Минеральные элементы. Часть 9. Микроэлементы — железо Fe


Железо — это самый распространенный металл из четырех наиболее распространенных элементов, он также незаменимый элементы, дефицит которого самый распространенный в человеческой диете. На начало 21 века, ВОЗ признала железодефицит, как одна из 10 наиболее значимых рисков для здоровья.

Железо — это блестящий, серебристо-белый, мягкий металл. Две распространенные окисленные формы  железа двухвалентная (железистая, Fe2+) и трехвалентная (Fe3+) способны участвовать в окислительно/восстановительных реакциях, которые происходят в энергетическом метаболизме, отдавая и принимая электроны. Однако, это свойство также делает свободные электроны катализировать оксидативные реакции, приводящие к реактивации и повреждению свободными радикалами. Поэтому, железо организма должны быть химически связано для того, чтобы выполнять свою физиологическую функцию, транспортироваться и копиться, с минимальной возможностью того, что свободное ионизированное железо скатализирует повреждающие оксидативные реакции.

Большинство железа в организме функционирует в форме гемового белкового комплекса, который транспортирует кислород — гемоглобина и миоглобина. Приблизительно 2/3 человеческого железа — это гемоглобин, гем которого состоит из 4 субъединиц: протопофириновое кольцо с железом в центре и четыре полипептидные цепи. 

Для транспорта гемоглобином, кислород связывается напрямую с атомом железа, стабилизированном в F2+ окислительном состоянии, окруженном протопорфирином и гистидиом. Железо гемоглобина легко связывает и освобождает кислород, циркулирующими в крови эритроцитами.

Миоглоблин, содержащий одну молекулу гема и глоблин, способен транспортировать кислород из эритроцитов в клеточные митохондрии мышечной цитоплазмы.

Меньшее количество железа в форме гема функционирует в митохондриальных цитохромах и вовлечено в транспорт электронов, утилизацию кислорода и продукцию АТФ. Небольшая фракция железа работает в гем-содержащих гидрогеновых пероксидазах, таких как каталаза, которая защищает от излишнего накопления перекиси водорода, превращая ее в водород и кислород.

Железо также функционирует в  негемовых белках, содержащих железисто-серный комплекс, кубически организованный в четыре атома железа и четыре атома серы. Это главная форма железа в митохондриях, функционирующих в ферментах энергетического метаболизма, таких, как аконитаза, NADH- дегидрогеназа и сукцинат-дегидрогеназа. И в митохондриях и цитозоле, акотитаназа чувствительна к концентрации железа. Когда железа много, акотиназный фермент принимает полную железо-серную кубическую структуру, которая ассоциирована с карбогидратным метаболизмом, когда концентрация железа снижается, белок теряет акотиназную активность и функцию железо-связывающего белка (IRP, ЖСП). ЖСП взаимодействуют с элементами, ответственными за железо (ЭОЖ, IRE) в мРНК для регуляции синтеза протеинов, вовлеченных в транспорт железа, накопление и утилизацию, в ответ на изменения клеточных концентраций железа.

Абсорбция, секреция, транспорт и накопление

Абсорбция. Как гемовое, так и негемовое (неорганическое) железо абсорбируется в обратной пропорции в обратной пропорции с депо организма (отражается сывороточным ферритином). Гемовое железо абсорбируется более эффективно, чем негемовая форма. Последняя может усваиваться от 0,1 до >35%, тогда как гемовая от 20 до 50%, в зависимости от состояния организма (содержание, эритропоэз и гипоксия) и диетической биодоступности. Когда запасы железа высокие, абсорбция негемового железа может минимизироваться, а когда низкие — негемовое железо абсорбируется, настолько же эффективно, как и гемовое. Так как по оценке, негемового железа в рационе больше (приблизительно 85-100%), эта форма является наиболее контролируемой физиологически в зависимости от необходимости железа.

Верхняя порция 12-перстной кишки с его низким pH — главное место адсорбции гемового и негемового железа. Абсорбция негемового железа лучше понимается, чем гемового, был идентифицирован единственный рецептор, участвующий в захвате в негемового железа.

Глобулиновые белки протеолитически перевариваются и просвете кишечника, продуцируя пептидные остатки, которые могут усиливать абсорбцию гемовой молекулы, предотвращая ее молимеризацию. Молекула гема адсорбируется интактной порфириновой структурой, возможно с помощью эндоцитоза. В слизистой клетке, гемовое железо распадается на железо и билирубин с помощью гемовой оксигеназы. Негемовое железо лучше адсобируется, когда представлено в форме растворимых ионов или низкоаффинных, низкомолекулярных ионных лигандов. Витамин С помогает железу оставаться растворимым и низкомолекулярным. Муцин — внутрипросветный белок, необходим для связывания железа и захвата железа в кишечнике.

Белки, участвующие в слизистой в захвате и транспорте негемого железа включают дуоденальный цитохром b (Dcytb), который конвертирует трехвалентное железо в двухвалентное на апикальной поверхности клетки. Двухвалентный транспортер металлов (DMT-1) транспортирует ионы Fe2+ внутрь клетки. Мутации DMT-1 нарушают абсорбцию и становятся причиной микроцитозной анемии у грызунов. Двухвалентное железо имеет наибольшую аффинность к DMT-1, но он также транспортирует и другие двухвалентные металлы, такие как магний, свинец, кадмий, цинк и медь. Это может также обусловливать конкурентное торможение, наблюдаемое при абсорбции этих металлов. Трехвалентное железо транспортируется внутрь клетки с помощью  мобилферрина, с последующей ферроредукцией в белке парферритине. Ионы, транспортируемые в энтероциты могут в дальнейшем транспортироваться  в организм через базолатеральную мембрану, завершая абсорбцию, или могут быть удержаны и возвращены в просвет кишечника с клеточной дисквамацией. Ireg-1 или ферропортин, вовлечен в выведении железа из слизистой клетки через базолатеральную мембрану. Мутация в Ireg-1 приводит к редкой форме гемохроматозов, и заболеванию накопления железа. мРНК для DMT-1 и Ireg-1 содержит IRE (iron rensponse element, железозависимый элемент), способный регулировать трансляцию мРНК через концентрацию внутриклеточного железа. Dcytb, DMT-1 и Ireg-1  все повышаются в активности при дефиците железа. Кишечный транспорт железа в циркуляцию также вовлекает гефестин — кишечная ферроксидаза с белковой последовательностью, похожей на церулоплазмин (медь-содержащая ферроксидаза сыворотки). Дефект в гене гефестина у мышей вызывает анемию и накопление железа в кишечных клетках. Однако, в отличие от Dcytb, DMT-1 или Ireg-1 гефестин экспрессируется не только в двенадцатиперстной кишке, главном участке абсорбции железа.

Абсорбция железа зависит от приема железа с пищей, его запасов, эритропоэза, гипоксии, беременности и воспалительного состояния в организме. Недавно идентифицированный пептид, гепсидин, может быть связан с несколькими из этих стимулирующих регуляторных процессов. Гепсидин — это противомикробный пептид, обнаруженный в человеческой крови и моче, который служит сигналом для ограничения абсорбции железа. В контроле абсорбции вовлечен HFE белок (human hemochoromatosis protein) локализованный в базолатеральной мембране клеток кишечных крипт. Специфическая мутация в гене этого белка ассоциирована с наиболее распространенной формой гемохроматоза, заболевания, характеризующееся повышенной абсорбцией и накоплением железа. HFE-белок взаимодействует с бета2-микроглобулином и рецептором трансферрина, таким образом влияя на захват железа из сывороточного трасферрина, первичного белка, вовлеченного в сывороточный транспорт железа.

Всасывание гемового железа не потенциируется аскорбиновой кислотой, а абсорбция не подавляется такими веществами, как фитаты. Она лишь слегка ингибируется одновременным назначением неорганического и негемового железа.
Факторами, уменьшающими всасывание железа в просвете кишки, являются: время транспорта по желудочно-окишечному тракту, ахилия, синдром мальабсорбции, осаждение фосфатами, фитатами и антацидами. Белки молока, сои и альбумин уменьшают всасывание железа. Однако прием молока вместе со злаками не влияет на его абсорбцию. Чай и кофе существенно уменьшают его абсорбцию. Фитат снижает всасывание железа. Так, 5–10 мг фитата в хлебе может уменьшить всасывание негемового железа на 50%. Добавление в рацион мяса или аскорбиновой кислоты полностью изменяет действие фитата на всасывание железа.
Абсорбция увеличивается при больших пероральных дозах аскорбиновой кислоты, а также в присутствии лимонной кислоты, янтарной кислоты, сахара и серосодержащих аминокислот. Всасывание увеличивается в присутствии мяса домашней птицы или говядины. Принятый внутрь или назначенный парентерально этанол незначительно влияет  на всасывание железа.

Транспорт. Трансферрин транспортирует все 3 или 4 мг железа в сыворотке крови, включая пищевое железо, поступающее из двенадцатиперстной кишки, также железа из макрофагов, после деградации гемоглобина. Каждая молекула трансферрина связывает два атома железа, в норме трансферрин на 1/3 насыщен железом. Количество железа, которое может быть связано трансферрином оценивается общей железосвязывающей способностью (ОЖСС, ТIBC). При дефиците железа, сывороточное железо снижается, а ОЖСС повышается, что происходит раньше, снижения уровня гемоглобина.

Рецепторы мембранного трансферрина способны захватывать железо. Рецепторы трансферрина имеются на предшественниках эритроцитов, плаценте и печени, количество которых изменяется в зависимости от железистого статуса клетки.

Другие белки, вовлеченные в транспорт железа, включают в себя трансферрин, который по структуре похож на трансферрин и встречается в таких биологических жидкостях как молоко и сперма. Гаптоглобулин и гемопексин — белки, очищающие кровь соответственно от гемоглобина и гема  высвобождающихся старых эритроцитов.

Накопление. Железо в основном накапливается в печени, селезенке и костном мозге в форме ферритина или гемосидерина. Ферритин — это водорастворимый комплекс из 24 полипептидных субъединиц в сферическом кластере с полым центром, содержащим до 25% железа по весу или 4000 атомов железа на молекулу. Гемосидерин — это водорастворимый комплекс, иннологически похож на ферритин, содержащий до 35% железа. Ферритин и гемосидерин каждый, приблизительно, содержит половину накопленного железа печени.

Выведение. Приблизительно 1 мг железа теряется ежедневно мужчинами и постменопаузальными женщинами в основном через кал, содержащий отслоившиеся клетки слизистой оболочки, желчь и погибших эритроцитов, в меньшей степени с отшелушившимися клетками кожи и потом. Моча содержит минимальное количество железа.

Подростковые девушки и предменопаузальные женщины теряют одинаковое количество железа при менструации. Менструальные потери индивидуальны; половина женщин теряет менее 14 мг железа за менструацию, но разброс очень неравномерен, может составлять от 5% до 50 мг и более. Дефицит железа среди женщин развитых стран, обычно связан с этими потерями, чем с диетическими.

Баланс железа в организме. Организм содержит до 2-4 г железа, или приблизительно 50 мг/кг у мужчин и 40 мг/кг у женщин. Эритроциты содержат приблизительно 2/3 всего железа, и живут в среднем 120 дней; поэтому, приблизительно 20 мг железа рециркулируется из состарившихся клеток во вновь формирующиеся.

В отличие от других веществ, контролируемых через абсорбцию и экскрецию, баланс железа контролируется в основном только абсорбцией. Приблизительно 10-20 мг железа поступает с пищей. Средняя абсорбция и экскреция железа у взрослых мужчин и постменопаузальных женщин достигает 1 мг в день. Менструация может более, чем вдвое увеличить потери железа женщиной, повышая их потребность в абсорбированном железе. Баланс железа также коррелируется потребностями роста при беременности и ранним детским возрастом.

Нормальные запасы железа в организме составляют 300–1000 мг для взрослых женщин и 500–1500 мг для взрослых мужчин. Большее количество людей имеют запас железа на нижней границе нормы, кроме того, много здоровых женщин, у которых фактически отсутствуют какие-либо запасы железа. Увеличение количества запасов железа может наблюдаться при перемещении железа из эритроцитов в депо. Эти изменения происходят при анемиях, кроме тех, которые являются железодефицитными.
«Железистая стоимость» беременности высока. Потеря с мочой, калом и потом продолжается и составляет приблизительно 170 мг для всего периода беременности. Приблизительно 270 мг поступает к плоду и еще 90 мг содержится в плаценте. Количество железа, потерянного при кровотечении в родах, составляет в среднем приблизительно 150 мг. Железо требуется для увеличения массы эритроцитов, которая происходит в течение второй половины беременности. Кормление грудью является причиной дополнительного расхода приблизительно 0,5–1 мг железа в день. Полная «железистая стоимость» нормальной беременности находится в диапазоне от 420 до 1030 мг или от 1 до 2,5 мг в день в течение 15 месяцев беременности и кормления грудью.
Оценка состоятельности запасов железа может быть сделана исходя из данных сывороточного железа, железосвязывающей способности сыворотки, ферритина сыворотки и окраске железа в аспиратах костного мозга.

Железо в питании

Дефицит железа

Дефицит железа — это самый распространенный дефицит минеральных веществ, затрагивающий коло 2/3 детей и женщин детородного возраста. Тяжелые формы анемии встречают у 20-25% детей и у 40% женщин и 25% мужчин.

Дефицит железа ухудшает течение беременности, нарушает раннее развитие и когнитивные функции у детей, снижает физическую способность к работе.

Недостаток вызывает поседение волос, растрескивание слизистых оболочек в углах рта, ломкость, утончение, деформация ногтей; гнойничковые поражения кожи.

Рекомендации по приему

8 мг/день для взрослых мужчин и постменопаузальных женщин легко восполняется западной диетой, более тщательный выбор продуктов требуется чтобы получить рекомендуемые 18 мг/день для 97,5%  взрослых менструирующих женщин. Более высокие рекомендации отражают более высокие менструальные потери некоторых женщин.

Во время беременности диетические рекомендации увеличиваются до 27 мг ежедневно, основываются на составе плода и плаценты (приблизительно 320 мг), а также с большим кровяным объемом, ассоциированным со здоровой беременностью. В соответсвии с этими рекомендациями, необходимы добавки железа. Препараты, содержащие 30-60 мг в суточной дозировке — наиболее распространенные рекомендации.

Повышенные потребности в железе во время раннего роста, ставят младенцев и детей раннего возраста в группу риска по дефициту железа. Кормление грудью рекомендуется для детей первого года жизни. Хотя содержание железа в грудном молоке относительно низкое (0,35 мг/л или 0,27 мг в сутки), но оно очень хорошо аборбируется, возможно благодаря лактоферрину. Само по себе молоко расценивается адекватным источником железа в первые 6 месяцев младенченства, с дополнение богатой железом пищей, в последующие 6 месяцев. Когда применяется искусственное питание, то рекомендуется формула, обогащенная железом.

Другие факторы, которые могут повышать потребность в железе: ахлоргидрия снижает абсорбцию железа, глисты и другие паразиты, повышают гастроинтерстициальные потери крови, или внутриматочные контрацептивные средства, могут увеличивать менструальные потери до 30-50%. В то время как, гормальные контрацептивы снижают потребности в железе, благодаря снижению менструальных потерь, приблизительно на 50%.

Таблица: Диетические рекомендации по по приему железа

Возраст (годы) Железо (мг)
Дети 1-10 10
Мужчины 11-18 12
19 старше 10
Женщины 11-50 15
51 10
Беременные 30*
Кормящие 15*

*Обычно эти повышенные требования не соблюдаются диетически, поэтому рекомендуются добавки от 30 до 60 мг.

Пищевые источники

Типичная западная диета содержит приблизительно 6 мг железа на 1000 ккал. Мужчины и женщины употребляют 16-18 и 12-14 мг ежедневно, соответственно. Среднее ежедневное потребление железа в Европе —10–30 мг (5–7 мг на 1000 калорий). Озабоченная массой тела молодая женщина, которая ограничивает потребление до 1000–1500 калорий в день, потребляет только 6–9 мг железа с пищей. При этих оценках не учитывается содержание железа в напитках и его добавка или потеря в процессе приготовления пищи. Железная посуда вносит значительный вклад в содержание железа в приготавливаемых блюдах. Замена стали алюминием и пластмассой оказала неблагоприятное действие на поступление железа с пищей. Некоторые европейские сидры и вина могут содержать 16 мг и более железа в 1 литре. Однако содержание железа в американских винах и других алкогольных напитках незначительно.

Всасывание железа из пищи очень изменчиво.

Гемовое железо. Самое большое из мяса млекопитающих — говядины, меньше — из мяса домашней птицы или рыбы и меньше всего — из печени, яиц, молока и хлебных злаков.  Приблизительно 10% или 1 или 2 мг железа поступает вместе с хорошо абсорбируемым гемовым железом. Гемовое железо содержит до 40% железа в мясе, птице и свежей рыбе. Мало или нет гемового железа в мясных субпродуктах, мясных продуктах или продуктах растительного происхождения. Гемовое железо абсорбируется как интактная порфириновая структура. Абсорбция его усиливается приемом мяса, птицы или рыбы и снижается добавками кальция, принимаемых одновременно, но на нее не влияют другие энхансеры или ингибиторы негемовой абсорбции.

Негемовое железо. Негемовое железо достигает 85-100% пищевого источника железа. И в отличие, от гемового железа, его адсорбция подвергается влиянию. Абсорбция усиливается аскорбиновой, лимонной или яблочной кислотой. Абсорбция усиливается логарифимически в зависимости от дозы, почти удваивается при добавлении 25 мг аскорбиновой кислоты и почти 10-кратно увеличивается при добавлении 1000 мг аскорбиновой кислоты. Негемовая абсорбция также усиливается приемом мяса, птици или рыбы. Негемовая абсорбция подавляется фитиновой кислотой (инозитол гексафосфат), имеющийся в бобовых, рисе, зерновых, которая связывает железо и делает его нерастворимым. Но перемолка зерен повышает доступность железа. Дополнительный неизвестный фактор в соевых бобах, независимый от фитата, также нарушает всасывание железа. Полифенолы в зерновых, фруктах и овощах, включая танины в чае и кофе, также нарушают негемовую адсорбцию. Пищевые добавки кальция и цинка также нарушают всасывание негемового железа.

Железо плохо абсорбируется из ростков пшеницы, масла бобовых, шпината, чечевицы и зелени свеклы — пищевых продуктов с высоким содержанием фитата. Напротив, хорошая абсорбция железа из моркови, картофеля, корней свеклы, тыквы, брокколи, помидоров, цветной капусты, белокочанной капусты, репы и квашеной капусты — овощей, которые содержат существенные количества яблочной, лимонной или аскорбиновой кислоты.
Растворимое неорганическое железо, добавляемое в пищу, абсорбируется в той же самой мере, как и железо, свойственное пище.

Факторы, влияющий на абсорбцию железа
Увеличивающие абсорбцию железа

  • Кислота в желудке
  • Гемовая форма железа
  • Повышенная потребность организма в эритроцитах (потери крови, воздействие высокими высотами, физическая нагрузка, беременность)
  • Низкие запасы железа в организме
  • Наличие мясного протеинового фактора (Meat protein Factor, MPF)
  • Наличие витамина С в тонком кишечнике
Снижающие абсорбцию железа

  • Фитиновая кислота (в диетической клетчатке, бездрожжевом хлебе)
  • Щавелевая кислота
  • Полифенолы (в кофе и чае)
  • Высокие запасы железа в организме
  • Повышенное количество других минералов (Zn, Mg, Ca), особенно применяемых в форме пищевых добавок
  • Снижение желудочной кислотности
  • Антациды

Излишнее употребление железа может оказать отравляющее, свободнорадикоальное повреждение. Большое количество употребленного железа — остро токсичное, случайное употребление ребенком медицинского препарата железа приводит к смерти малых детей. Добавки железа также ассоциированы с раздражение желудочно-кишечного тракта.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *