Metabolizmus železa v tele

Normálne telo zdravého dospelého človeka obsahuje približne 3 – 5 g železa, preto ho možno zaradiť medzi mikroelementy. Železo je v tele rozložené nerovnomerne. Približne 2/3 železa sa nachádza v hemoglobíne červených krviniek – ide o cirkulujúci fond (alebo zásobu) železa. U dospelých je tento fond 2 – 2,5 g, u donosených novorodencov 0,3 – 0,4 g a u predčasne narodených novorodencov 0,1 – 0,2 g. Relatívne veľa železa sa nachádza v myoglobíne: 0,1 g u mužov a 0,05 – 0,07 g u žien. Ľudské telo obsahuje viac ako 70 proteínov a enzýmov, medzi ktoré patrí aj železo (napríklad transferín, laktoferín), celkové množstvo železa v nich je 0,05 – 0,07 g. Železo transportované transportným proteínom transferínom tvorí približne 1 % (fond transportu železa). Zásoby železa (depot, rezervný fond), ktoré tvoria približne 1/3 všetkého železa v ľudskom tele, sú pre lekársku prax mimoriadne dôležité. Funkciu depotu vykonávajú tieto orgány:

• pečeň;
• slezina;
• kostná dreň;
• mozog.

Železo je v depe obsiahnuté vo forme feritínu. Množstvo železa v depe možno charakterizovať stanovením koncentrácie SF. SF je dnes jediným medzinárodne uznávaným markerom zásob železa. Konečným produktom metabolizmu železa je hemosiderín, ktorý sa ukladá v tkanivách.

Železo je najdôležitejším kofaktorom enzýmov mitochondriálneho dýchacieho reťazca, citrátového cyklu, syntézy DNA, hrá dôležitú úlohu pri väzbe a transporte kyslíka hemoglobínom a myoglobínom; proteíny obsahujúce železo sú nevyhnutné pre metabolizmus kolagénu, katecholamínov a tyrozínu. Vďaka katalytickému pôsobeniu železa v reakcii Fe2 ^* <--> Fe3 ^tvorí voľné nechelátované železo hydroxylové radikály, ktoré môžu spôsobiť poškodenie bunkových membrán a bunkovú smrť. V procese evolúcie bola ochrana pred škodlivým účinkom voľného železa vyriešená tvorbou špecializovaných molekúl na absorpciu železa z potravy, jeho absorpciu, transport a ukladanie v netoxickej rozpustnej forme. Transport a ukladanie železa sa vykonávajú špeciálnymi proteínmi: transferínom, transferínovým receptorom, feritínom. Syntéza týchto proteínov je regulovaná špeciálnym mechanizmom a závisí od potrieb tela.

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

Metabolizmus železa u zdravého človeka je uzavretý v cyklu

Každý deň človek stráca približne 1 mg železa s biologickými tekutinami a deskvamovaným epitelom gastrointestinálneho traktu. Presne rovnaké množstvo sa môže vstrebať v gastrointestinálnom trakte z potravy. Malo by sa jasne chápať, že železo sa do tela dostáva iba s potravou. Denne sa teda stratí 1 mg železa a 1 mg sa vstrebe. V procese rozkladu starých erytrocytov sa uvoľňuje železo, ktoré makrofágy využívajú a opätovne používajú pri konštrukcii hému. Telo má špeciálny mechanizmus na vstrebávanie železa, ale vylučuje sa pasívne, to znamená, že neexistuje žiadny fyziologický mechanizmus na vylučovanie železa. Preto, ak vstrebávanie železa z potravy nespĺňa potreby tela, nedostatok železa sa vyskytuje bez ohľadu na príčinu.

Distribúcia železa v tele

1. 70 % celkového množstva železa v tele tvorí súčasť hemoproteínov; sú to zlúčeniny, v ktorých je železo viazané na porfyrín. Hlavným predstaviteľom tejto skupiny je hemoglobín (58 % železa); okrem toho do tejto skupiny patrí myoglobín (8 % železa), cytochrómy, peroxidázy, katalázy (4 % železa).
2. Skupina nehemových enzýmov - xantínoxidáza, NADHdehydrogenáza, akonitáza; tieto enzýmy obsahujúce železo sú lokalizované prevažne v mitochondriách, hrajú dôležitú úlohu v procese oxidačnej fosforylácie, transportu elektrónov. Obsahujú veľmi málo kovu a neovplyvňujú celkovú bilanciu železa; ich syntéza však závisí od prísunu železa do tkanív.
3. Transportnou formou železa je transferín, laktoferín, nízkomolekulárny nosič železa. Hlavným transportným feroproteínom plazmy je transferín. Tento proteín beta-globulínovej frakcie s molekulovou hmotnosťou 86 000 má 2 aktívne miesta, z ktorých každé môže viazať jeden atóm Fe3 ⁺. V plazme je viac väzbových miest pre železo ako atómov železa, a preto v nej nie je žiadne voľné železo. Transferín sa môže viazať aj na iné kovové ióny - meď, mangán, chróm, ale s rôznou selektivitou a železo sa viaže primárne a pevnejšie. Hlavným miestom syntézy transferínu sú pečeňové bunky. So zvýšením hladiny uloženého železa v hepatocytoch sa syntéza transferínu citeľne znižuje. Transferín, ktorý prenáša železo, je atraktívny pre normocyty a retikulocyty a množstvo absorpcie kovu závisí od prítomnosti voľných receptorov na povrchu erytroidných prekurzorov. Membrána retikulocytov má výrazne menej väzbových miest pre transferín ako pronormocyt, čo znamená, že príjem železa sa s pribúdajúcim vekom erytroidných buniek znižuje. Nízkomolekulárne nosiče železa zabezpečujú intracelulárny transport železa.
4. Uložené, rezervné alebo náhradné železo môže mať dve formy - feritín a hemosiderín. Zlúčenina rezervného železa pozostáva z proteínu apoferitínu, ktorého molekuly obklopujú veľké množstvo atómov železa. Feritín je hnedá zlúčenina, rozpustná vo vode, obsahuje 20 % železa. Pri nadmernej akumulácii železa v tele sa syntéza feritínu prudko zvyšuje. Molekuly feritínu sú prítomné takmer vo všetkých bunkách, ale obzvlášť veľa ich je v pečeni, slezine a kostnej dreni. Hemosiderín je v tkanivách prítomný ako hnedý, zrnitý, vo vode nerozpustný pigment. Obsah železa v hemosideríne je vyšší ako vo feritíne - 40 %. Škodlivý účinok hemosiderínu v tkanivách je spojený s poškodením lyzozómov, akumuláciou voľných radikálov, čo vedie k bunkovej smrti. U zdravého človeka je 70 % rezervného železa vo forme feritínu a 30 % vo forme hemosiderínu. Miera využitia hemosiderínu je výrazne nižšia ako u feritínu. Zásoby železa v tkanivách možno posúdiť na základe histochemických štúdií pomocou semikvantitatívnej metódy hodnotenia. Počíta sa počet sideroblastov - jadrových erytroidných buniek obsahujúcich rôzne množstvo nehemových železných granúl. Zvláštnosťou distribúcie železa v tele malých detí je, že majú vyšší obsah železa v erytroidných bunkách a menší obsah železa vo svalovom tkanive.

Regulácia bilancie železa je založená na princípoch takmer úplného spätného využitia endogénneho železa a udržiavania požadovanej hladiny vďaka absorpcii v gastrointestinálnom trakte. Polčas vylučovania železa je 4-6 rokov.

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

Absorpcia železa

Absorpcia prebieha hlavne v dvanástniku a počiatočnej časti jejuna. V prípade nedostatku železa v tele sa absorpčná zóna rozširuje distálnym smerom. Denná strava zvyčajne obsahuje asi 10-20 mg železa, ale v gastrointestinálnom trakte sa absorbuje iba 1-2 mg. Absorpcia hémového železa výrazne prevyšuje príjem anorganického železa. Neexistuje jednoznačný názor na vplyv valencie železa na jeho absorpciu v gastrointestinálnom trakte. V. I. Nikuličeva (1993) sa domnieva, že Fe²⁺ ^sa prakticky neabsorbuje ani pri normálnych, ani pri nadmerných koncentráciách. Podľa iných autorov absorpcia železa nezávisí od jeho valencie. Bolo zistené, že rozhodujúcim faktorom nie je valencia železa, ale jeho rozpustnosť v dvanástniku pri alkalickej reakcii. Žalúdočná šťava a kyselina chlorovodíková sa podieľajú na absorpcii železa, zabezpečujú obnovu oxidovej formy (Fe²H⁻ ⁾ na oxidovú formu (Fe²⁺ ⁾, ionizáciu a tvorbu zložiek dostupných na absorpciu, ale to platí iba pre nehémové železo a nie je to hlavný mechanizmus regulácie absorpcie.

Proces absorpcie hemového železa nezávisí od žalúdočnej sekrécie. Hemové železo sa vstrebáva vo forme porfyrínovej štruktúry a až v črevnej sliznici sa odštiepi od hému a vytvorí ionizované železo. Železo sa lepšie vstrebáva z mäsových výrobkov (9 – 22 %) obsahujúcich hemové železo a oveľa horšie z rastlinných produktov (0,4 – 5 %), ktoré obsahujú nehemové železo. Železo sa z mäsových výrobkov vstrebáva rôznymi spôsobmi: železo sa horšie vstrebáva z pečene ako z mäsa, pretože železo v pečeni je obsiahnuté vo forme hemosiderínu a feritínu. Varenie zeleniny vo veľkom množstve vody môže znížiť obsah železa o 20 %.

Absorpcia železa z materského mlieka je jedinečná, hoci jeho obsah je nízky - 1,5 mg/l. Okrem toho materské mlieko zvyšuje vstrebávanie železa z iných produktov konzumovaných súčasne s ním.

Počas trávenia sa železo dostáva do enterocytov, odkiaľ prechádza do krvnej plazmy pozdĺž koncentračného gradientu. Pri nedostatku železa v tele sa jeho prenos z lúmenu gastrointestinálneho traktu do plazmy zrýchľuje. Pri nadbytku železa v tele sa prevažná časť železa zadržiava v bunkách črevnej sliznice. Enterocyt, naložený železom, sa presúva zo základne na vrchol klku a stráca sa spolu s odlupujúcim sa epitelom, čo zabraňuje vstupu prebytočného kovu do tela.

Proces vstrebávania železa v gastrointestinálnom trakte je ovplyvnený rôznymi faktormi. Prítomnosť oxalátov, fytátov, fosfátov a tanínov v hydine znižuje vstrebávanie železa, pretože tieto látky tvoria komplexy so železom a odstraňujú ho z tela. Naopak, kyselina askorbová, jantárová a pyrohroznová, fruktóza, sorbitol a alkohol vstrebávanie železa zvyšujú.

V plazme sa železo viaže na svoj nosič, transferín. Tento proteín transportuje železo predovšetkým do kostnej drene, kde železo preniká do erytrocytov a transferín sa vracia do plazmy. Železo vstupuje do mitochondrií, kde dochádza k syntéze hému.

Ďalšiu cestu železa z kostnej drene možno opísať takto: počas fyziologickej hemolýzy sa z erytrocytov uvoľní 15 – 20 mg železa denne, ktoré využívajú fagocytujúce makrofágy; potom sa hlavná časť opäť venuje syntéze hemoglobínu a len malé množstvo zostáva vo forme rezervného železa v makrofágoch.

30 % celkového obsahu železa v tele sa nevyužíva na erytropoézu, ale ukladá sa v depotoch. Železo vo forme feritínu a hemosiderínu sa ukladá v parenchymatóznych bunkách, najmä v pečeni a slezine. Na rozdiel od makrofágov parenchymatózne bunky spotrebúvajú železo veľmi pomaly. Príjem železa parenchymatóznymi bunkami sa zvyšuje pri významnom nadbytku železa v tele, hemolytickej anémii, aplastickej anémii, zlyhaní obličiek a znižuje sa pri ťažkom nedostatku kovov. Uvoľňovanie železa z týchto buniek sa zvyšuje pri krvácaní a znižuje sa pri krvných transfúziách.

Celkový obraz metabolizmu železa v tele bude neúplný, ak nezohľadníme tkanivové železo. Množstvo železa, ktoré je súčasťou feroenzýmov, je malé - iba 125 mg, ale význam enzýmov tkanivového dýchania je ťažké preceňovať: bez nich by bol život žiadnej bunky nemožný. Zásoba železa v bunkách nám umožňuje vyhnúť sa priamej závislosti syntézy enzýmov obsahujúcich železo od kolísania jeho príjmu a výdaja v tele.

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

Fyziologické straty a vlastnosti metabolizmu železa

Fyziologické straty železa z tela dospelého človeka sú približne 1 mg za deň. Železo sa stráca exfoliačným kožným epitelom, epidermálnymi výrastkami, potom, močom, stolicou a exfoliačným črevným epitelom. U žien sa železo stráca aj krvou počas menštruácie, tehotenstva, pôrodu a laktácie, čo je približne 800 – 1 000 mg. Metabolizmus železa v tele je znázornený na diagrame 3. Je zaujímavé poznamenať, že obsah železa v sére a saturácia transferínu sa počas dňa menia. Vysoké koncentrácie železa v sére sa pozorujú ráno a nízke hodnoty večer. Nedostatok spánku u ľudí vedie k postupnému znižovaniu obsahu železa v sére.

Metabolizmus železa v tele ovplyvňujú stopové prvky: meď, kobalt, mangán, nikel. Meď je nevyhnutná pre vstrebávanie a transport železa; jej účinok sa realizuje prostredníctvom cytochromoxidázy, ceruloplazmínu. Účinok mangánu na proces hematopoézy je nešpecifický a je spojený s jeho vysokou oxidačnou kapacitou.

Aby sme pochopili, prečo je nedostatok železa najčastejší u malých detí, dospievajúcich dievčat a žien v plodnom veku, pozrime sa na charakteristiky metabolizmu železa v týchto skupinách.

K akumulácii železa u plodu dochádza počas celého tehotenstva, ale najintenzívnejšie (40 %) v poslednom trimestri. Preto predčasný pôrod o 1 – 2 mesiace vedie k 1,5 – 2-násobnému zníženiu prísunu železa v porovnaní s donosenými deťmi. Je známe, že plod má pozitívnu bilanciu železa, ktorá ide proti koncentračnému gradientu v prospech plodu. Placenta intenzívnejšie zachytáva železo ako kostná dreň tehotnej ženy a má schopnosť absorbovať železo z hemoglobínu matky.

Existujú protichodné údaje o vplyve nedostatku železa u matky na zásoby železa u plodu. Niektorí autori sa domnievajú, že sideropénia v tehotenstve neovplyvňuje zásoby železa u plodu; iní sa domnievajú, že existuje priama súvislosť. Dá sa predpokladať, že zníženie obsahu železa v tele matky vedie k nedostatku zásob železa u novorodenca. Vývoj anémie z nedostatku železa v dôsledku vrodeného nedostatku železa je však nepravdepodobný, pretože výskyt anémie z nedostatku železa, hladiny hemoglobínu a sérového železa v prvý deň po narodení a v nasledujúcich 3 – 6 mesiacoch sa nelíšia u detí narodených zdravým matkám a matkám s anémiou z nedostatku železa. Obsah železa v tele donoseného a predčasne narodeného novorodenca je 75 mg/kg.

U detí, na rozdiel od dospelých, musí alimentárne železo nielen dopĺňať fyziologické straty tohto mikroelementu, ale aj uspokojovať rastové potreby, ktoré sú v priemere 0,5 mg/kg za deň.

Hlavnými predpokladmi pre rozvoj nedostatku železa u predčasne narodených detí, detí z viacpočetných tehotenstiev a detí mladších ako 3 roky sú teda:

• rýchle vyčerpanie rezerv v dôsledku nedostatočného príjmu exogénneho železa;
• zvýšená potreba železa.

Metabolizmus železa u dospievajúcich

Charakteristickým znakom metabolizmu železa u dospievajúcich, najmä dievčat, je výrazný rozpor medzi zvýšenou potrebou tohto mikroelementu a jeho nízkym príjmom do tela. Dôvody tohto rozporu sú: rýchly rast, zlá výživa, športové aktivity, silná menštruácia a počiatočná nízka hladina železa.

U žien v plodnom veku sú hlavnými faktormi vedúcimi k rozvoju nedostatku železa v tele silná a dlhotrvajúca menštruácia, viacpočetné tehotenstvá. Denná potreba železa u žien, ktoré počas menštruácie strácajú 30 – 40 ml krvi, je 1,5 – 1,7 mg/deň. Pri väčšej strate krvi sa potreba železa zvyšuje na 2,5 – 3 mg/deň. V skutočnosti sa cez gastrointestinálny trakt dostane iba 1,8 – 2 mg/deň, t. j. 0,5 – 1 mg/deň železa sa nedá doplniť. Deficit mikroelementov teda bude 15 – 20 mg mesačne, 180 – 240 mg ročne a 1,8 – 2,4 g za 10 rokov, t. j. tento nedostatok prevyšuje obsah rezervného železa v tele. Okrem toho je pre rozvoj nedostatku železa u ženy dôležitý počet tehotenstiev, interval medzi nimi a trvanie laktácie.