Метаболизм железа биохимия. Обмен железа в организме человека. Характерные признаки железодефицитных анемий

Для более глубокого понимания изменений, происходящих при ЖДА, представляется целесообразным кратко описать метаболизм железа в организме человека.

Железо - один из основных микроэлементов организма: его содержание составляет 0,0065% массы тела, т. е. около 4-5 г. у взрослого человека. Биологическая роль железа связана со способностью легко окисляться и восстанавливаться. Ферропротеины транспортируют кислород и передают электроны, то есть являются непосредственными участниками тканевого дыхания (Рисунок 1).

Рисунок 1. Распределение железа в организме

1. 70% общего количества железа в организме входит в состав гемопротеинов; это соединения, в которых железо связано с порфирином. Основной представитель этой группы - гемоглобин (58% железа); кроме того, в эту группу входят миоглобин (8% железа), цитохромы, пероксидазы, каталазы (4% железа).

2. Группу негемовых ферментов - ксантиноксидаза, НАД-Н-дегидрогеназа, аконитаза; эти железосодержащие ферменты локализуются в основном в митохондриях, играют важную роль в процессе окислительного фосфорилирования, транспорте электронов. Они содержат очень мало металла и не влияют на общий баланс железа; однако их синтез зависит от обеспеченности тканей железа.

3. Транспортная форма железа - трансферрин, лактоферрин, низкомолекулярный переносчик железа. Основным транспортным ферропротеином плазмы является трансферрин. Этот белок бетта- глобулиновой фракции с молекулярным весом 86000 имеет два активных участка, каждый из которых может присоединить по одному атому железа трёх валентного. В плазме присутствует больше железосвязывающих сайтов, чем атомов железа и, таким образом, в ней нет свободного железа. Трансферрин может связывать и другие ионы металлов - медь, марганец, хром, но с иной селективностью, а железо связывается в первую очередь и более прочно. Основное место синтеза трансферрина - клетки печени. С повышением уровня депонированного железа в генатоцитах синтез трансферрина заметно снижается. Трансферрин, несущий железо, авиден к нормоцитам и ретикулоцитам, причём величина поглощения металла зависит от наличия свободных рецепторов на поверхности эритроидных предшественников. На мембране ретикулоцита значительно меньше участков связывания для трансферрина, чем на пронормоците, то есть по мере старения эритроидной клетки захват железа уменьшается.

Низкомолекулярные переносчики железа обеспечивают транспорт железа внутри клеток.

4. Депонированное, резервное или запасное железо может находиться в двух формах - ферритин и гемосидерин. Содержание резервного железа состоит из белка апоферритина, молекулы которого окружают болыно-е количество атомов железа. Ферритин - соединение коричневого цвета, растворимо в воде, содержит 20% железа. При избыточном накоплении железа в организме резко возрастает синтез ферритина. Молекулы ферритина имеются практически во всех клетках, но особенно много их в печени, селезёнке, костном мозге. Гемосидерин присутствует в тканях в виде бурого, гранулярного, нерастворимого в воде пигмента. Содержание железа в гемосидерине выше, чем в ферритине - 40%. Повреждающее действие гемосидерина в тканях сопряжено с повреждением лизосом. Накоплением свободных радикалов. Что приводит к гибели клетки. У здорового человека 70% резервного железа находится в виде ферритина, а 30% - в виде гемосидерина. Скорость использования гемосидерина значительно ниже, чем ферритина. О запасах железа в тканях можно судить на основании гистохимических исследований, применяя полуколичественный метод оценки. Подсчитывают число сидеробластов - ядерных эритроидных клеток, содержащих разное количество гранул негемового железа.

Особенность распределения железа в организме детей младшего возраста заключается в том, что у них выше содержание железа в эритроидных клетках и меньше железа приходится на мышечную ткань.

Регуляция баланса железа базируется на принципах почти полной реутилизации эндогенного железа и поддержание необходимого уровня за счёт всасывания в желудочно-кишечном тракте. Полу период выведения железа составляет 4-6 лет.

Общее содержание железа в организме человека составляет в среднем 4-5г. Ежедневно с пищей поступает около 15-20г железа. В обычных условиях в 12-перстной кишке и проксимальных отделах тощей кишки всасывается 1-1,5 мг, а при повышенной потребности организма всасывается до 10 мг. Суточная потребность составляет для мужчин 10 мг, для женщин – 18 мг (в период беременности и лактации – 38 и 33 мг соответственно). Железо в организме содержится в нескольких формах:

Клеточное железо составляет значительную часть от общего количества железа в организме, участвует во внутреннем обмене железа и входит в состав гемсодержащих соединений (гемоглобина, миоглобина, ферментов, например цитохромов, пероксидазы, каталаз), негемовых ферментов (например, НАДН-дегидрогеназы), металлопротеидов (например, аконитазы)

Внеклеточное железо. К нему относят свободное железо плазмы и железосвязывающие сывороточные белки (трансферрин, лактоферрин), участвующие в транспорте железа.

Железо запасов находится в организме в виде двух белковых соединений - ферритина и гемосидерина, с преимущественным отложением в печени, селезёнке и мышцах и включается в обмен при недостаточности клеточного железа.

Затраты железа на эритропоэз составляют 25 мг в сутки, что весьма значительно превышает возможности всасывания железа в кишечнике. В связи с этим для гемопоэза постоянно используется железо, освобождающееся при распаде эритроцитов в селезенке.

Распространенность. ЖДА – наиболее распространенная форма анемии, составляющая 80-95% всех анемий. Люди, страдающие скрытым дефицитом железа и ЖДА, составляют 15-30% населения Земли. Наиболее широко ЖДА распространена среди детей, подростков, женщин детородного возраста, пожилых людей.

Этиология.

Хронические кровопотери:

маточные кровотечения – несомненно, самая частая причина ЖДА у женщин;

желудочно-кишечные кровотечения (язвы и эрозии желудка и 12-перстной кишки, опухоли ЖКТ, десневые кровотечения, дивертикулы ЖКТ, в т.ч. дивертикул Меккеля, геморрой, варикозное расширение вен пищевода, кровотечения в замкнутые полости – эндометриоз, синдром Гудпасчера);

носовые кровотечения;

донорство

Повышенная потребность в железе – беременность, роды, лактация; период полового созревания и роста, интенсивные занятия спортом

Нарушение всасывания железа :

Хронические энтериты и энтеропатии с развитием синдрома мальабсорбции

Резецированный желудок и кишечник

Другие причины – ХПН, гемосидероз легких, вегетарианство

Патогенез ЖДА. Недостаточность железа Hb приводит к гемической гипоксии, так как снижается способность эритроцитов к связыванию и транспорту кислорода, развивается тканевая гипоксия – нарушение метаболизма в тканях, ацидоз.

Уменьшение синтеза миоглобина ведет к мышечной гипотонии и дистрофии.

Истощение клеточных ферментов (цитохромоксидаз ), участвующих в основных видах обмена, приводит к нарушению трофики клеток и тканей, их дегенеративным изменениям – сидеропения.

Недостаточное поступление железа в костный мозг обусловливает нарушение эритропоэза.

Снижение активности некоторых железосодержащих ферментов в лейкоцитах нарушает их фагоцитарную и бактерицидную функции и угнетает защитные иммунные реакции.

Классификация

1. По этиологии

Вследствие хронических кровопотерь (хроническая постгеморрагическая анемия)

Вследствие повышенного расхода железа (повышенной потребности в железе)

Вследствие недостаточного исходного уровня железа (у новорожденных и детей младшего возраста)

Алиментарная (нутритивная)

Вследствие недостаточного всасывания в кишечнике

Вследствие нарушения транспорта железа

По степени тяжести:

Клиническая картина

Легкая степень анемии чаще протекает бессимптомно

Клинические проявления ЖДА можно сгруппировать в два важнейших синдрома.

Анемический синдром (вследствие снижения содержания Hb и эритроцитов) – слабость, утомляемость, головокружение, шум в ушах, мелькание мушек перед глазами, сердцебиение, одышка при физической нагрузке, могут быть обмороки, у больных с ИБС – обострение заболевания, учащение приступов.

Объективно: бледность кожи и видимых слизистых. Анемия обусловливает развитие синдрома миокардиодистрофии, который проявляется одышкой, тахикардией, часто аритмией. При аускультации сердца выслушивают негромкий систолический шум функционального характера, тахикардию, возможна артериальная гипотензия. При тяжелой и длительной анемии миокардиодистрофия может привести к выраженной недостаточности кровообращения.

Сидеропенический синдром (вследствие тканевого дефицита железа):

извращение вкуса – пристрастие к мелу, зубному порошку, глине, углю, сырому тесту;

извращение обоняния – запах бензина, ацетона, лаков, красок и др.;

дистрофические изменения кожи и ее придатков (сухость, шелушение кожи, тусклость, ломкость и выпадение волос, истончение, ломкость, поперечная исчерченность ногтей, койлонихии – ложкообразно вогнутые ногти)

ангулярный стоматит – трещины, «заеды» в углах рта;

глоссит – жжение языка, атрофия сосочков – «лакированный» язык. Склонность к пародонтозу и кариесу

атрофические изменения слизистой оболочки ЖКТ – дисфагия, атрофический гастрит и энтерит

симптом «голубых» склер (глаза Мальвины) – в результате дефицита железа нарушается синтез коллагена в склере, она истончается и через нее просвечивает сосудистая оболочка глаза

предрасположенность к ОРВИ и хронизации инфекций из-за снижения иммунитета.

Диагностика. Важнейшим является общий анлиз крови , в котором отмечается - снижение Hb и эритроцитов, снижение ЦП (гипохромная анемия), среднего содержания Hb в эритроцитах, микроцитоз, анизоцитоз (эритроциты различной величины), пойкилоцитоз (различной формы), может быть увеличение СОЭ до 20-25 мм/ч.

В биохимическом анализе крови – характерно снижение уровня сывороточного железа (N у мужчин - 13-30 мкмоль/л, у женщин – 11-25 мкмоль/л), ферритина (N у мужчин - 85-130 мкг/л, у женщин – 58-150 мкг/л). Одновременно отмечается повышение общей (в норме 44,8-70 мкмоль/л) и латентной (28,8-50,4 мкмоль/л) железосвязывающей способности сыворотки , снижение процента насыщения трансферрина железом (25-40%).

На ЭКГ – снижение амплитуды зубца Т, этот зубец может быть отрицательным, возможна экстрасистолия.

Таким образом, в едущие диагностические критерии ЖДА – микроцитарный гипохромный характер анемии, снижение содержания сывроточного железа и ферритина, повышение общей и латентной железосвязывающей способности сыворотки.

После установления диагноза ЖДА врач обязан выяснить причину и источник кровопотери. Проводится весь комплекс необходимых исследований (эндоскопическое, рентгенологическое и УЗ-исследование ЖКТ, гинекологическое обследование, исследование кала на скрытую кровь в реакции Грегерсена, рентгенологическое исследование органов грудной клетки и др.).

Лечение ЖДА. Основная задача – устранение причины кровопотери .

Восстановить запасы железа только диетой невозможно, так как всасывание железа из пищевых продуктов ограничено. В рационе необходимо достаточное количество животных белков (говядина, телятина, печень).

Если нет синдрома нарушенного всасывания, то препараты железа нужно принимать перорально , при этом необходимо учитывать содержание в таблетке чистого Fe 2+ .

В организм больного в сутки должно поступать не менее 20-30 мг Fe 2+ , что может быть обеспечено суточной дозой 100 мг. При эффективной терапии препаратами железа через 8-12 дней в крови повышается количество ретикулоцитов. Повышение Hb отмечают обычно с 3-й недели терапии. После достижения концентрации Hb 120 г/л прием препаратов железа продолжают еще 1-2 месяца.

Пероральные препараты железа: железа сульфат, железа глюконат, сорбифер-дурулес, ферроплекс, актиферрин, тардиферрон, фенюльс.

При ненарушенном всасывании железа в кишечнике предпочтительно назначение парентеральных препаратов железа.

Парентеральные препараты железа : феррум-лек, ферковен. При внутривенном введении они высокоаллергенны, при внутримышечном – болезненны и накапливаются в тканях, оставляют пигментацию.

Заместительная терапия . Трансфузию эритроцитарной массы проводят только по жизненным показаниям, так как при хронической ЖДА больной часто адаптирован к низким показателям Hb и терапия проводится препаратами железа внутрь.

Профилактика. Первичная – заключается в употреблении продуктов с высоким содержанием железа (мясо, печень, сыры, творог, желток, гречневая крупа) лицами группы риска (беременные, доноры, подростки, женщины с полименореей).

Вторичная – при продолжающихся кровопотерях профилактический прием препаратов железа.

Течение и прогноз ЖДА благоприятны при своевременной диагностике и адекватной терапии, устранении этиологического фактора, регулярной вторичной профилактике дефицита железа.

2110

Железо является одним из жизненно важных микроэлементов человеческого тела, участвует в транспорте кислорода, тканевом дыхании, процессах детоксикации, деления клеток, передаче генетической информации, защите от инфекций. Анализ железа в крови проводится в лаборатории.

В теле человека находится 3-4 грамма железа или 50 мг/кг у мужчины и 35 мг/кг у женщины в репродуктивном возрасте (13-50 лет).

Распределение железа в теле и его функции:

• до 2/3 железа находится в составе гемоглобина эритроцитов крови и их предшественниках в красном костном мозге, железо переносит кислород к тканям
• 10% в миоглобине – белке скелетных мышц
• 15% в ферментах печени обеспечивающих обезвреживание
• 10% в макрофагах
• 0,1% железа связано с трансферрином в крови, т.е. находится «в пути» по кровеносным сосудам, за день это количество обновляется 5 раз

Уровень железа в сыворотке крови у взрослого 8-10 мг/л.

Все железо тела делят на два вида:

- функционирующее или «рабочее» - выполняет нужные организму функции, составляет 75% железа

- депонированное – запасное или резервное для пополнения рабочего пула, представлено ферритином и гемосидерином, составляет до 25%

Формы железа в теле человека

Потребности в железе

Потребности человеческого организма в железе меняются на протяжении жизни.

Количество железа у доношенного новорожденного ребенка составляет около 75 мг/кг массы тела, большая часть его была получена плодом в третьем триместре беременности. Данные объемы железа быстро израсходуются на протяжении первых месяцев жизни, поскольку рост ребенка очень активен.

Только с достижением половой зрелости нормы потребления железа уравновешиваются с расходами.

Дневная потребность в железе мг/день

Дети : 0-6 месяцев – 0,27

7-12 месяцев – 11

1-3 года – 7

4-8 лет – 10

9-13 лет – 8

Мужчины :14-18 лет – 11

19-90 лет – 8

Женщины : 14-18 лет – 15

19-50 лет – 18

51-90 лет – 8

Беременность : 27

Лактация: 10

Да, железо, безусловно нужный микроэлемент, но в то же время является токсическим веществом. Свободное железо Fe 2+ приводит к возникновению свободных радикалов, при этом повреждаются печень, поджелудочная железа , миокард, эндокринные железы (щитовидная, яичники/яичник, гипофиз). Поэтому железо всегда связано с одним из переносчиков, а его всасывание и распределение строго регулируется. У мужчин железа в теле больше чем у женщин, что обусловлено не только большей мышечной массой, но и количеством эритропоэтина (подробнее читай в статье о эритропоэтине).

Основные органы в обмене железа

• кишечник
• печень
• красный костный мозг
• макрофаги в ретикуло-эндотелиальной системе (РЭС) – селезенка, лимфатические узлы, костный мозг

Метаболизм железа

Метаболизм железа направлен на регуляцию процессов его поглощения и выведения с целью поддержания оптимального баланса.

В процессе обмена железа выделяют следующие этапы:

1. всасывание
2. транспорт
3. использование
4. выделение

Поступление железа

При рождении ребенок имеет 250 мг железа, при грудном кормлении получает его с грудным молоком, при искусственном – из молочных смесей.

Железо пищевых продуктов находится в в 2-х формах:

- гемовое (ионизированное, закисное) Fe 2+ - способно легко всасываться, источник - продукты животного происхождения

- негемовое (неионизированное, окисное) Fe 3+ - самостоятельно не всасывается, требует превращения в Fe 2+ , источник – растительные продукты

Для человека основным источником железа является именно гемовое железо Fe 2+ , которого больше всего в красном мясе (до 2/3 потребляемого Fe). О источниках железа в продуктах питания написано здесь.

Всасывание железа

На поверхности слизистой оболочки 12-ти перстной и верхней части тощей кишки у здорового человека всасывается около 10% железа пищи, что составляет 1-2 мг за сутки, это количество отвечает объему физиологических потерь (1-2 мг/сутки). При повышенной потребности в железе, например, при кровотечениях, поглощение может вырасти в 10 раз.

В зависимости от валентности всасывание железа проходит разными путями:

1) негемовое железо Fe 3+ переходит в Fe 2 + под влиянием фермента на поверхности каймы энтероцита – дуоденального цитохромома содержащего витамин С (аскорбиновую кислоту) .

2) Fe 2+ поступает в клетку эпителия кишечника при помощи специального транспортера-переносчика DMT 1 (divalent metal transporter 1) , кроме железа он способен переносить и другие двовалентные металлы.

Гемм в энтероците освобождается от переносчика ферментом гемоксигеназой на свободное железо. Точные механизмы транспорта железа внутри кишечных клеток не установлены.

Внутри энтероцита железо хранится в форме ферритина или переносится в кровь .

С базальной мембраны энтероцита, обращенной к сосудам, железо переносится в кровь при помощи феропортина . Поступая в кровь, железо связывается со своим специфическим переносчиком – трансферрином . При выходе из клетки железо переходит в техвалентную форму Fe 3+ с помощью гефестина , а процесс контролируется белком гепсидином (читай далее).

Процесс всасывания железа контролируется, но выведение – нет!

Транспорт железа в крови

Одна молекула трансферрина способна связать 2 молекулы трехвалентного железа.

96% железа рециркулирует в теле, т.е. снова используется «свое» железо, без привлечения железа из пищи.

Метаболизм железа довольно экономен, представляет собой закрытый цикл, в котором максимально используется железо уже находящееся в обороте. Основой этого цикла является железо из «погибших» эритроцитов . Таким образом, за день рециркулируется около 20 мг железа, что в 10 раз больше всасываемого.

На втором месте по значению в рециркуляции находятся макрофаги, захватывающие старые эритроциты. Внутри макрофага эритроцит распадается, а гемоксигеназа высвобождает железо из гемоглобина. Железо из макрофага после окисления церулоплазмином через феропортин попадает снова в кровь к трансферрину.

Использование железа клетками тела

Клетка, которая нуждается в железе, имеет на своей поверхности трансферриновые рецепторы , с коротыми связывается трансферрин.

Рецептор-опосредованным эндоцитозом внутрь клетки попадают комплекс «трансферриновый рецептор-трансферрин-железо».

Fe 3+ высвобождается из этой связи и превращается в Fe 2 + , выходит из эндосомы через специальный транспортер-переносчика DMT 1 (divalent metal transporter 1, тот же что и на слизистой кишечника). Трансферриновый рецептор опять возвращается на поверхность клетки и отщепляет свободный трансферрин в кровь.

Внутри клетки Fe 2 + может поступить в митохондрии, где ферментом ферохелатазой вкладывается в протопорфирин – так заканчивается синтез гемма для гемоглобина. Железо также может быть депонировано в форме ферритина – сложной молекулы из белков и железа (Fe 3+). Оксидировать железо способен только ферритин.

При дефиците железа внутри клетки повышается количество трансферриновых рецепторов на ее поверхности, при избытке – уменьшается.

Выведение железа из тела

Потеря железа происходит при слущивании клеток эпителия кишечника и с кровью (в физиологических условиях только при менструациях). Дневные потери железа 1-2 милиграмма.

Организм не способен избыток железа удалить.

Складирование железа

Ферритин и гемосидерин являеются депо-формами железа. Но, железо из ферритина может быть повторно использовано, а из гемосидерина – нет.

Регуляция обмена железа

На уровне организма основным регулятором обмена железа является гепсидин .

4.3.1. В организме человека содержится 4 – 6 г железа. Из этого количества 65-70% приходится на долю гемоглобина. Значительно меньше Fе находится в составе других гемсодержащих белков (миоглобин, цитохромы), а также металлопротеинов (ферритин, трансферрин). Поэтому обмен железа в организме определяется прежде всего синтезом и распадом гемоглобина эритроцитов. Недостаточное поступление железа в организм проявляется в первую очередь как анемия (железодефицитная). Общая схема обмена железа представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. Обмен железа в организме.

4.3.2. В кишечнике всасывается лишь небольшая часть (около 1/10) имеющегося в пище железа. Транспортной формой железа в крови служит белок плазмы крови трансферрин. Другой белок, участвующий в метаболизме железа – ферритин – служит для депонирования железа, присутствует в большинстве тканей. Железо, освобождающееся при разрушении эритроцитов, может, как правило, повторно использоваться (реутилизироваться) для построения новых молекул хромопротеинов. Однако часть железа теряется организмом, главным образом, с желчью. Эти потери компенсируются поступлением железа с пищей.

4.4. Катаболизм гемоглобина.

4.4.1. Содержание гемоглобина в крови здоровых людей составляет 130-160 г/л. Гемоглобин крови полностью обновляется в течение 120 дней (продолжительность жизни эритроцита).

Разрушение эритроцитов и начальные этапы катаболизма гема происходят в клетках ретикуло-эндотелиальной системы (РЭС), которые находятся в печени (клетки Купфера), селезёнке, костном мозге. Схема катаболизма гемоглобина в тканях приводится на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Схема катаболизма гемоглобина в тканях.

4.4.2. Продукты распада гема называют желчными пигментами , так как все они в разных количествах обнаруживаются в желчи. К желчным пигментам относятся: биливердин (зелёного цвета), билирубин (красно-коричневого цвета), уробилиноген и стеркобилиноген (бесцветные), уробилин и стеркобилин (жёлтого цвета). Далее приводятся формулы билирубина и его диглюкуронида.