Биологическая роль железа

Биологическая роль железа

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Биологическая роль железа

2. Железосодержащие органические

соединения в организме человека

3. Кинетика обмена железа

4. Этиология дефицита железа

5. Роль питания

6. Диагностическое и лечебное

применение железа

7. 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 2

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, ион

металла 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.

Соединения железа в клетке, отличающиеся

различным строением,

обладают характерной только для них

функциональной активностью

и 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 (сукцинат-де-

гидрогеназа, ацетил - коэнзим А -

дегидрогеназа, НАДН ,- цитохром

С-редуктаза 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

скелетной 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:

n А - цитохромы с гем - группой, соединяющей

формилпорфин;

n В - цитохромы с протогем - группой;

n С - цигохромы с замещенной мезогем -

группой;

n Д - цитохромы с гем - группой, соединяющей

дегидропорфин.

В организме

человека содержатся следующие цитохромы:

а1, 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

дифференцировки 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

цепочки, 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

эритроциты от окислительного гемолиза.

Каталаза выполняет

двойную функцию в зависимости от концентрации

перекиси

водорода в клетке. При высокой концентрации

перекиси водорода

фермент катализирует реакцию ее разложения, а

при низкой - и в

присутствии донора водорода (метанол, этанол

и др.) становится

преобладающей 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, а

активированное им йодинирование частиц

относится к бактерицидной

функции лейкоцитов. .

К железосодержащим

относятся и флавопротеиновые ферменты,

в которых железо не включено в геминовую

группу и необходимо только для реакций

переноса.

Наиболее изученной

является сукцинатдегидрогеназа,

которая наиболее активна в цикле

трикарбоновых кислот. 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

печени. Запасы железа могут быть при

необходимости

мобилизованы для нужд организма и

предохраняют его от

токсичного 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

18500 - 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

освобождение 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

системы, 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 ретикулоэндотелиальной 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 сывороточного

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

его 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,

составляет 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

составляет 3 - 4 мг. Уровень железа в плазме

крови зависит от ряда

факторов: взаимоотношения процессов

разрушения и образования

эритроцитов, состояния запасного фонда

железа в желудочно-

кишечном тракте. Однако наиболее важной

причиной,

определяющей уровень плазменного железа,

является

взаимодействие процессов синтеза и распада

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;

2) моножелезистого трансферрина А - железо

занимает только

А - пространство;

3) моножелезистого трансферрина В - железо

занимает только В-пространство;

4) 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

исследований, свидетельствующих о

способности этого белка

регулировать транспорт железа из лабильных

его запасов в эпителии

клеток 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;

3) перенос железа от железо-связывающего

белка к синтезирующему

гемоглобин - аппарату клетки;

4) освобождение трансферрина в кровь.

Известно, что

количество связывающих трансферрин

пространств максимально в ранних эритроидных

предшественниках и

уменьшается 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

миелоидного ряда со стадии промиелоцита.

Подобно трансферрину,

лактоферрин 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 процессах 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.

Страницы: 1, 2