerw żelaza. Końcowym produktem metabolizmu żelaza jest hemosyderyna, która jest odkładana w tkankach.

Żelazo jest najważniejszym kofaktorem enzymów łańcucha oddechowego mitochondriów, cyklu cytrynianowego, syntezy DNA, odgrywa ważną rolę w wiązaniu i transporcie tlenu przez hemoglobinę i mioglobinę; białka zawierające żelazo są niezbędne do metabolizmu kolagenu, katecholamin, tyrozyny. Ze względu na katalityczne działanie żelaza w reakcji Fe ² * <--> Fe ³, wolne niechelatowane żelazo tworzy rodniki hydroksylowe, które mogą powodować uszkodzenia błon komórkowych i śmierć komórek. W procesie ewolucji ochrona przed szkodliwym działaniem wolnego żelaza została rozwiązana poprzez utworzenie wyspecjalizowanych cząsteczek do wchłaniania żelaza z pożywienia, jego wchłaniania, transportu i odkładania w nietoksycznej postaci rozpuszczalnej. Transport i odkładanie żelaza są realizowane przez specjalne białka: transferynę, receptor transferyny, ferrytynę. Synteza tych białek jest regulowana przez specjalny mechanizm i zależy od potrzeb organizmu.

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

Metabolizm żelaza u zdrowego człowieka przebiega w cyklu zamkniętym

Człowiek traci dziennie około 1 mg żelaza z płynami biologicznymi i złuszczonym nabłonkiem przewodu pokarmowego. Dokładnie taka sama ilość może zostać wchłonięta w przewodzie pokarmowym z pożywienia. Należy jasno zrozumieć, że żelazo dostaje się do organizmu tylko z pożywieniem. Tak więc każdego dnia traci się 1 mg żelaza, a 1 mg jest wchłaniane. W procesie niszczenia starych erytrocytów uwalniane jest żelazo, które jest wykorzystywane przez makrofagi i ponownie wykorzystywane w budowie hemu. Organizm ma specjalny mechanizm wchłaniania żelaza, ale jest ono wydalane biernie, to znaczy nie ma fizjologicznego mechanizmu wydalania żelaza. Dlatego jeśli wchłanianie żelaza z pożywienia nie zaspokaja potrzeb organizmu, niedobór żelaza występuje niezależnie od przyczyny.

Dystrybucja żelaza w organizmie

1. 70% całkowitej ilości żelaza w organizmie stanowi część hemoprotein; są to związki, w których żelazo jest związane z porfiryną. Głównym przedstawicielem tej grupy jest hemoglobina (58% żelaza); ponadto do tej grupy zalicza się mioglobinę (8% żelaza), cytochromy, peroksydazy, katalazy (4% żelaza).
2. Grupa enzymów niehemowych - oksydaza ksantynowa, dehydrogenaza NADH, akonitaza; te zawierające żelazo enzymy zlokalizowane są głównie w mitochondriach, odgrywają ważną rolę w procesie fosforylacji oksydacyjnej, transportu elektronów. Zawierają bardzo mało metalu i nie wpływają na ogólny bilans żelaza; jednak ich synteza zależy od dostarczania żelaza do tkanek.
3. Formą transportową żelaza jest transferyna, laktoferyna, niskocząsteczkowy nośnik żelaza. Głównym ferroproteinem transportowym osocza jest transferyna. To białko frakcji beta-globuliny o masie cząsteczkowej 86 000 ma 2 miejsca aktywne, z których każde może przyłączyć jeden atom Fe3 ⁺. W osoczu jest więcej miejsc wiążących żelazo niż atomów żelaza, a zatem nie ma w nim wolnego żelaza. Transferyna może wiązać również inne jony metali - miedź, mangan, chrom, ale z różną selektywnością, a żelazo jest wiązane przede wszystkim i mocniej. Głównym miejscem syntezy transferyny są komórki wątroby. Wraz ze wzrostem poziomu odłożonego żelaza w hepatocytach synteza transferyny jest zauważalnie zmniejszona. Transferyna, która przenosi żelazo, jest chciwa dla normocytów i retikulocytów, a ilość wchłaniania metalu zależy od obecności wolnych receptorów na powierzchni prekursorów erytrocytów. Błona retikulocytu ma znacznie mniej miejsc wiązania transferyny niż pronormocyt, co oznacza, że wychwyt żelaza zmniejsza się wraz ze starzeniem się erytrocytów. Niskocząsteczkowe nośniki żelaza zapewniają wewnątrzkomórkowy transport żelaza.
4. Zdeponowane, rezerwowe lub zapasowe żelazo może występować w dwóch formach - ferrytyny i hemosyderyny. Związek żelaza rezerwowego składa się z białka apoferrytyny, którego cząsteczki otaczają dużą liczbę atomów żelaza. Ferrytyna jest brązowym związkiem, rozpuszczalnym w wodzie, zawiera 20% żelaza. Przy nadmiernym gromadzeniu żelaza w organizmie synteza ferrytyny gwałtownie wzrasta. Cząsteczki ferrytyny występują niemal we wszystkich komórkach, ale szczególnie dużo ich jest w wątrobie, śledzionie, szpiku kostnym. Hemosyderyna występuje w tkankach jako brązowy, ziarnisty, nierozpuszczalny w wodzie pigment. Zawartość żelaza w hemosyderynie jest wyższa niż w ferrytynie - 40%. Niszczące działanie hemosyderyny w tkankach wiąże się z uszkodzeniem lizosomów, gromadzeniem się wolnych rodników, co prowadzi do śmierci komórek. U zdrowej osoby 70% żelaza rezerwowego występuje w postaci ferrytyny, a 30% w postaci hemosyderyny. Szybkość wykorzystania hemosyderyny jest znacznie niższa niż ferrytyny. Rezerwy żelaza w tkankach można ocenić na podstawie badań histochemicznych, stosując półilościową metodę oceny. Liczona jest liczba syderoblastów - jądrowych komórek erytroblastycznych zawierających różne ilości granulek żelaza niehemowego. Specyfiką dystrybucji żelaza w organizmie małych dzieci jest to, że mają one wyższą zawartość żelaza w komórkach erytroblastycznych i mniejszą w tkance mięśniowej.

Regulacja równowagi żelaza opiera się na zasadach niemal całkowitego ponownego wykorzystania endogennego żelaza i utrzymania wymaganego poziomu dzięki wchłanianiu w przewodzie pokarmowym. Okres półtrwania wydalania żelaza wynosi 4-6 lat.

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

Wchłanianie żelaza

Wchłanianie zachodzi głównie w dwunastnicy i początkowym odcinku jelita czczego. W przypadku niedoboru żelaza w organizmie strefa wchłaniania rozszerza się w kierunku dystalnym. Dzienna dieta zawiera zwykle około 10-20 mg żelaza, ale w przewodzie pokarmowym wchłania się tylko 1-2 mg. Wchłanianie żelaza hemowego znacznie przewyższa spożycie żelaza nieorganicznego. Nie ma jednoznacznej opinii na temat wpływu wartościowości żelaza na jego wchłanianie w przewodzie pokarmowym. VI Nikuliczewa (1993) uważa, że Fe ²⁺ praktycznie nie wchłania się ani w normalnych, ani w nadmiernych stężeniach. Według innych autorów wchłanianie żelaza nie zależy od jego wartościowości. Ustalono, że decydującym czynnikiem nie jest wartościowość żelaza, ale jego rozpuszczalność w dwunastnicy przy odczynie zasadowym. Sok żołądkowy i kwas solny uczestniczą w absorpcji żelaza, zapewniają przywrócenie formy tlenku (Fe3H4 ⁾ do formy tlenku (Fe2 ⁺ ), jonizację i tworzenie składników dostępnych do wchłonięcia, ale dotyczy to tylko żelaza niehemowego i nie jest głównym mechanizmem regulującym wchłanianie.

Proces wchłaniania żelaza hemowego nie zależy od wydzielania żołądkowego. Żelazo hemowe wchłania się w postaci struktury porfirynowej i dopiero w błonie śluzowej jelita oddziela się od hemu i tworzy żelazo zjonizowane. Żelazo lepiej wchłania się z produktów mięsnych (9-22%) zawierających żelazo hemowe, a znacznie gorzej z produktów roślinnych (0,4-5%), które zawierają żelazo niehemowe. Żelazo wchłania się z produktów mięsnych na różne sposoby: żelazo wchłania się gorzej z wątroby niż z mięsa, ponieważ żelazo w wątrobie jest zawarte w postaci hemosyderyny i ferrytyny. Gotowanie warzyw w dużej ilości wody może zmniejszyć zawartość żelaza o 20 %.

Wchłanianie żelaza z mleka matki jest wyjątkowe, chociaż jego zawartość jest niska - 1,5 mg/l. Ponadto mleko matki zwiększa wchłanianie żelaza z innych produktów spożywanych jednocześnie z nim.

Podczas trawienia żelazo dostaje się do enterocytu, skąd przechodzi do osocza krwi wzdłuż gradientu stężeń. Gdy w organizmie występuje niedobór żelaza, jego transport ze światła przewodu pokarmowego do osocza przyspiesza. Gdy w organizmie występuje nadmiar żelaza, większość żelaza jest zatrzymywana w komórkach błony śluzowej jelita. Naładowany żelazem enterocyt przemieszcza się od podstawy do szczytu kosmka i ginie wraz z złuszczonym nabłonkiem, co zapobiega przedostawaniu się nadmiaru metalu do organizmu.

Proces wchłaniania żelaza w przewodzie pokarmowym jest pod wpływem różnych czynników. Obecność szczawianów, fitynianów, fosforanów i garbników w drobiu zmniejsza wchłanianie żelaza, ponieważ substancje te tworzą kompleksy z żelazem i usuwają je z organizmu. Natomiast kwasy askorbinowy, bursztynowy i pirogronowy, fruktoza, sorbitol i alkohol zwiększają wchłanianie żelaza.

W osoczu żelazo wiąże się ze swoim nośnikiem, transferyną. To białko transportuje żelazo głównie do szpiku kostnego, gdzie żelazo przenika do erytrocytów, a transferyna wraca do osocza. Żelazo dostaje się do mitochondriów, gdzie zachodzi synteza hemu.

Dalszą drogę żelaza ze szpiku kostnego można opisać następująco: w trakcie fizjologicznej hemolizy z erytrocytów uwalnia się 15-20 mg żelaza na dobę, które jest wykorzystywane przez fagocytujące makrofagi; następnie większa jego część trafia ponownie do syntezy hemoglobiny i tylko niewielka jego część pozostaje w postaci żelaza zapasowego w makrofagach.

30% całkowitej zawartości żelaza w organizmie nie jest wykorzystywane do erytropoezy, ale jest odkładane w depozytach. Żelazo w postaci ferrytyny i hemosyderyny jest magazynowane w komórkach miąższowych, głównie w wątrobie i śledzionie. W przeciwieństwie do makrofagów, komórki miąższowe zużywają żelazo bardzo powoli. Pobór żelaza przez komórki miąższowe wzrasta przy znacznym nadmiarze żelaza w organizmie, niedokrwistości hemolitycznej, niedokrwistości aplastycznej, niewydolności nerek i zmniejsza się przy ciężkim niedoborze metali. Uwalnianie żelaza z tych komórek wzrasta przy krwawieniu i zmniejsza się przy transfuzjach krwi.

Całościowy obraz metabolizmu żelaza w organizmie będzie niekompletny, jeśli nie weźmiemy pod uwagę żelaza tkankowego. Ilość żelaza wchodzącego w skład ferroenzymów jest niewielka - zaledwie 125 mg, ale znaczenie enzymów oddychania tkankowego jest trudne do przecenienia: bez nich życie jakiejkolwiek komórki byłoby niemożliwe. Zapas żelaza w komórkach pozwala nam uniknąć bezpośredniej zależności syntezy enzymów zawierających żelazo od wahań jego spożycia i wydatkowania w organizmie.

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

Straty fizjologiczne i cechy metabolizmu żelaza

Fizjologiczne straty żelaza z organizmu osoby dorosłej wynoszą około 1 mg na dobę. Żelazo jest tracone wraz z złuszczającym się nabłonkiem skóry, przydatkami naskórka, potem, moczem, kałem i złuszczającym się nabłonkiem jelitowym. U kobiet żelazo jest również tracone z krwią podczas menstruacji, ciąży, porodu i laktacji, co stanowi około 800-1000 mg. Metabolizm żelaza w organizmie przedstawiono na schemacie 3. Interesujące jest to, że zawartość żelaza w surowicy i nasycenie transferyny zmieniają się w ciągu dnia. Wysokie stężenia żelaza w surowicy obserwuje się rano, a niskie wieczorem. Niedobór snu u ludzi prowadzi do stopniowego spadku zawartości żelaza w surowicy.

Na metabolizm żelaza w organizmie wpływają pierwiastki śladowe: miedź, kobalt, mangan, nikiel. Miedź jest niezbędna do wchłaniania i transportu żelaza; jej działanie jest realizowane poprzez oksydazę cytochromową, ceruloplazminę. Wpływ manganu na proces hematopoezy jest niespecyficzny i wiąże się z jego wysoką zdolnością utleniającą.

Aby zrozumieć, dlaczego niedobór żelaza występuje najczęściej u małych dzieci, dziewcząt w okresie dojrzewania i kobiet w wieku rozrodczym, przyjrzyjmy się charakterystyce metabolizmu żelaza w tych grupach.

Akumulacja żelaza u płodu następuje w trakcie ciąży, ale najbardziej intensywnie (40%) w ostatnim trymestrze. Dlatego wcześniactwo 1-2 miesięcy prowadzi do zmniejszenia podaży żelaza o 1,5-2 razy w porównaniu do dzieci donoszonych. Wiadomo, że płód ma dodatni bilans żelaza, idący wbrew gradientowi stężeń na korzyść płodu. Łożysko wychwytuje żelazo intensywniej niż szpik kostny kobiety ciężarnej i ma zdolność wchłaniania żelaza z hemoglobiny matki.

Istnieją sprzeczne dane na temat wpływu niedoboru żelaza u matki na zapasy żelaza u płodu. Niektórzy autorzy uważają, że syderopenia w ciąży nie wpływa na zapasy żelaza u płodu; inni uważają, że istnieje bezpośredni związek. Można założyć, że spadek zawartości żelaza w organizmie matki prowadzi do niedoboru zapasów żelaza u noworodka. Jednak rozwój niedokrwistości z niedoboru żelaza z powodu wrodzonego niedoboru żelaza jest mało prawdopodobny, ponieważ częstość występowania niedokrwistości z niedoboru żelaza, poziomy hemoglobiny i żelazo w surowicy w pierwszej dobie po urodzeniu i w ciągu następnych 3-6 miesięcy nie różnią się u dzieci urodzonych przez zdrowe matki i matki z niedokrwistością z niedoboru żelaza. Zawartość żelaza w organizmie noworodka urodzonego o czasie i wcześniaka wynosi 75 mg/kg.

U dzieci, w przeciwieństwie do dorosłych, żelazo pochodzące z pożywienia musi nie tylko uzupełniać fizjologiczne straty tego mikroelementu, ale także zaspokajać potrzeby wzrostowe, których średnia ilość wynosi 0,5 mg/kg na dobę.

Tak więc głównymi przesłankami rozwoju niedoboru żelaza u wcześniaków, dzieci z ciąż mnogich i dzieci poniżej 3 roku życia są:

• szybkie wyczerpywanie się rezerw wskutek niewystarczającej podaży żelaza z zewnątrz;
• zwiększone zapotrzebowanie na żelazo.

Metabolizm żelaza u młodzieży

Cechą metabolizmu żelaza u młodzieży, zwłaszcza dziewcząt, jest wyraźna rozbieżność między zwiększonym zapotrzebowaniem na ten mikroelement a jego niskim spożyciem przez organizm. Przyczynami tej rozbieżności są: szybki wzrost, złe odżywianie, aktywność sportowa, obfite miesiączki i początkowo niski poziom żelaza.

U kobiet w wieku rozrodczym głównymi czynnikami prowadzącymi do rozwoju niedoboru żelaza w organizmie są obfite i przedłużające się miesiączki, ciąże mnogie. Dzienne zapotrzebowanie na żelazo u kobiet, które tracą 30-40 ml krwi podczas menstruacji, wynosi 1,5-1,7 mg/dobę. Przy większej utracie krwi zapotrzebowanie na żelazo wzrasta do 2,5-3 mg/dobę. W rzeczywistości tylko 1,8-2 mg/dobę może przedostać się przez przewód pokarmowy, czyli 0,5-1 mg/dobę żelaza nie można uzupełnić. Tak więc niedobór mikroelementów wyniesie 15-20 mg miesięcznie, 180-240 mg rocznie, 1,8-2,4 g na 10 lat, czyli niedobór ten przekracza zawartość żelaza zapasowego w organizmie. Ponadto, liczba ciąż, odstęp między nimi i czas trwania laktacji mają znaczenie dla rozwoju niedoboru żelaza u kobiety.