Обмін заліза в організмі

У нормі в організмі здорової дорослої людини міститься близько 3-5 г заліза, таким чином, залізо можна класифікувати як мікроелемент. Залізо розподіляється в організмі нерівномірно. Приблизно 2/3 заліза міститься в гемоглобіні еритроцитів – це циркулюючий фонд (або пул) заліза. У дорослих цей пул становить 2-2,5 г, у доношених новонароджених – 0,3-0,4 г, а у недоношених – 0,1-0,2 г. Відносно багато заліза міститься в міоглобіні: 0,1 г у чоловіків і 0,05-0,07 г у жінок. В організмі людини міститься понад 70 білків і ферментів, до яких належить залізо (наприклад, трансферин, лактоферин), загальна кількість заліза в них становить 0,05-0,07 г. Залізо, що транспортується транспортним білком трансферином, становить близько 1% (фонд транспорту заліза). Запаси (депо, резервний фонд) заліза, які становлять близько 1/3 всього заліза в організмі людини, мають надзвичайно важливе значення для медичної практики. Функцію депо виконують такі органи:

• печінка;
• селезінка;
• кістковий мозок;
• мозок.

Залізо міститься в депо у формі феритину. Кількість заліза в депо можна охарактеризувати, визначивши концентрацію феритину заліза (SF). Сьогодні SF є єдиним міжнародно визнаним маркером запасів заліза. Кінцевим продуктом метаболізму заліза є гемосидерин, який відкладається в тканинах.

Залізо є найважливішим кофактором ферментів мітохондріального дихального ланцюга, цитратного циклу, синтезу ДНК, воно відіграє важливу роль у зв'язуванні та транспорті кисню гемоглобіном і міоглобіном; білки, що містять залізо, необхідні для метаболізму колагену, катехоламінів, тирозину. Завдяки каталітичній дії заліза в реакції Fe2 ^* <-->Fe3 ^, вільне нехелатне залізо утворює гідроксильні радикали, які можуть спричинити пошкодження клітинних мембран та загибель клітин. У процесі еволюції захист від шкідливої дії вільного заліза був вирішений шляхом формування спеціалізованих молекул для засвоєння заліза з їжі, його всмоктування, транспортування та відкладення в нетоксичній розчинній формі. Транспортування та відкладення заліза здійснюються спеціальними білками: трансферином, рецептором трансферину, феритином. Синтез цих білків регулюється спеціальним механізмом і залежить від потреб організму.

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

Метаболізм заліза у здорової людини є замкнутим циклом

Щодня людина втрачає близько 1 мг заліза з біологічними рідинами та десквамованим епітелієм шлунково-кишкового тракту. Рівно така ж кількість може всмоктатися в шлунково-кишковому тракті з їжі. Слід чітко розуміти, що залізо потрапляє в організм лише з їжею. Таким чином, щодня втрачається 1 мг заліза та всмоктується 1 мг. У процесі руйнування старих еритроцитів вивільняється залізо, яке утилізується макрофагами та повторно використовується в побудові гему. В організмі є спеціальний механізм всмоктування заліза, але виводиться воно пасивно, тобто фізіологічного механізму виведення заліза немає. Тому, якщо всмоктування заліза з їжі не відповідає потребам організму, виникає дефіцит заліза незалежно від причини.

Розподіл заліза в організмі

1. 70% загальної кількості заліза в організмі входить до складу гемопротеїнів; це сполуки, в яких залізо зв'язане з порфірином. Основним представником цієї групи є гемоглобін (58% заліза); крім того, до цієї групи належать міоглобін (8% заліза), цитохроми, пероксидази, каталази (4% заліза).
2. Група негемових ферментів – ксантиноксидаза, НАДН-дегідрогеназа, аконітаза; ці залізовмісні ферменти локалізовані переважно в мітохондріях, відіграють важливу роль у процесі окисного фосфорилювання, транспорті електронів. Вони містять дуже мало металу та не впливають на загальний баланс заліза; однак їх синтез залежить від надходження заліза до тканин.
3. Транспортною формою заліза є трансферин, лактоферин, низькомолекулярний переносник заліза. Основним транспортним феропротеїном плазми є трансферин. Цей білок бета-глобулінової фракції з молекулярною масою 86 000 має 2 активні центри, кожен з яких може приєднати один атом Fe3 ⁺. У плазмі більше сайтів зв'язування заліза, ніж атомів заліза, і таким чином у ній немає вільного заліза. Трансферин також може зв'язувати інші іони металів - мідь, марганець, хром, але з різною селективністю, причому залізо зв'язується переважно та міцніше. Основним місцем синтезу трансферину є клітини печінки. Зі збільшенням рівня депонованого заліза в гепатоцитах синтез трансферину помітно знижується. Трансферин, який переносить залізо, є поживним для нормоцитів та ретикулоцитів, а кількість поглинання металу залежить від наявності вільних рецепторів на поверхні еритроїдних попередників. Мембрана ретикулоцитів має значно менше сайтів зв'язування трансферину, ніж пронормоцит, а це означає, що поглинання заліза зменшується зі старінням еритроїдних клітин. Низькомолекулярні переносники заліза забезпечують внутрішньоклітинний транспорт заліза.
4. Депоноване, резервне або запасне залізо може бути у двох формах – феритин та гемосидерин. Сполука резервного заліза складається з білка апоферитину, молекули якого оточують велику кількість атомів заліза. Феритин – це коричнева сполука, розчинна у воді, містить 20% заліза. При надмірному накопиченні заліза в організмі синтез феритину різко зростає. Молекули феритину присутні майже у всіх клітинах, але особливо багато їх у печінці, селезінці, кістковому мозку. Гемосидерин присутній у тканинах у вигляді коричневого, зернистого, нерозчинного у воді пігменту. Вміст заліза в гемосидерині вищий, ніж у феритині – 40%. Шкідлива дія гемосидерину в тканинах пов'язана з пошкодженням лізосом, накопиченням вільних радикалів, що призводить до загибелі клітин. У здорової людини 70% резервного заліза знаходиться у формі феритину, а 30% – у формі гемосидерину. Швидкість утилізації гемосидерину значно нижча, ніж у феритину. Запаси заліза в тканинах можна оцінити на основі гістохімічних досліджень за допомогою напівкількісного методу оцінки. Підраховується кількість сидеробластів – ядерних еритроїдних клітин, що містять різну кількість негемових гранул заліза. Особливістю розподілу заліза в організмі дітей раннього віку є те, що у них вищий вміст заліза в еритроїдних клітинах і менший – у м’язовій тканині.

Регуляція балансу заліза базується на принципах майже повної реутилізації ендогенного заліза та підтримки необхідного рівня за рахунок всмоктування у шлунково-кишковому тракті. Період напіввиведення заліза становить 4-6 років.

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

Засвоювання заліза

Всмоктування відбувається переважно у дванадцятипалій кишці та початковому відділі порожньої кишки. При дефіциті заліза в організмі зона всмоктування поширюється в дистальному напрямку. Добовий раціон зазвичай містить близько 10-20 мг заліза, але в шлунково-кишковому тракті всмоктується лише 1-2 мг. Всмоктування гемового заліза значно перевищує споживання неорганічного заліза. Немає чіткої думки щодо впливу валентності заліза на його всмоктування в шлунково-кишковому тракті. В. І. Нікулічева (1993) вважає, що Fe2 ⁺ практично не всмоктується ні при нормальних, ні при надлишкових концентраціях. На думку інших авторів, всмоктування заліза не залежить від його валентності. Встановлено, що вирішальним фактором є не валентність заліза, а його розчинність у дванадцятипалій кишці при лужній реакції. Шлунковий сік і хлоридна кислота беруть участь у всмоктуванні заліза, забезпечують відновлення оксидної форми (Fe2H ⁾ до оксидної форми (Fe2 ⁺ ), іонізацію та утворення компонентів, доступних для всмоктування, але це стосується лише негемового заліза і не є основним механізмом регуляції всмоктування.

Процес всмоктування гемового заліза не залежить від шлункової секреції. Гемове залізо всмоктується у вигляді порфіринової структури і лише в слизовій оболонці кишечника воно відщеплюється від гему та утворює іонізоване залізо. Залізо краще всмоктується з м'ясних продуктів (9-22%), що містять гемове залізо, і значно гірше з рослинних продуктів (0,4-5%), які містять негемове залізо. Залізо з м'ясних продуктів всмоктується по-різному: з печінки залізо всмоктується гірше, ніж з м'яса, оскільки залізо в печінці міститься у формі гемосидерину та феритину. Варіння овочів у великій кількості води може знизити вміст заліза на 20 %.

Засвоюваність заліза з грудного молока унікальна, хоча його вміст низький – 1,5 мг/л. Крім того, грудне молоко збільшує засвоєння заліза з інших продуктів, що споживаються одночасно з ним.

Під час травлення залізо потрапляє в ентероцит, звідки по градієнту концентрації переходить у плазму крові. При дефіциті заліза в організмі його перехід з просвіту шлунково-кишкового тракту в плазму прискорюється. При надлишку заліза в організмі основна частина заліза затримується в клітинах слизової оболонки кишечника. Ентероцит, насичений залізом, переміщується від основи до верхівки ворсинки та втрачається разом із десквамованим епітелієм, що запобігає потраплянню надлишку металу в організм.

На процес всмоктування заліза в шлунково-кишковому тракті впливають різні фактори. Наявність оксалатів, фітатів, фосфатів і таніну в м'ясі птиці знижує всмоктування заліза, оскільки ці речовини утворюють комплекси з залізом і виводять його з організму. Навпаки, аскорбінова, бурштинова та піровиноградна кислоти, фруктоза, сорбіт і спирт посилюють всмоктування заліза.

У плазмі залізо зв'язується зі своїм переносником, трансферином. Цей білок транспортує залізо переважно до кісткового мозку, звідки залізо проникає в еритроцити, а трансферин повертається в плазму. Залізо потрапляє в мітохондрії, де відбувається синтез гему.

Подальший шлях заліза з кісткового мозку можна описати так: під час фізіологічного гемолізу з еритроцитів вивільняється 15-20 мг заліза на добу, яке утилізується фагоцитарними макрофагами; потім основна його частина знову йде на синтез гемоглобіну і лише невелика кількість залишається у вигляді резервного заліза в макрофагах.

30% загального вмісту заліза в організмі не використовується для еритропоезу, а відкладається в депо. Залізо у формі феритину та гемосидерину зберігається в паренхіматозних клітинах, переважно в печінці та селезінці. На відміну від макрофагів, паренхіматозні клітини споживають залізо дуже повільно. Надходження заліза паренхіматозними клітинами збільшується при значному надлишку заліза в організмі, гемолітичній анемії, апластичній анемії, нирковій недостатності та зменшується при тяжкому дефіциті металів. Вивільнення заліза з цих клітин збільшується при кровотечі та зменшується при переливанні крові.

Загальна картина обміну заліза в організмі буде неповною, якщо не враховувати тканинне залізо. Кількість заліза, що входить до складу фероферментів, невелика – лише 125 мг, але значення ферментів тканинного дихання важко переоцінити: без них життя будь-якої клітини було б неможливим. Запас заліза в клітинах дозволяє уникнути прямої залежності синтезу залізовмісних ферментів від коливань його надходження та витрати в організмі.

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

Фізіологічні втрати та особливості метаболізму заліза

Фізіологічні втрати заліза з організму дорослої людини становлять близько 1 мг на добу. Залізо втрачається з відлущуваним епітелієм шкіри, епідермальними придатками, потом, сечею, калом та відлущуваним кишковим епітелієм. У жінок залізо також втрачається з кров'ю під час менструації, вагітності, пологів та лактації, що становить близько 800-1000 мг. Метаболізм заліза в організмі показано на діаграмі 3. Цікаво відзначити, що вміст заліза в сироватці крові та насичення трансферину змінюються протягом дня. Висока концентрація заліза в сироватці крові спостерігається вранці, а низькі значення - ввечері. Недосипання у людей призводить до поступового зниження вмісту заліза в сироватці крові.

На обмін заліза в організмі впливають мікроелементи: мідь, кобальт, марганець, нікель. Мідь необхідна для засвоєння та транспорту заліза; її вплив реалізується через цитохромоксидазу, церулоплазмін. Вплив марганцю на процес кровотворення неспецифічний і пов'язаний з його високою окислювальною здатністю.

Щоб зрозуміти, чому дефіцит заліза найчастіше зустрічається у маленьких дітей, дівчаток-підлітків та жінок дітородного віку, давайте розглянемо особливості метаболізму заліза в цих групах.

Накопичення заліза у плода відбувається протягом усієї вагітності, але найбільш інтенсивно (40%) в останньому триместрі. Тому передчасні пологи на 1-2 місяці призводять до зниження надходження заліза в 1,5-2 рази порівняно з доношеними дітьми. Відомо, що у плода позитивний баланс заліза, що йде проти градієнта концентрації на користь плода. Плацента інтенсивніше захоплює залізо, ніж кістковий мозок вагітної жінки, і має здатність засвоювати залізо з гемоглобіну матері.

Існують суперечливі дані щодо впливу дефіциту заліза у матері на запаси заліза у плода. Деякі автори вважають, що сидеропенія під час вагітності не впливає на запаси заліза у плода; інші вважають, що існує прямий зв'язок. Можна припустити, що зниження вмісту заліза в організмі матері призводить до дефіциту запасів заліза у новонародженого. Однак розвиток залізодефіцитної анемії внаслідок вродженого дефіциту заліза малоймовірний, оскільки частота залізодефіцитної анемії, рівень гемоглобіну та сироваткового заліза в перший день після народження та в наступні 3-6 місяців не відрізняються у дітей, народжених здоровими матерями, та матерів із залізодефіцитною анемією. Вміст заліза в організмі доношеної та недоношеної новонародженої дитини становить 75 мг/кг.

У дітей, на відміну від дорослих, харчове залізо повинно не лише поповнювати фізіологічні втрати цього мікроелемента, а й задовольняти потреби росту, які в середньому становлять 0,5 мг/кг на добу.

Таким чином, основними передумовами розвитку дефіциту заліза у недоношених дітей, дітей від багатоплідної вагітності та дітей віком до 3 років є:

• швидке виснаження резервів через недостатнє екзогенне надходження заліза;
• підвищена потреба в залізі.

Метаболізм заліза у підлітків

Особливістю обміну заліза у підлітків, особливо дівчат, є виражена невідповідність між підвищеною потребою в цьому мікроелементі та низьким його надходженням в організм. Причинами такої невідповідності є: швидкий ріст, неправильне харчування, заняття спортом, рясні менструації та початковий низький рівень заліза.

У жінок дітородного віку основними факторами, що призводять до розвитку дефіциту заліза в організмі, є рясні та тривалі менструації, багатоплідна вагітність. Добова потреба в залізі для жінок, які втрачають 30-40 мл крові під час менструації, становить 1,5-1,7 мг/добу. При більшій крововтраті потреба в залізі зростає до 2,5-3 мг/добу. Фактично, через шлунково-кишковий тракт може надходити лише 1,8-2 мг/добу, тобто 0,5-1 мг/добу заліза не може бути поповнено. Таким чином, дефіцит мікроелемента становитиме 15-20 мг на місяць, 180-240 мг на рік, 1,8-2,4 г на 10 років, тобто цей дефіцит перевищує вміст резервного заліза в організмі. Крім того, для розвитку дефіциту заліза у жінки важливе значення мають кількість вагітностей, інтервал між ними та тривалість лактації.