Монография государственное научное издательство «Ўзбекистон миллий энциклопедияси» Ташкент 2010 б 49



страница6/14
Дата24.04.2016
Размер2.21 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Глава 3. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ И ОБМЕН ЖЕЛЕЗА В ОРГАНИЗМЕ

___________________________________________________________


3.1. Биологическая роль железа


Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным, кроме белков, углеводов, жиров и 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 являются кофакторами или входят в состав простетических групп многочисленных 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 или иной химической реакции, скорость которой в значительной степени возрастает в присутствии фермента. 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, обеспечивающим 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.

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 (сукцинатдегидрогеназа, 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 группами 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 находятся 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, а3, 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 ретикулуме, 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 фосфорилировании 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 йодирование 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 железа обнаружена в гепатоцитах в виде ферритина. При парентеральном введении железа как гепатоциты, так и купферовские 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 дальтон. Общий молекулярный вес апоферритина 445000 дальтон. Электронно-микроскопические исследования показали, что ферритин имеет полую оболочку с внутренним диаметром 70-80 ангстрем. Оболочка имеет 6 каналов, расширяющихся кнутри (их диаметр 9-12 ангстрем). 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, что концентрация сывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда железа в организме человека. Отметим, что прямая 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 и 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.

Железосвязывающий белок трансферрин, открытый шведскими учеными, содержится в небольшом количестве в плазме крови. Общая железосвязывающая способность плазмы, характеризующаяся практически 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 дальтон, он состоит из единственной полипептидной цепочки с расположенными на ней двумя значительно схожими, если не идентичными, металлосвязывающими пространствами. Эти пространства (А и В) наиболее прочно связывают железо по сравнению с ионами других металлов. Около 6% железосвязывающего 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 железосвязывающий 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 железосвязывающего 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.

Железосвязывающий 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 дальтон. В физиологических условиях этот железосвязывающий 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 железосвязывающие белки отличаются друг от друга по антигенным свойствам, составу аминокислот, белков и углеводов.

В настоящее время известны следующие функции лактоферрина: 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 железосерным ферментам относится, например, ферредоксин хлоропластов, осуществляющий перенос электронов от возбужденного светом хлорофилла на разнообразные акцепторы электронов.

3.2. 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 неизвестны.



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 желудочно- кишечном 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 желудочно-кишечного тракта – все это оказывает влияние на величину усвоения железа.

Кратко остановимся на процессе всасывания железа, состоящем из ряда последовательных этапов:

1) начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой оболочки кишечника;

2) 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 часть его (80%) находилась в митохондриях клеток, а остальная часть – в щеточной кайме в течение 5-20 минут после введения железа в желудочно-кишечный тракт. Исследования с использованием ультраструктурной авторадиографии показали, что первый этап обеспечивает достаточную концентрацию железа на поверхности слизистой оболочки клеток для последующей его абсорбции. При этом железо концентрируется на щеточной кайме, закисное железо переходит в окисное на мембране микроворсинок.

Второй этап – поступление железа в богатую рибосомами цитоплазму и латеральное межклеточное пространство, и, наконец, третий этап перенос железа в кровеносные сосуды собственной оболочки, где оно захватывается белком крови трансферрином.

Существует точка зрения, что транспортировка железа из цитоплазмы эпителиальных клеток в кровь может осуществляться ферритином.

Интенсивность захвата железа из клеток слизистой оболочки кишечника в кровь зависит от соотношения содержания в плазме свободного, моножелезистого или дижелезистого (насыщенного) трансферрина. Свободные молекулы трансферрина обладают максимальной способностью связывать железо. Комплекс трансферрин – железо поступает главным образом в костный мозг, небольшая часть его в запасной фонд, преимущественно в печень, и еще меньшее количество связанного транферрином железа ассимилируется тканями для образования миоглобина, некоторых ферментов тканевого дыхания, нестойких комплексов железа с аминокислотами и белками.

Костный мозг, печень и тонкий кишечник являются тремя основными органами обмена железа, каждый из которых обладает системой тканевых рецепторов, специфичных для трансферрина. Ретикулоциты костного мозга, так же как и клетки эпителия слизистой оболочки кишечника, имеют повышенную способность захватывать железо из насыщенных (дижелезистых) форм трансферрина. Таким образом, ненасыщенный трансферрин лучше связывает, а насыщенный - лучше отдает железо. Механизмы регуляции активности рецепторных полей тканей, играющих определенную роль в абсорбции железа, равно как и взаимоотношения различно насыщенных форм трансферрина до настоящего времени не раскрыты.

Основным источником плазменного железа является поступления его из ретикулоэндотелиальной системы внутренних органов (печени, селезенки, костного мозга), где происходит разрушение гемоглобина эритроцитов. Небольшое количество железа (около 6 мг) поступает в плазму из запасного фонда и при абсорбции его из пищи в желудочно-кишечном тракте. Преобладающим циклом в интермедиарном обмене железа в организме человека является образование и разрушение гемоглобина эритроцитов, что составляет 25 мг железа в сутки.

Ферритин сыворотки крови, вероятно, осуществляет транспортировку железа от ретикулоэндотелиальных к паренхиматозным клеткам печени, однако его роль в общем обмене железа в организме человека представляется минимальной.

Обмен железа между транспортным и тканевым его фондами изучен недостаточно. Это объясняется прежде всего тем, что механизмы, пути и количественные аспекты движения железа из тканей, исключая эритропоэтические, в плазму крови и наоборот изучены мало. Расчетные данные однако, свидетельствуют о том, что величина плазменно-тканевого обмена железа приблизит-ельно составляет 6 мг в сутки.

Общая картина обмена железа в организме человека представлена на схеме (табл.8).


Таблица 8.

Общий обмен железа в организме человека


Категория

Возраст, годы

Вес, кг

Рост, см

Fe, мг

Новорожденные

0,0-0,05

6

60

10

Дети

0,5-1,0

1-3


4-6

7-10


9

13

20



28

71

90

112



132

15

15

10



10

Мужчины

11-14

15-18


19-22

23-50


51+

45

66

70



70

70


157

176


177

178


178

18

18

10



10

10


Женщины

11-14

15-18


19-22

23-50


51+

46

55

55



55

55


157

163


163

163


163

18

18

18



18

18


Беременные










30-60

Кормящие матери










30-60




    1. Гомеостаз железа в организме


С точки зрения биохимии железа этот биометалл представляется парадоксальным для биологических систем. С одной стороны, этот биометалл благодаря его высокой реакционной активности, лабильности, способности существовать в двух устойчивых химических формах в форме двухвалентного

Fe 2+ (ферро-) железа и форме трехвалентного Fe3+ (ферри -) железа делает его незаменимым для жизнедеятельности организма (участие железа в процессах окислительного фосфорилирования или переноса кислорода в организме), а с другой стороны железо в не связи с лигандами весьма токсично для организма, свободное, не связанное железо вследствие его каталитического действия в окислительной - восстановительной реакции Fe2+ _ Fe3+образует гидроксильные (ОН+) радикалы, которые, в свою очередь активно разрушает клеточные мембраны, что влечет за собой гибель этих клеток. Поэтому в ходе эволюции выработались специальные агенты, регулирующие обмен железа в организме на уровне его абсорбции из диет в желудочно-кишечном тракте, транспорта в кровотоке, взаимодействия с мембранами акцепторных клеток, запасания железа в клетках, т.е. обеспечивающие сохранение и поддержание гомеостаза железа а органах (Бугланов А.А. и др.,1991; Ponka P., 1999).



Обмен железа в организме можно представить как комплекс разнонаправленных многостадийных процессов, в виде процессов абсорбции его в желудочно-кишечном тракте, транспорта в мишени, хранения в ткани, мобилизации и транспорта в ткани – мишени, использования в синтезе многочисленных железосодержащих металлопротеидов, функционирования в составе этих металлопротеидов, катаболизма металлопротеидов, повторного использования и выделения (Бугланов А.А., 1988). Вся система таких процессов, обеспечивающих, поддержание гомеостаза железа в организме осуществляется посредством различных металлопротеидов. Ежесуточно около 2 мг железа из пищи всасывается в верхних отделах тонкого кишечника и вовлекается в обменные процессы организма, примерно такое же количество этого биометалла ежесуточно организмом теряется (Павлов А.Д. и др. 2001). Недостаточное поступление железа в организм вследствие, например, мальабсорбции этого биометалла или значительная потеря железа организмом вследствие кровопотери влечет за собой развитие анемии, наоборот, избыточное поступление железа в организм, например, при массивных трансфузиях крови может вызвать перегрузку и интоксикацию организма этим биометаллом. Все это требует наличия системы, которая бы регулировала нормальный обмен железа в организме, важнейшими звеньями такой системы является металлопротеиды – трансферрин и ферритин, представляющие собой соответственно транспортную и запасную форму железа в организме. Несмотря на то, что абсорбция железа у взрослого человека количественно оценивается примерно в 2 мг, ежесуточно в организме обменивается примерно 38 мг этого биометалла, основная часть которого поступает в костный мозг, где используется при синтезе функционально способных молекул гемоглобина. Для нужд гемоглобинового синтеза используется около 33 мг железа. Из 33 мг железа поступающего ежедневно в костный мозг, большая часть (около 21 мг) включается в созревающие эритроциты и покидает костный мозг. Современные биологические модели феррокинетики предусматривают, что часть, поступающего в костный мозг железа, составляющая около 9 мг, не используется по прямому назначению, а аккумулируется в ретикулоэндотелиальных клетках костного мозга при деструкции в них дефектных эритроцитов. Основная масса эритроцитов после циркуляции в кровотоке в течение 110-120 дней подвергается деструкции в ретикулоэндотелиальной системе (селезенке и купферовских клетках печени), при этом более половины высвобождающегося здесь железа достаточно быстро возвращается в кровоток, связывается здесь апотрансферрином и вновь поступает в клетки эритрона, где используется при синтезе гемоглобина. Эритропоэтическая функция костного мозга в значительной степени зависит от состояния каждого из этапов метаболизма железа, однако ведущая роль отводится процессам его абсорбции, транспортировки, обеспечивающим единство метаболического цикла и механизма депонирования железа в организме.

Баланс железа в организме зависит с одной стороны от потребления этого биометалла организмом, определяемом ростом организма и его естественными физиологическими потерями, а также специфическими потерями во время менструаций, при беременности, родах и лактации, а с другой стороны – абсорбцией железа в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ). Регуляторному механизму абсорбции железа в ЖКТ в поддержании гомеостаза железа в организме принадлежит очень важная роль, т.к. механизмы регуляторной экскреции железа из организма не существует. Регуляция поступления железа в организм осуществляется на уровне апикальной (наружной) мембраны дуоденального энтероцита и на уровне базолатеральной (внутренней) мембраны энтероцита. Современные представления об абсорбции железа сходятся на том, что всасывание гемового и негемового железа осуществляется по разным механизмам. Эволюционно механизм абсорбции гемового железа в ЖКТ является более старшим, более древним и оценивается как наиболее эффективный, отвечающий гетеротрофному пути питания, хотя молекулярный механизм всасывания гема на сегодняшний день до конца не ясен, тем не менее известно, что эффективность абсорбции железа гема не зависит, в отличие от механизма абсорбции негемового железа, от того – является ли организм здоровым или он испытывает дефицит железа. Гем сохраняет свою растворимость при рН свойственном двенадцатиперстной кишке после протеолитической деградации источников гема – миоглобина и гемоглобина, гем абсорбируется энтероцитами в интактном виде. Этот процесс носит, по – видимому, энергозависимый характер. Внутри энтероцита гем подвергается метаболическим превращениям, под действием специального фермента гемоксигеназы порфириновое кольцо гема расщепляется с высвобождением железа. Дальнейшие матаболические превращения высвободившегося железа могут проходить по двум вариантам. Первый вариант – железо включается в железосодержащее ядро ферритина в цитоплазме энтероцита и в дальнейшем теряется организмом в результате слущивания клеток слизистой оболочки кишечника (такой процесс происходит один раз в 3-4дня). Железо, не включившееся в молекулу ферритина, транспортируется к базолатеральной мембране и затем переносится в плазму крови, где связывается плазменным трансферрином в акцепторные клетки. В качестве такого транспортного средства для железа внутри самого энтероцита указывают на так называемый трансферрин слизистой, который действительно был выделен и охарактеризован как железосвязывающий белок из гомогената слизистой оболочки кишечника (Бугланов А.А., 1988). Абсорбция негемового железа изучена более основательно. Эволюционный механизм абсорбции негемового железа является более молодым, он сформирован на более поздних ступенях эволюции, с развитием сельскохоз-яйственного производства и сопровождающими его революцион-ными переменами в структуре питания (Белошевский В.А., 2000). В отличие от механизма регулирующего абсорбцию гемового железа, механизм всасывания негемового железа неорганического чувствителен к общему дефициту железа в организме человека (Белошевский В.А., 2000), точно установлено, что у лиц с недостаточностью железа всасывается значительно больше негемового железа, чем у здорового. Эффективность абсорбции негемового железа определяется рядом факторов – окислительным состоянием железа т.е. находится ли железо в форме двухвалентного (ферро-) железа или в форме трехвалентного (ферри-) железа, зависимого от этого эффекты растворимости железа соответственно в желудке и кишечнике, наличия хелаторов железа, т.е. веществ связывающих железо в просвете кишки и делающих его удобным для связывания энтероцитами (Бугланов А.А., 2002). При кислых значениях рН, свойственных желудочному соку, растворяется как ферро-, так и феррижелезо. В диетах железо находится преимущественно или как гемовое или как негемовое феррижелезо, трехвалентное. В то же время большинство медикаментозных препаратов является препаратами феррожелеза, двухвалентного. В двенадцатиперстной кишке, где величина рН более щелочная, феррижелезо – трехвалентное превращается в малорастворимые окислы. Некоторые вещества, например, аскорбиновая кислота, которая присутствует практически в любой диете способствует абсорбции путем восстановления части феррижелеза, которое сохраняет растворимость и при рН дуоденальной среды. Другим фактором сохраняющим растворимость железа при его поступлении в менее кислую среду, чем в желудке, дуоденальную среду, является хелатирование некоторыми компонентами диеты, которыми могут быть различные органические кислоты - лимонная, янтарная и др. К таким соединениям относят также аминокислоты, углеводы, амины и др. Все эти соединения объединяются одним понятием промоторы, стимуляторы абсорбции железа (Fairwenther – Tait S.J., 1995). Существуют и другие вещества, находящиеся в диетах (фитаты, карбонаты, оксалаты, фосфаты, таннины), которые вызывают преципитацию феррожелеза и делает его недоступным для всасывания (Fairwenther – Tait S.J., 1995). Такие соединения объединяются понятием ингибиторы абсорбции железа. Таким образом, первый этап сложного механизма абсорбции железа, этап метаболических превращений железа в желудке и в проксимальном отделе тонкого кишечника до всасывания железа клетками слизистой оболочки кишечника представляется во многом случайным, хаотическим процессом, зависящим от многих факторов – от общего содержания железа в диетах, периодичности диет, соотношения в диетах различных форм железа – гемового и негемового, окислительных форм негемового железа (двух – и трехвалентного), состояние самого ЖКТ у человека, соотношения в диете стимуляторов и ингибиторов всасывания железа, последовательности их попадания в ЖКТ, состояния кишечной микрофлоры и др. Интимный механизм абсорбции негемового железа на уровне энтероцитов до конца остается еще не ясным, хотя в последние годы появилось много новой информации, позволяющей представить этот процесс более ясно. В вопросе- является ли поступление железа в энтероциты пассивным процессом или энергетически зависимым большинство исследователей склоняется к тому что процесс абсорбции железа является энергетически зависимым процессом, происходящим с затратами АТФ (Skikne B. et al. 1994). Из этого вытекает что для такого активного переноса железа из просвета кишки в клетку должны существовать специфические переносчики, при этом должны существовать переносчики как для ферро- так и для ферри железа. В настоящее время также переносчики идентифицируются как специфический апикальный транспортер для феррожелеза и интегрин для феррижелеза (Павлов А.Д. и др., 2001; Andrews N.C. et al., 2000). Таким образом, современные представления о механизме абсорбции железа на уровне апикальной мембраны энтероцитов признают существование триады, трех путей транспорта железа через мембрану внутрь энтероцита – путь гемового железа, молекулярный механизм которого пока еще полностью не установлен, путь двухвалентного феррожелеза через посредство специфического апикального транспортера и путь трехвалентного феррижелеза через посредство интегрина.

Механизм абсорбции железа охватывает также те метаболические превращения, которые претерпевает железо, поступая внутрь дуоденальных энтероцитов. Внутри абсорбтивного энероцита железо либо депонируется в ферритине, либо транспортируется по каналам эндоплазматической сети к базолатеральной мембране и через посредство гипотетического базолатерального транспортера далее передается в плазму крови. Метаболические превращения железа оказывающегося внутри энтероцита имеют окислительно-восстановительное происхож-дение, т.е. двухвалентное феррожелезо гема, после деструкции порфиринового кольца и высвобождения железа, а также двухвалентное феррожелезо негемовое из пищи, поступившее в энтероцит (где и частично окисляется до трехвалентного феррижелеза) включаются в железосодержащее ядро ферритина. Другая же часть двух и трехвалентного железа, которую можно назвать функциональным железом, т.к. оно попадает в кровоток и включается в общие процессы феррокинетики в организме, транспортируются к базолатеральной мембране энтероцита и также энергозависимым путём передаётся в плазму крови. Для трёхвалентного феррижелеза, в частности, осуществляющий транс-порт его внутри энтероцита существует охарактеризованный в настоящие время белок, идентифицированный как мобилферрин (Румянцев А.Г.и др., 2004; Umreit J.H. et al. 1998). Для двухвалентного феррожелеза переход из цитоплазмы энтероцита через базолатеральную мембрану в плазму крови должен сопровождаться окислением его в трехвалентное феррижелезо для того чтобы иметь возможность быть связанным с плазменным трансферрином и транспортироваться далее к местам его потреб-ления. Предполагается, что в данном процессе играет роль церулоплазмин – медьсодержащий металлопротеид плазмы крови. Существует точка зрения, что аналог плазменного церулоплазмина, идентифицированный как гефестин, интегрирован в базолатер-альной мембране дуоденальных энтероцитов рядом с базолатер-альным мембранным транспортером двухвалентного феррожелеза и осуществляет свою функцию окисления феррожелеза в ферри – здесь же.

Механизм регуляции абсорбции железа на уровне целостного организма помимо механизма действующего на уровне дуоденальных энтероцитов предусматривает также регуляцию всасывания железа на уровне запасов железа в организме и на уровне основного потребителя железа в организме, на уровне эритрона. Хотя такие механизмы регуляции всасывания железа на уровне депо-регулятора и эритроидного регулятора мало изучены, очевидно, что и состояние запасов железа в организме и эритропоэтическая активность костного мозга прямо влияет на процессы абсорбции железа в желудочно-кишечном тракте.

Единство метаболического цикла железа в организме обеспечивается высокоспециализированным железосвязывающим белком плазмы крови – трансферрином, который является практически единственным медиатором, обеспечивающим передачу, транспорт железа между различными сайтами его использования в организме. Нативные молекулы трансферрина имеют молекулярную массу около 80 000 дальтон и имеют в своём составе два специфических центра связывания ферриионов железа, локализованных соответственно в N – и С – концевых частях или доменах этого белка (Салихов Т.А. и др, 1994). Предполагается, что общий пул трансферрина в сыворотке крови ассоциирован с небольшим количеством железа, составляющим 3-4 мг (Румянцев А.Г., 2004), по другим данным 6-8 мг железа (Белошевский В.А., 2000). Однако, учитывая, что трансферрин выполняет свою функцию многократно между различными сайтами в организме (ежесуточный турновер трансферрина с акцепторными тканями оценивается в 10-12 раз) вклад этого белка в феррокинетику представляется значительно большим. Общий пул трансферрина, циркулирующий в кровотоке, гетерогенен и представлен различными молекулярными изоформами – диферри-, моноферри и апотрансферрином, при этом в пуле моноферри трансферина присутствуют изоформы с локализацией железа в А – центре (С – концевом домене) и В – центре (N – концевом домене) белка. Теоретические расчеты показывают, что около 30% от общего пула трансферрина в плазме крови здорового человека составляет функционально активный диферритрансферрин, в пуле моноферритрансферринов превалирует изоформы с локализацией в N – концевом домене, что хотя и косвенно, но может свидетельствовать о функциональной неэквивалентности двух железосвязывающих центров в молекуле белка (Бугланов А.А. и др, 2001). Пул трансферрина при физиологической норме насыщен железом примерно на 30-40%, таким образом трансферрин в плазме крови выполняет роль буфера, буферная емкость которого используется при поступлении в плазму значительных количеств железа, например при парентеральном введении препаратов железа. Трансферрин содержащий два феррииона в молекуле белка (диферритрансферрин) имеет конкурентное преимущество перед моноферритрансферрином в процессе снабжения клеток эритроидного ряда железом, что объясняется значительно большей аффинностью диферритрансферрина к специфическим трансферриновым рецепторам в мембранах этих клеток (Бугланов А.А. и др., 2002).

Взаимодействие нагруженного железом трансферрина со специфическими рецепторами в акцепторных клетках является важной составляющей в поддержании гомеостаза железа в организме. Комплекс железо – трансферрин является достаточно прочным, железо отщепляется от трансферрина при кислых значениях рН, однако физиологический рН слабощелочной, поэтому в ходе эволюции выработались специальные механизмы, обеспечивающие поступление в акцепторные клетки всего комплекса железо – трансферрин. Все клетки организма содержат рецепторы для трансферрина, при этом количество этих рецепторов в мембранах клеток величина вариабельная и меняется в зависимости от физиологического цикла развития этих клеток. Максимальное количество специфических рецепторов для трансферрина обнаруживается в гемопоэтической ткани, особенно в эритробластах и ретикулоцитах, а так же в клеточных мембранах плацентарного трофобласта и гепатоцитах (Feelders R.A. et al., 1999; Vernet M.,1999). Существует видовая специфичность в содержании трансферриновых рецепторов в клетках тканей, если в мембране ретикулоцита человека это количество достигает 300 000 на клетку, то в ретикулоците крысы – 105 000 (Бугланов А.А. и др., 2001). Флуктуации в содержании трансферриновых рецепторов имеет место и при различных заболеваниях, характерным примером этого является увеличение количества мембранных рецепторов для трансферрина в эритроидных клетках при ЖДА (Punnonen K., et al. 1997). Тансферриновый рецептор представляет собой димерный белок с молекулярной массой 180 000 дальтон и каждый димер целой молекулы рецептора связывает две молекулы нагруженного железом трансферрина (Павлов А.Д. и др., 2001). Само трансферрин – клеточное взаимодействие опосредованное рецептором протекает многостадийно – адсорбция насыщенного железом трансферрина на мембране и связывание его со свободным рецептором, транспортирование комплекса трансферрин – рецептор внутрь клетки, высвобождение железа из белка внутри клетки при низком рН, после чего высвободившееся железо включается во внутриклеточной лабильный пул железа, а комплекс апотрансферрин – рецептор мигрирует на наружную мембрану. Рециклированный трансферриновый рецептор остается включенным в клеточную мембрану, а интактный апотрансферрин переходит в плазму крови (Bomferd A.B., et al., 1985). По расчетам весь этот цикл при физиологических условиях протекает со скоростью 500 молекул диферритрансферрина на ретикулоцит в секунду или в перерасчете на трансферриновое железо – 1000 ферриионов (Pollak S., 1992). Трансферриновое железо после диссоциации с белком включается во внутриклеточный лабильный пул, где в комплексе с низкомолекулярными лигандами распределяется в различных внутриклеточных органеллах. Далее частично, депонируясь в молекулах клеточного ферритина, частично, поступая в митохондрии, используется при синтезе гема или в процессах синтеза железосодержащих ферментов или белков, а также в процессах активации железозависимых мультиферментных систем в клетке.

Из вышеприведенного видно, что в поддержании гомеостаза железа в организме процессам запасания, депонирования железа в клетках отводится очень важная роль. Существенная часть всего железа организма находится в виде негемовых запасов железа ферритина, а также гемосидерина (Павлов А.Д. и др., 2001; Румянцев А.Г. и др., 2004). Ферритин сохраняет избыточное железо в нетоксичной, растворимой форме, которое легко мобилизуется из него для нужд организма и, таким образом, ферритин поддерживает нормальный баланс железа в организме. Сама молекула ферритина состоит из белковой капсулы апоферритина и железосодержащего ядра, находящиеся в гидроксидфосфатном комплексе. Общее содержание железа в ядре ферритина варьирует и может достигать до 20% от общей молекулярной массы белка. В этом случае молекулярная масса холоферритина может достигать 900 000 дальтон. При массивном поступлении железа в организм гемосидерин может замещать ферритин в качестве хранилища этого биометалла. При этом значительное количество гемосидерина выявляется во вторичных лизосомах, так называемых сидеросомах. По видимому, гемосидерин представляет собой продукт протеолитической деградации полимеров ферритина, при которой освободившиеся железосодержащие ядра образует нерастворимые в воде агрегаты (Wоrwood M., 1982). Ферритин построен из 24 субъединиц, при этом субъединицы не являются идентичными, а состоят из двух типов субъединиц : H и L – субъединиц. Как и для трансферрина, для ферритина характерен феномен полиморфизма, предполагается, что это может иметь определенное физиологическое значение, в частности, предполагается, что изоферритины Н – типа могут аккумулировать значительно больше железа (Wоrwood M., 1982). Основной физиологической функцией ферритина является запасание железа в нетоксичной растворимой и легкодоступной форме и снабжении этим металлом синтеза различных железосодержащих белков и ферментов. Это функция ферритина, по-видимому, является не единственной, т.к. присутствие ферритина в кровотоке может означать, что этот металлопротеид может участвовать и в транспорте железа в организме. Основная функция ферритина осуществляется через процессы депонирования и мобилизации железа. Железо из лабильного внутриклеточного пула попадает внутрь молекулы ферритина через специальные каналы в его белковой капсуле в форме двухвалентного железа, а внутри молекулы ферритина это железо подвергается окислению, гидролизу и включается в железосодержащее ядро. К высвобождению железа из ферритина предшествует его восстановление до ферроионов. Таким образом, депонирование и мобилизация железа из ферритина представляет собой типичный окислительно - восстановительный процесс.

Общее содержание железа в депо у взрослых мужчин и женщин различается, по разным оценкам депо железа у мужчин оценивается в 1 грамм железа, у женщин 0,5 грамма. В кровотоке циркулирует так называемой сывороточный ферритин, источником которого являются клетки ретикулоэндотелиальной системы (Белошевский В.А., 2000). Биологическая функция сывороточного ферритина неясна. Осуществление функции транспорта железа ферринтином сыворотки из РЭС в гепатоциты, где для него есть рецепторы, представляется маловероятным, учитывая данные о низком содержании железа в молекулах сывороточного ферритина. Тем не менее, количественные исследования сывороточного ферритина выявили его значимость как маркера запасного депонированного фонда железа в организме.

Таким образом, гомеостаз железа в организме обеспечивается механизмами эффективной абсорбции железа в ЖКТ, транспортировкой его между клетками акцепторами и донорами и депонирования железа в ферритине.


3.4. Физиологические константы содержания железа в биосредах у детей
В настоящее время установлено, что отклонения в поступлении в организм макро- и микроэлементов, нарушение их соотношений в рационе питания непосредственно сказываются на деятельности организма, могут снижать или повышать его сопротивляемость, а следовательно, и способность к адаптации (А.П.Авцын и др., 1991). В последние годы изучение микроэлементного состава волос с помощью атомно-адсорбционного и других методов получает все большее распространение среди ученых медиков нашей Республики (С.М.Бахрамов, Х.К.Фарманкулов, 1995), особенно педиатров и гинекологов (И.И.Аманов, 2005; С.К.Расулов, 2007). Это связано с относительной простотой забора, хранения, пробоподготовки, а, главное, неинвазивностью данного обследования и возможностью одновременного определения широкого спектра микроэлементов.

Анализ содержания микроэлементов в образцах волос является одним из наиболее пригодных для целей массовых, скрининговых исследований на популяционном и индивидуальном уровнях. В то же время во многих странах не существует официально принятых нормативных концентраций большинства химических элементов в биосубстратах человека, в том числе и детей.

Исследованиями М.Г.Скальной с соавт. (2004) была предпринята попытка установить границы нормального содержания химических элементов в волосах жителей г. Москвы, относящихся к различным половозрастным группам, практически здоровых лиц с помощью центильных шкал (В.Г. Маймулов и др., 2000). Авторами были установлены границы стандартных центильных интервалов, принятых при массовых исследованиях: 3,5,10, 25, 50, 75, 90, 95 и 97 центилей (табл. 9). Авторами исследования выполнены в лаборатории АНО «Центр Биотической Медицины» методом атомной эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной аргоновой плазмой (АЭС-ИСП).

Таблица 9.



Центильные шкалы для оценки содержания железа в волосах у детей различного возраста (М.Г.Скальная, 2004) (мкг/г)


Центиль

Возраст детей




До 1 года

От 1 до 3 лет

От 4 до 6 лет

От 7 до 11 лет( мальчики)

От 7 до 11 лет( девочки)

От 12 до 17 лет(мальчики)

От 12 до 17 лет(девочки)

3

8,79

8,33

7,68

7,54

6,42

6,11

5,11




5

9,98

9,32

8,69

8,63

7,21

7,27

6,14




10

12,40

11,24

10,90

10,50

8,60

8,84

7,54




25

16,78

14,47

14,13

14,11

11,38

12,07

9,86




50

22,00

19,35

19,39

19,33

15,82

17,00

13,93




75

30,71

26,96

26,50

27,88

23,08

25,28

20,79




90

52,92

37,32

37,79

41,10

34,80

41,28

30,46




95

66,88

46,85

52,31

57,41

45,84

56,11

45,87




97

84,30

54,75

67,70

73,02

53,58

74,61

58,90



В качестве нормы принят интервал от 25 до 75 центиля, как соответствующий средним значения концентрации данного химического элемента в популяции – значения лежащие в интер-вале от 10 до 25 и от 75 до 90 центиля, рассматривались как соответствующие состоянию «предболезни», а в интервале от 0 до 10 и от 90 до 100 центилей – состоянию болезни (А.В.Скальный, 2001).

Как видно из представленных данных, концентрация железа в волосах с возрастом не претерпевает значительных изменений, различия между полами также слабо выражены. На основании вышеизложенного представляется возможным установить границы норм железа (табл. 10)
Таблица 10

Границы нормального (физиологического) содержания железа в волосах жителей г. Москвы, установленные при помощи анализа центильных интервалов (М.Г.Скальная, 2004) (мкг/г)


Элемент

Нижняя граница

Верхняя граница

Fe

10

30

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница