Система транспорта железа в клетках: физиология и токсикология поглощения из пищи энтероцитами кишечника. Вещества, тормозящие или улучшающие всасывание железа Абсорбция железа что

Вследствие ограниченной способности млекопитающих экскретироватъ железо, решающее значение для обеспечения его гомеостаза имеет тонко регулируемый процесс его всасывания из просвета двенадцатиперстной кишки.

Наши представления о механизмах адсорбции этого и других металлов в кишечнике за последние годы существенно изменились благодаря интенсивным исследованиям, проводимым с использованием современных биотехнологий. Однако публикуемые данные носят в большинстве своем разрозненный характер, а ряд позиций носит противоречивый характер.

Всасывание железа в кишечнике

Поступление железа в организм происходит через слизистую оболочку кишечника, где оно адсорбируется из пищи энтероцитами. Энтероциты (лат. enterocytus) - общее название клеток эпителия, выстилающих слизистую оболочку кишечника, которые являются высокоспециализированными клетками, координирующими абсорбцию и транспорт Fe ворсинками. Различают следующие типы энтероцитов: каёмчатые, бескаёмчатые, бокаловидные, ацидофильные (клетки Панета) и др. Их закладка происходит в кишечных (Либер-кюновых) криптах. Клетки кишечной крипты являются полипотентными, они мигрируют к ворсинкам и дифференцируются в энтероциты. В последних происходит синтез белков, ответственных за абсорбцию, хранение и транспорт железа из воды и пищи. Процесс обновления кишечных энтероцитов происходит постоянно. Энтероциты перемещаются из складок слизистой оболочки к вершине ворсинок примерно за 24-36 часа и затем постепенно отторгаются в просвет кишечника (суммарное время жизнедеятельности 48-72 часа). Исключение составляют клетки Панета, которые располагаются на дне крипт и обновляются раз в 30 дней. В просвет кишки в сутки попадает около 250 г. отторгнутых от слизистой энтероцитов. 10 % массы энтероцитов составляют белки, которые расщепляются в процессе пищеварения. Большая часть продуктов их распада снова всасывается.

Клетки кишечной крипты являются полипотентными предшественниками энтероцитов, которые мигрируют к ворсинкам и дифференцируются в зрелые. Регуляция абсорбции Fe осуществляется белками, расположенными на апикальной и базолатеральной мембранах энтероцита. При этом на апикальной мембране ресположены транспортные, регуляторные и вспомогательные белки, обеспечивающие абсорбцию, трансформацию и транспорт гема и негемового Fe в клетку. Базолатеральная мембрана и пограничная область энтероцита являются носителями транспортеров и медиаторов перехода Fe в кровь с участием ферропортина, трансферриновых рецепторов и HFE, где железо находится в связанном с трансферрином транспортном комплексе. Не экспортированное в плазму Fe удаляется из организма при слущивании энтероцитов.

Поступающее с пищей железо находится в основном в трехвалентном состоянии (Fe 3+). В кислой среде желудка образуются комплексные соединения Fe 3+ с муцинами (муцины или мукопротеины - семейство высокомолекулярных гликопротеинов, содержащих кислые полисахариды, входят в состав секретов всех слизистых желёз). Комплекс Fe 3+ -муцин делает железо доступным для поглощения в щелочной среде двенадцатиперстной кишки.

Поглощение железа в кишечнике происходит по трем основным путям: с транспортером двухвалентных катионов 1 (DCT-1/DMT-1/Nramp2), в составе мобилферрин-интегринового комплекса, а также по специальному пути для поглощения гемового железа из пищи.

Регуляция абсорбции Fe происходит на апикальной и базолатеральной мембранах. При этом апикальная мембрана специализирована для поглощения гема и Fe2+ из воды и пищи, а базолатеральная мембрана является медиатором перехода Fe во внутренние эпителиальные клетки для дальнейшего его использования организмом. Железо, которое не экспортируется в плазму, теряется при слущивании внутреннего эпителия.

Реализация первого пути осуществляется по следующему сценарию. На апикальной поверхности энтероцитов происходит связывание Fe 3+ из муцина с дуоденальным цитохромом b (Dcytb). Дуоденальный цитохром b является ферриредуктазой, восстанавливает Fe 3+ до Fe 2+, что делает возможным перенос железа с участием DMT1. Этот транспортер является представителем большого семейства белков, осуществляющих транспорт различных двухвалентных ионов металлов, однако его основной функцией является трансмембранный перенос Fe2 + . У человека он кодируется геном SLC11А2.

Было высказано предположение, что эффективность поглощения определяется количеством железа в развивающихся энтероцитах, находящихся в Либеркюновых криптах. Этот процесс регулирует экспрессию DMT1 в зрелых энтероцитах кишечных ворсинок. Экспрессия мРНК DMT1 и белка начинается в криптах ворсинок и увеличивается до достижения высоких уровней в середине ворсинок. Из-за снижения содержания внутриклеточного железа дифференцирующиеся энтероциты, мигрирующие к вершине ворсинок, начинают вырабатывать повышенное количество DMT-1, в результате чего усиливается захват железа.

Уровень экспрессии транспортера DMT1 в энтероцитах крипт зависит от обеспеченности железом организма в целом. Информация поступает в энтероциты с железотрансферриновым комплексом через базолатеральную мембрану путем рецепторопосредованного эндоцитоза. Происходит программирование уровня активности энтероцита в части его способности к поглощению железа. Эта программа сохраняется в течение всего периода жизнедеятельности клетки. Umbreit et al. полагают, что на базолатеральной мембране клетки существуют рецепторы нагруженного железом и свободного от металла трансферрина, которые регулируют вход и выход трансферрина, соответственно.

Этот процесс зависит от белка гемохроматоза HFE. Белок гемохроматоза человека кодируется геном HFE. Ген HFE расположен на коротком плече хромосомы 6, локусе 6р21.3. Белок, кодируемый этим геном, является мембранным белком, который связывается с бета-2 микроглобулином. Считается, что этот белок выполняет функции по контролю всасывания железа, регулируя взаимодействие рецептора трансферрина с трансферрином. В норме HFE экспрессируется в энтероцитах крипт дуоденума, где он расположен преимущественно интрацеллюлярно и ассоциирован с рецептором трансферрина TfR. Этот комплекс регулирует уровень поглощения железа в кишечнике.

Таким образом, мутация HFE-гена нарушает трансферрин-опосредованный захват железа энтероцитами двенадцатиперстной кишки, вследствие чего формируется ложный сигнал о наличии низкого содержания железа в организме, что, со своей стороны, приводит к повышенной выработке железосвязывающего белка DMT-1 в ворсинках энтероцитов и как следствие - к повышенному захвату железа, что приводит к гемохроматозу . Экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что транспорт железа и других двухвалентных ионов металлов посредством DMT1 является рН-зависимым, но точный механизм регулирующего действия рН неизвестен.

Второй путь транспорта железа в кишечнике касается транслокации только Fe 3+ и протекает при посредничестве ключевого белка мо-билферрина (mobilferrin), в то время как первый путь транспорта железа специализирован на переносе через мембрану энтероцита Fe 2+ и протекает при посредничестве DMT-1. Оба пути абсорбции негемового железа в кишечнике функционируют параллельно.

Причем, второй путь впервые был найден в зрелых энтероцитах, у которых на апикальной поверхности практически нет рецепторов трансферрина. При его реализации мобилферрин (белок массой 56 кДа) на внутренней поверхности клетки связывается с поверхностным гетеро-димерным белком интегрином и интернализуется в клетку путем эндоцитоза в клатриновых везикулах, в которых железо связано в большой комплекс массой 520 кДа, известный как.

В комплекс входят интегрин, мобилферрин, флавинмонооксигеназа, связанные с помощью NADP. Этот комплекс служит ферри-редуктазой и восстанавливает Fe 3+ до Fe 2+ . В состав комплекса входят и другие компоненты, например, ß-2-микроглобулин, функции которых еще до конца не выяснены. Этим путем также поглощаются растворимые хелаты железа, например, цитрат железа. Комплекс железа ассоциируется с клеточной поверхностью интегрином, а затем переносится в цитоплазму мобилферрином.

У железодефицитных животных и DMT-1, и мобилферрин сосредоточены на апикальной поверхности микроворсинок. Значительная часть железотранспортных белков локализуется в бокаловидных клетках и вне клеток в муцине, о чем свидетельствуют результаты иммунофлуоресцентного анализа, электронной микроскопии и выделения муцина центрифугированием в градиенте хлорида цезия. Simovich М. с соавт. предложили новую модель транспорта ионов металлов.

Металлотранспортные белки путем экзоцитоза выходят из внутриклеточных везикул в просвет кишечника, где они взаимодействуют с муцином. Это увеличивает площадь поверхности и позволяет большей части железа, находящегося в содержимом просвета кишки, связаться с белками. Как только металл связывается с экстернализованным белком, он интернализуется в клетку. Этот механизм объясняет многие уникальные свойства железосвязывающих белков, и может быть более общей моделью для объяснения механизма поглощения других питательных веществ.

Третий путь абсорбции железа в энтероцитах обусловлен тем общеизвестным фактом, что в составе обычной пищи примерно 30 % продуктов питания содержат железо в составе гемоглобина и миоглобина, которые имеют не разрушенный в процессе протеолиза гем. Он способен проходить через апикальную мембрану энтероцита. При этом важно подчеркнуть, что участники процесса транспорта гема до сего времени не изучены (кроме НСР1 и гемоксигеназ).

Важным представляется и тот факт, что через базолатеральную мембрану гем не проходит, а подвергается полному распаду в лизосомах энтероцитов. Тем не менее, наличие участвующего в транспорте гема белка (экспортера гема Abcg2), практически во всех типах клеток позволяет постулировать важную роль процесса транспорта гема в поддержании гомеостаза железа в организме. Можно также предположить осуществление этими белками регуляторных функций, учитывая их расположение на апикальной мембране энтероцита и способность к реэкспорту избытка гемового железа в просвет кишки.

В энтероцитах железо связывается и хранится в виде ферритина, который впоследствии либо используется, либо удаляется в результате слущивания эпителиальных клеток. Квота железа, предназначенная для метаболизма в других тканях, переносится через базо-латеральную мембрану энтероцита.

Базолатеральный транспортер - ферропортин FPN 1, ответственный за транслокацию железа из клеток кишечника в кровь через базолатеральную мембрану - локализуется в мембранах зрелых энтероцитов и отсутствует в клетках крипты. Этот транспортер требует присутствия гефестина, церулоплазминподоб-ной ферроксидазы, для окисления железа из Fe 2+ в Fe 3+ . Поступающее в кровь железо практически полностью связывается апотрансферрином для дальнейшего транспорта во все органы и ткани.

Наряду с функцией экспорта железа из энтероцита в кровь базолатеральная мембрана осуществляет важную регуляторную функцию за счет наличия в ней трансферриновых рецепторов, реагирующих с трансферрином плазмы крови. В зависимости от уровня металлизованного трансферрина, трансферриновый рецептор сигнализирует о необходимости усиления или ослабления поглощения железа из просвета кишечника.

Транспорт железа в кишечнике и другие металлы

Наличие развитой системы транспорта железа в проксимальном отделе тонкого кишечника обеспечивает, в известной мере, его защитную роль при нагрузке организма широким спектром эссенциальных и токсичных металлов. Это объясняется использованием многими металлами для поступления в кровь желе эотранспортной системы. Так, например, способность DMT1 к транспорту отличных от железа двухвалентных тяжелых металлов способствует их всасыванию в верхнем отделе тонкой кишки.

Этим путем в организм попадают, в частности, Ni 2+ и Со 2+ . Экспериментально установлено, что для Мn 2+ данный путь поступления является основным при непрофессиональном контакте, хотя в последние годы были открыты и другие, независимые от DMTI пути. Кроме того, этот путь может использоваться в качестве вспомогательного при абсорбции Cd 2+ , Cu 2+ , Pb 2+ и Zn 2+ . Тем не менее, процесс абсорбции этих металлов может быть эффективным лишь при дефиците железа в клетках, либо при высоком содержании конкурирующего металла в кишечнике. Поглощение железа подавляется на 50% при соотношении концентраций Cu:Fe = 1,4. Ингибирование возрастает до 79,2 и 92,5% при его увеличении до 10 и 100 раз, соответственно. Подобные соотношения имеют место и при свинцовых отравлениях. Однако, при этом имеет место потенцирующий эффект за счет включения двух механизмов дополнительно: ингибирование свинцом всасывания железа и его биодоступности в процессах эритропоэза.

Возможность использования DMT1 для абсорбции Си 2+ и РЬ 2+ подтверждается повышенным всасыванием этих металлов при гиперэкспрессии DMT1. Вспомогательный характер этого пути подтверждается отсутствием заметного конкурентного ингибирования всасывания железа в присутствии Си 2+ и РЬ 2+ в относительно низких концентрациях, что показано в экспериментах in vitro, а также достаточно эффективным всасыванием РЬ 2+ в других отделах кишечника, например, в подвздошной кишке, где содержание DMT1 значительно ниже, чем в дуоденуме.

Умеренный избыток железа в пище понижает всасывание Cd 2+ , который на апикальной мембране энтероцита связывается с DMT1. Активация DMT1 дефицитом железа протекает по генетически обусловленному механизму с активацией синтеза мРНК и самого белка, что требует для реализации значительного времени (3-7 суток), связывание же кадмия с DMT1 идет в режиме реального времени, эффект наблюдается через 2-3 часа. Это не исключает наличия других механизмов всасывания кадмия через мембрану энтероцита.

Исследования на людях и животных показали антагонистические взаимоотношения железа и цинка при их всасывании в кишечнике. Цинк снижает индуцированную поглощением железа (Н202)-генерирующую систему глюкозы/глюкозооксидазы, ингибирует активацию железо-регуляторного белка 1 и экспрессию DMT1. Частичная общность транспортных путей при поглощении цинка и железа объясняет конкурентный характер их всасывания, что должно обязательно учитываться при коррекции микроэлементозов медикаментозным путем.

Альтернативный путь транспорта железа посредством мобилферрининтегрина также частично используется в транспорте цинка и кадмия. Цинк и железо конкурируют между собой за связывание с мобилферрином, но в целом их транспорт не является конкурентным. Иммунопреципитаты интегрина, содержащего радиоизотоп Zn, были получены с мо-ноклональными антителами к p-1-интегрину человека. Это позволило предположить, что Fe и Zn могут использовать различные интегрины для пересечения клеточной мембраны.

Поступающие в энтероциты ТМ транспортируются в кровь путем образования комплексов с металлотионеином и другими транспортерами, индуцибельный синтез которых в энтероцитах достигает высоких значений в условиях соответствующей нагрузки.

Помимо алиментарных металлоэнтеропатий, существенное значение для токсикологии железа имеют такие особенности его биологического действия, как способность вызывать оксидативный стресс при действии различных физических и химических инициирующих факторов, что лежит в основе патогенеза широкого круга заболеваний. Их развитие может усугубляться в условиях железодефитных анемий различного генеза, а также наследственным гемохроматозом и вторичными гиперхромными состояниями.

В частности, наследственный гемохроматоз (НН) является аутосомно-рецессивным заболеванием, характеризующимся повышенной кишечной абсорбцией железа из пищи. Без терапевтического вмешательства, перегрузка железом приводит к множественным поражениям органов, таким как цирроз печени , кардиомиопатия , диабет , артрит, гипогонадизм и пигментация кожи. Большинство больных НН являются носителями мутантных генотипов HFE. Кроме того, у них могут отмечаться мутации в генах, которые кодируют белки, участвующие в процессах регуляции гомеостаза железа, такие как гемо-ювелин, гепсидин, рецептор трансферрина 2 (TfR2) и ферропортина (SLC40A1).

Таким образом, накопленный в основном в последние годы значительный объем информации, касающейся одного из ключевых и лимитирующих этапов обмена железа в организме человека и животных и поддержания его гомеостаза, показывает, что система кишечного транспорта железа носит сложный, многокомпонентный и тонко регулируемый характер. Эта система оказывает влияние на осуществление и эффективность выполняемых этим биоэлементом жизненно важных функций.

Доминирующую роль в кишечной абсорбции и транспорте железа играют белки-транспортеры. Представления о их функционировании подверглись существенному пересмотру в связи с открытием ряда вспомогательных и регуляторных белков, которые объединяются с соответствующими транспортерами в функциональные комплексы. Они обеспечивают целенаправленную трансформацию транспортных форм железа с минимизацией риска токсического действия, а также осуществляют управление гомеостазом железа, обеспечивая его биодоступность для метаболических и физиологических процессов.

Анализ механизмов действия систем транспорта железа в энтероцитах показал наличие их существенных особенностей, а также вскрыл наличие ряда недостаточно изученных аспектов проблемы транспорта, которые касаются ее физиологического и токсикологического компонентов.

Все это выдвигает задачу проведения дальнейших исследований по следующим основным направлениям:

1. Установление роли и взамосвязи транспортных белков и основных путей абсорбции и дальнейшей транслокации железа из кишечника.
2. Изучение роли комплексов металла с муцином, механизмов абсорбции на люминальной мембране кишечника и их значимости в процессах абсорбции железа и других металлов.
3. Остается недостаточно изученным воздействие железа и других металлов на ферментный комплекс желудка и кишечника во взаимосвязи с абсорбцией и усвоением эссенциальных микроэлементов, а также обратной взаимосвязи с пищеварительной функцией секреторного и энзиматического аппарата ЖКТ.
4. Отсутствует дифференциация путей транспорта железа с участием DMT1 и мобилферрина, а абсорбцию гема в кишечнике можно считать практически неизученной.

Л.М. Шафран, Е.Г. Пыхтеева, Е.С Шитко
Украинский НИИ медицины транспорта, г. Одесса

Железо, незаменимый элемент для роста и выживания организмов, играет важную роль в многочисленных биологических функциях. Его участие особенно очевидно в транспорте кислорода гемоглобином, в синтезе ДНК (в составе коэнзима редуктазы рибонуклеотидов) и в активности оксидоредукции многочисленных митохондриальных энзимов.

Количество железа в организме чрезвычайно стабильно и определяется равновесием между поступлением и исходом этого металла. Механизмы регуляции движения железа длительное время оставались не понятными. За последние годы были открыты многие протеины, вызывающие особый интерес. Некоторые из них участвуют в абсорбции железа из пищи на апикальном полюсе дуоденальных энтероцитов, тогда как другие, принимают участие в транспорте этого металла в плазму на базолатеральном полюсе тех же энтероцитов. Также были открыты два основных регулятора гомеостаза железа, протеин HFE и гепсидин. Применение моделей на животных и молекулярные генетические исследования различных форм гемохроматоза человека произошли именно из тех новых знаний, которые привели к эволюции старых моделей.

Взрослый человек обладает приблизительно 4 г железа. Последнее обеспечивается за счет очень небольшой части поступающей с пищей и в основном за счет рециклирования железа, начиная с лизиса старых кровяных телец. В этом последнем механизме особенно задействованы макрофаги селезенки и красного костного мозга, и в меньшей мере, клетки Kupffer. От 60 до 70% железа инкорпорированы в гемоглобин. Приблизительно 10% находится в миоглобине, цитохромах и энзимах содержащих железо. Остальное железо переходит в запас железа или в форме ферритина (легко мобилизируемая форма резерва) или в форме гемосидерина (трудно мобилизуемая форма резерва). Плазматический транспорт включает трансферритиновое железо и составляет приблизительно 1% железа от общего объема организма.

Ежедневные потери железа чрезвычайно малы, порядка 1 мг в день. В основном они осуществляются через пищеварительный тракт: десквамация эпителиальных клеток кишечника, микрокровотечения и потери с желчью. Железо также теряется и при десквамации эпителиальных клеток кожи, и в меньшей степени с мочой. Компенсация этих потерь имеет фундаментальное значение и происходит путем абсорбции железа из пищи. Интестинальная абсорбция представляет главный этап, который должен тщательно регулироваться; человеческий организм не имеет средств контроля за его экскрецией. Регуляция этой абсорбции сама находится под воздействием общего содержания железа в организме, эритропоетической активности, гипоксии и содержания железа и природы питания.

1. Интестинальная абсорбция железа
Энтероциты ворсинок двенадцатиперстной кишки и проксимальной части jejunum ответственны почти за полную абсорбцию геминического и негеминического железа. Эти энтероциты являют-ся результатом созревания и миграции мультипотентных исходных клеток, располагающиеся в дуоденальных криптах. Чтобы попасть из интестинального просвета в плазму, железо должно пересечь апикальную мембрану, сам энтероцит, а затем базолатеральную мембрану.
Геминическое железо эндоцитируется с молекулой гема после сливания с потенциальным, пока еще не идентифицированным, рецептором. Затем железо освобождается в энтероците после отторжения молекулы гема гем-оксигеназой.

Что касается абсорбции железа не геминического на уровне апикального полюса энтероцита, то наиболее вероятный механизм - это участие транспортера дивалентного катиона DMT1. В этом случае атомы феррического железа поступившие с пищей сначала редуцируются в атомы фер-ритического железа ферриредуктазой, называемой Cybrd1, затем захватываются этим транс-портером. Значение этого пути абсорбции было продемонстрировано открытием у гомозиготных животных по спонтанной мутации в гене SLCIIA2 (мыши mk и крысы Belgrad) тяжелой микроци-тарной анемии. Эта анемия возникает в результате нарушения интестинальной абсорбции али-ментарного железа клетками эритропоэтической линии.

Второй механизм, также определяющий абсорбцию не гематического железа, включает комплекс муцин-интегрин-мобильферритин. Эта модель абсорбции, точный механизм которой не до конца выяснен, был предложен только группой Conrad et Umbreit.

Транспорт железа внутрь энтероцита остается малопознанным. Потенциальная токсичность этого металла предполагает, что он находится в комплексе с мелкими молекулами или внутриклеточными протеинами шаперонами. Некоторые авторы указывают на возможную роль протеина гефестина, а другие на таковую мобильферритина и параферритина. После захвата железо может быть направлено в сторону ферритина, где протеины энтероцита могут использовать его в качестве неорганического кофактора, или к базальному полюсу энтероцита. В первом случае абсорбированное железо будет утрачено в процессе естественной десквамации энтеро-цитов, тогда как во втором, оно будет находиться в резерве, чтобы быть направленным в общую циркуляцию.

Процесс высвобождения железа в сторону общей циркуляции включает по меньшей мере два протеина, которые были идентифицированы совсем недавно. Первый под названием ферропортин, это трансмембранная молекула ответственная за транспортировку ferreux железа. В любом случае экспримируясь единственно на базальном полюсе энтероцита, его будет недостаточно чтобы обеспечить выход железа. Функциональные исследования фактически показали, что этот механизм делает неизбежным активность второго протеина, феррооксидазы, представляемого гефестином. Роль ферропортина в транспорте железа было подтверждена in vivo недавним описанием у людей перегрузок железа, возникших в результате мутации в гене SLC40AI, кодирующего этот протеин. Роль протеина гефестина была выяснена обнаружением у мышей Sla (Sex-linked anaemia), представляющим фенотип микроцитарной анемии вторичной к недостатку экспорта железа энтероцитом в плазму. Этот недостаток является следствием делеции в гене, кодирующим гефестин. Эта анемия могла быть скореггирована путем паренетерального введения железа, но оставалась рефрактерной к оральному введению, что также подтверждало наличие аномалии на уровне интестинальной абсорбции.

2. Транспорт и целлюлярная абсорбция железа
Железо поступающее из энтероцитов (5%) и из рециклажа старых эритроцитов системы мононуклеарных макрофагов (95%) в нормальных условиях в основном переводится в костный мозг, где оно необходимо для синтеза гемоглобина. Фракция железа не предназначенная для костного мозга делится между другими различными местами утилизации и местами накопления представленными макрофагами, но в основном, гепатоцитами, особенно чувствительными к перегрузкам железом.

Железо транспортируется в плазму в основном в форме железа связанного с трансферрином. Комплекс железо-трансферрин затем захватывается рецептором 1 трансферрина (RTf1), присутствующим в различных органах, в частности печени и эритропоетических клетках. Во время перегрузок железа появляется особая биохимическая форма железа. Речь идет о железе не связанном с трансферрином, особенностью которого в отличие от железа связанного с трансферрином, является преимущество захвата печенью. Эта форма железа способного генерировать свободные радикалы, не поддается любой из известных форм регуляции и в весьма значительной степени способствует осложнениям связанным с перегрузками железом.

3. Становление клеточного железа
После проникновения в клетку железо должно быть правильно распределено между различными пулами, представленными пулом транзита, функциональным пулом и пулом накопления.

3.1 Пул транзита
Также называемого пул железа «малого молекулярного веса» или пул лабильного железа, это последнее представляет une plaque tournante, проходя через которую железа направляется или в функциональный пул, или в пул накопления. Выражаясь более точно, речь идет о железе, присутствующем в цитозоле в ферритической и/или феррозной форме, связанного с химическими соединениями, вероятно малого молекулярного веса, особенности которого еще надо установить.

3.2. Функциональный пул
Этот пул соответствует количеству железа необходимого и достаточного, чтобы обеспечить по-требности различных путей метаболизма необходимых для выживания клетки. Этот также связан с межклетчными коммуникациями. В частности речь идет о железе инкорпорированном в геминические протеины, такие как гемоглобин и цитохромы, а также о железе кофакторе различных энзиматических реакций, таких, например, как рибонуклеотид редуктаза.

3.3. Пул накопления
Главным образом он представлен железом инокорпорированным в виде ферритина и в меньшей степени железом инкорпорированным в гемосидерин.

4. Регуляция гомеостаза железа
Среди множественным механизмов конкурирующих в поддержании гомеостаза железа три феномена представляются особенно важными:
· абсорбция железа, начиная с просвета пищеварительного тракта энтероцитами, которая адаптирована до определенного уровня к ежедневным потерям и контролирует глобальное содержание железа в организме;
· система IRE/IRP (Iron Responsive Element/Iron Regulatory Protein) позволяет каждой клетки определять количество проникающего в нее железа и перенаправлять его при необходимости в сторону ферритина в целях предохранения клетки от пагубного эффекта перегрузкой цитозоли-ческого железа;
· эритрофагоцитоз и рециклаж железа эритроцитов предоставляет право распределения железа в плазме совокупности клеток и обеспечивает при этом биодоступность железа, имеющегося в организме. В отношении этого механизма или регуляции этого феномена в настоящее время имеется очень мало данных.

Эти три элемента таким образом соответственно участвуют в стабилизации запаса железа в организме, в овладении клеточным метаболизмом железа и распределении биодоступного железа.

4.1. Регуляция интестинальной абсорбции железа
Эта регуляция является важнейшей, так как человеческий организм не имеет средств контроля за его экскрецией. Если механизмы позволяющие регулировать эту абсорбцию еще не до конца известны, тем не менее есть сообщения о том что:

· клетки дуоденальных крипт кажется просвещены в отношении потребностей организма в железе и, в свою очередь, програмируют количества необходимого для абсорбции на уровне зрелых клеток ворсинок. Природа этого молекулярного сигнала еще пока неизвестна. Этот процесс разворачивается в течение двух трех дней с отсрочкой соответствующей созреванию и миграции энтероцитов на уровне интестинальной ворсичатости, местах абсорбции железа. Согласно Frazer et Anderson эта схема недостаточна для объяснения быстрых изменений происходящих на уровне интестинальной абсорбции железа при острой воспалительной реакции или после переливания ретикулоцитов. Также согласно этим авторам сигналы, модулирующие эту абсорбцию, оказывают непосредственный эффект на зрелые энтероциты дуоденальной ворсинчато-сти.; клетки крипт не играют никакой непосредственной роли в регуляции этого процесса;

· интестинальная асборбция железа контролируется количеством железа, недавно поступившего с пищей. В этом случае говорят об алиментарном регуляторе. Также чрезмерное количество железа в пище в течение нескольких дней может привести снижение обычно существующей абсорбции из пищи. Этот феномен, называемый слизистый блок, может наблюдаться даже при обеднении организма железом.

· У здорового индивидуума интестинальная абсорбция железа изменяется обратно пропорционально количеству запасенного железа и, наоборот, прямо пропорционально активности эритропоэза. В этой связи Finch предположил существование двух регуляторов: регулятор stock-зависимый, который осуществляет контроль по содержанию железа в организме и регуля-тор эритрозависимый, регулирующий по потребностям эритропоэза. Последние оказывают воздействие на процесс общего интестинального контроля (информируя криптические клетки), но последовательно и с разными количественными эффектами. Также stock-зависимый фактор позволяет увеличивать интестинальную абсорбцию железа, когда потребности остаются ограниченными 1 или 2 мг в день. Его вмешательство оказывается типично необходимым при менструальных потерях. Более значительные потребности порядка 3-4 мг в день включают активацию фактора эритро-зависимого. Это особенно заметно в случаях добровольного изъятия крови (доноры) или в целях лечебных. Эти два регулятора должны быть представлены двумя плазматическими растворимыми агентами, способными коммуницировать с различными сайтами участвующими в утилизации; относительно отдаленными друг от друга сайтами.

Недавно полученные результаты утверждают, что одним из кандидатов на функцию регулятора может быть гепсидин.

4.1.1. Гепсидин
Этот антимикробный пептид, синтезируемый в печени в форме препропептида из 84 аминокислот экскретируется в циркуляцию в форме зрелого структурированного пептида из 25 амино-кислот в присутсвтии восьми цистеинов, образующих четыре дисульфурных моста.

Участие гепсидина в метаболизме железа было выявлено по результатам работ двух различных групп применявшими общий подход сустрактивных банков между РНК мышей перегруженных и мышей контрольной группы. Значение роли гепсидина может быть подтверждено:

· описанием у трансгенных животных, сверхэкспримированных к гепсидину, глубокого обеднения железом с развитием гипохромной тяжелой микроцитарной анемии и плюс часто летальной в перинатальном периоде. Это наблюдение подтверждает роль гепсидина в трансплацентарном захвате железа;
· описание регрессии хронической рефрактерной анемии при хирургическом удалении аденомы печени чрезмерно выделявшей гепсидин;
· недавнее описание ассоциации между мутациями гена кодирующего гепсидин и наличием фенотипической картины тяжелого ювенильного гемахроматоза, демонстрирующим также зна-чительное участие гепсидина в метаболизме железа.

Гипотеза эндокринного действия этой молекулы была рассмотрена, но предполагается взаимодействие с одним или несколькими партнерами, которые требуют идентификации. Полученные данные к настоящему времени заставляют заниматься поиском взаимодействия этого мощного гормона с другими протеинами участвующими в метаболизме железа. Молекула HFE и протеины связанные с ней, рецептор 1 трансферрина и бета-2микроглобулина или также рецептор 2 трансферритина, могли бы представлять мишени выбора.

Гепсидин, вырабатываемый в избытке, вызывает снижение абсорбции железа и благоприятствует его задержке в макрофагальной системе. И наоборот, пониженный уровень выработки гепсидина оказывает благоприятствующий эффект на абсорбцию железа и сокращении его за-держки в макрофагах; это соответствует фенотипу наблюдаемому при генетическом гемохроматозе связанном с геном HFE. Сходный фенотип мышей с дефицитом протеина HFE или гепси-дина с самого начала указывал на то, что эти два протеина одним и тем же образом воздействовали на проведение сигнала между тканевым железом и энтероцитом. Эта гипотеза получила поддержку открытием у мышей как и у дюдей недостатка активации синтеза гепсидина в ответ на перегрузку железом при мутировавшем или инактивированном протеине HFE. Введение трансгенного гепсидина мышам с дефицитом протеина HFE кроме того мешает развитию перегрузки железом. Эти работы показывают однако, что протеин HFE «дикий» участвует в регуляции экспрессии гена кодирующего гепсидин (ген HAMP) в ответ на избыточное накопление железа в печени. Он приводит в этих случаях к активации экспрессии гена HAMP. Наиболее часто встречающая мутация гена HFE (мутация C282Y), наоборот, по своей сути представляет недостаток стимуляции гена кодирующего этот пептид.

Роль гепсидина в контроле метаболизма железа энтероцитарного, плацентарного и макрофагального очевидна, но не может сама по себе учитывать все физиопатологические ситуации на-блюдаемые у животных, как и при генетических гемохроматозах человека. На пример, Weinstein et al продемонстрировали снижение РНКm кодирующего гепсидин у мышей со снижением железа в результате генетического дефицита энтероцитарного захвата железа (мыши mk и Sla). То же самое парадоксальное снижение отмечалось у трансферритинемических мышей, проявляющих одновременно анемию из-за дефицита инкорпорации железа в эритробласты и значительную перегрузку железом печени. Это последнее обстоятельство заставляет предполагать сигнал эритроидного происхождения в контроле за экспрессией гепсидина. Также возможно, что регуляторы накопления и эритроиды используют общий сигнал и, что регуляция интестинальной абсорбции железа в зависимости от потребностей железа, является опосредованной (непрямой). Сигнал медуллярного происхождения (не идентифицированный) посылается к печени, которая при этом играет центральную роль в выработке гепсидина. Гепсидин становится как бы центром этой сети, играя роль настоящего гормона. Это вещество стало уже диагностическим инструментом и может стать новым средством терапии. Гепсидин сам по себе, его аналоги, а также игибиторы этого синтеза могли стать новыми фармакологическими агентами. Только полное выяснение этих механизмов действия и их регуляции позволило бы установить его ме-сто в лечении пациентов. Возможности взаимодействия гепсидина с недавно открытым протеи-ном, получившим название гемоювенилин, еще более усложнит предлагаемую схему регуляции метаболизм железа гепсидином.

4.1.2. Протеин HFE
Этот протеин, состоящий из 343 аминокислот кодируемый геном HFE относится к семейству комлекса Главной Тканесовместимости класс I. Кристаллографический анализ последнего, рН-метрия нейтральная и в присутствии железа позволил выявить фиксацию атомов железа что указывает, что его роль в метаболизме этого металла может быть только опосредованной. Ис-следования ко-иммуннопреципитации показали, что протеин HFE дикий взимодействует с b2-микроглобулином (b2m); взаимодействие необходимое для направления этого протеина HFE на поверхность клетки. Также было показано, что комплекс HFE-b2m ассоциирует с RTf1; также предполагая роль HFE в захвате железа через этот рецептор.

Хотя точные механизмы, позволяющие протеину HFE оказывать действие на уровне криптиче-ский интестинальных клеток, пока еще не установлены, существует консенсус в отношении дей-ствия этого протеин на этом уровне как информатора потребностей организма в железе. В случае функциональной несостоятельности HFE (связанной с наличием гомозиготного состояния по мутации C282Y) состояние каренции железа при этом замечается клетками дуоденальных крипт. Последние стимулируют в свою очередь интестинальную абсорбцию алиментарного железа, несмотря на перегрузку железом организма. Эти данные также позволяют делать предпо-ложение о непосредственном энтероцитарном влиянии мутации C282Y. Сам факт наблюдения того, что мутантные по HFE мыши сохраняют способность регулировать абсорбцию железа или во всяком случае лимитирует интестинальную роль этого протеина HFE. Эта роль также ста-вится под вопрос в связи с открытием гепсидина. Участие этого пептида в метаболизме железа фактически приводит к поиску отношений этого пептида и протеина HFE. Как мы указывали ра-нее, протеин HFE дикий участвует в регуляции экспрессии гена HAMP. По разным авторам ос-новной сайт действия протеина HFE располагается не на уровне криптических клеток, а на уровне гепатоцитов. Согласно модели, характер которой в высшей степени спекулятивен, Frazer et Anderson предположили, что HFE вступает в конкуренцию на уровне гепатоцитов с трансфериином в борьбе за RTf1. Выработка гепсидина таким образом коррелируется количеством сво-бодных HFE молекул на поверхности клетки. Мутации в гене HFE при этом ответственны за снижение выработки гепсидина и несоответствующую интестинальную абсорбцию железа.

Механизмы, с помощью которых отсутствие протеина HFE на поверхности клетки вызывает гиперабсорбцию и перегрзку железом, остаются непонятными. Также и в отношении значения физиологии взаимодействия между этим протеином и рецептором трансферрина. Взаимосвязь между гепсидином и протеином HFE также нуждается в уточнении.

4.1.3. Рецептор 2 трансферрина (RTf2)
Этот последний получил свое название благодаря определенной степени гомологии с рецептором 1 трансферрина (RTf1). В отличие от RTf1, который экспремируется убиквитарно, этот рецептор экспримируется преимущественно в печени и эритроидных прекурсорах. Он способен связывать трансферрин в зависимости от рН, но с аффинитовностью в 25 раз меньшей таковой RTf1, подтверждая тем самым, что захват железа не является принципиальной или уникальной функцией этого рецептора. Эта гипотеза подтверждается открытием мутаций гена кодирующего этот рецептор у пациентов проявляющих фенотип гемохроматоза, связанного с геном HFE. Эти последние наблюдения подтверждают роль регулятора RTf2. Кроме того, было открыто схожее распределение RTf1 и RTf2 в клетках играющих важную роль в регуляции гомеостаза железа, то есть в гепатоцитах и энтероцитах крипт и дуоденальной ворсинчатости. Распределение RTf2, наоборот, весьма отличается от такового RTf1 в тканях не принимающих участия в регуляции метаболизма железа. Предположив, что RTf2 способен связывать трансферрин, он мог пред-ставлять «детектор» количества железа в организме или участвовать в более сложном меха-низме работающем в этом определении. Согласно гипотетической модели Townsend et Drakesmith, утрата функции RTf2 будет проявляться в продолжительной недооценке насыще-ния трансферрином клетками крипт и, соответственно, гиперабсорбцией железа зрелыми энтероцитами.

Внутри клеток дуоденальных крипт, Griffiths et Cox показали, что RTf2 ко-локализуется с протеином HFE диким. Хотя в нормальной дуоденальной ткани распределение RTf2 оказывается в основном интрацеллюлярным; по велисине дефицита протеина HFE, RTf2 главным образом локализуется на уровне целлюлярных мембран, в частности, на базолатеральной поверхности. В этой же работе авторы сообщают, что добавление железа, связанного с трансферином, к клеткам Caco-2 в культуре явно стимулирует взаимодействие между эндогенным RTf2 и HFE внутри везикулярной области. Эти везикулы представляют вероятно субпопуляцию отличную от эндосом, участвующие в захвате и рециклаже железа, связанного с трансферрином в интестиналных криптах.

Мыши, страдающие нарушением гена гепсидина, проявляют фенотип схожий с таковым у мышей TfR2Y245X (мыши гомозиготные по мутации Y245X, ортологичной мутации Y250X, идентифицируемой у больных). Это наблюдение позволило разным авторам выдвинуть гипотезу в от-ношении RTf2, как точном информаторе для гепатоцитов. Он информирует последние о коли-честве плазмического железа, определяя насыщение трансферрином, и также оказывая влия-ние на выработку гепсидина. Согласно этой модели утрата функции RTf2 могла бы привести к снижению гепатического захвата железа приводя к снижению выработки гепсидина, что вызывало бы при этом увеличение интестинальной абсорбции железа и уменьшение его захвата мак-рофагами.

Большое сходство фенотипов перегрузки железом, наблюдаемых у мышей и/или индивидуумов с нарушениями в генах кодирующих HFE, RTf2 и гепсидин, фактически укладывается в гипотезу об участии этих молекул в том же пути регуляции.

4.2. Регуляция гомеостаза железа в клетках: система IRE/IRP
Одним из наиболее известных актеров посттранскрипционной регуляции у кариоцитов является система IRE/IRP (IronRespnsuve Element/Iron Regulatory Protein). Так смогли быть идентифицированы клонирование cDNAs рецептора трансферрина и цепей ферритина, как и элементов участвующих в железо-зависимой регуляции перевода этих протеинов. Эта регуляция в основном распространяется в неэритроцитарных клетках путем осуществления синтеза ферритина и RTf1. Цепи ARNm L и H ферритина, а также эритропоетической d-аминолевуноловой кислоты синтазы (eALAS), митохондриальной аконитазы и ферропортна представляют собой IRE в сво-ем регионе 5’ не-переводимом (5’UTR). ARNm DMT1 и трансферрина обладают сами по себе соответственно одной и пятью секвенциями IRE в своем регионе 3’ не переводимом (3’UTR). Эффект связи IRP/IRE отличен, так как секвенция IRE локализована в 5’ или 3’UTR. Фактически связь IRP c IRE в регионе 5’ UTR препятствует рассматриваемому переводу ARNm, при том, что, если IRE локализуется в 3’ UTR, то связь IRP-IRE мешает деградации этой ARNm и позво-ляет в связи с удлинением своей жизни, перевод а также более значительную выработку протеинов. Роль IREs в контроле за экспрессией ферропортина и DMT1 по внутриклеточной концентрации железа, наоборот остается спорной.

У лиц с гемохроматозом отмечалось что активность связи IRPs особенно повышена в клетках интестинальных крипт, как и в клетках мононуклеарных макрофагов. Это показывает, что эти клетки обладают функциональными характеристиками клеток с дефицитом железа, несмотря на перегрузку железом организма.

5. Заключение
Представление о молекулярных механизмах контроля гомеостаза железа быстро углубляется за последние годы благодаря методам молекулярной генетики и идентификации большого количества протеинов участвующих в метаболизме этого металла. Анализ экспериментальных моделей (носителей естественных мутаций или экспериментальных) и изучение заболеваний человека, связанных с нарушениями метаболизма железа, также внесли свою лепту. Они позволили и выявить комплексность биохимических сплетений задействованных в поддержании баланса железа в организме, хотя и без достаточного понимания всех механизмов. Имеются многочис-ленные аргументы в пользу того, что интестинальная гиперабсорбция железа не является единственной причиной генетического гемохроматоза, но что макрофаги, как и клетки печени, по меньшей мере, играют такую же важную роль, как и энтероциты в развитии этой наследственной перегрузки железом.

Новый этап исследований этого метаболизма состоит в дальнейшем изучении экспрессии совокупности генов различных типов клеток с помощью нанотехнологий в различных условиях перегрузки или недостатка железа.

С пищей в сутки должно поступать для мужчин 10 мг, для женщин детородного возраста в связи с регулярной кровопотерей – 20 мг, у женщин при беременности – 40-50 мг и при лактации – 30-40 мг.

Пищевые источники

Яблоки (до 0,2 мг%) и гранаты (0,8 мг%) в связи с низким содержанием железа не могут являться его реальным пищевым источником!

Всасывание

При попадании в желудок под действием HCl желудочного сока железо высвобождается из элементов пищи.

Всасывание происходит в проксимальном отделе тонкого кишечника в количестве около 1,0-2,0 мг/день (10-15% пищевого железа). для лучшего всасывания железо должно быть в виде двух валентного иона, в то же время с пищей поступает преимущественно трех валентное железо. Для восстановления Fe 3+ в Fe 2+ используются аскорбиновая и соляная кислоты. Только железо мясных продуктов находится в двухвалентной гемовой форме, и поэтому хорошо всасывается.

Обнаружены три способа перемещения железа из просвета кишечника в энтероциты:

1. Образованный в желудке при участии HCl комплекс [железо(III)- муцин ] взаимодействует с мембранным белком интегрином , железо переносится внутрь клетки и восстанавливается до Fe (II) параферритином , и далее при помощи мобилферрина перемещается к месту использования. Роль этого пути очень низка .

2. Другая часть негемового железа (III) восстанавливается до Fe (II) при помощи аскорбиновой и соляной кислот или при участии ферроредуктазы (DcytB , дуоденальный цитохром B) и далее переносится внутрь белком DMT-1 (divalent metal ion transporter-1 ).

3. Основным способом всасывания (до 20-30% от полученного с пищей) является транспорт гемового железа. Гемовое железо связывается с белком НСР1 (heme carrier protein 1 ), и в цитозоле высвобождается из гема при действии гемоксигеназы, и далее переносится по клетке.

Три пути всасывания железа в кишечнике

После всасывания формируется пул внутриклеточного железа. Далее железо может:

• остаться в эпителиоците в составе ферритина (Fe 3+),
• выходить из клетки при помощи ферропортина , окисляться гефестином (феррооксидазой ) и связываться с транспортным белком трансферрином (Fe 3+).

Регуляция всасывания

Транскрипционные факторы , от активности которых зависит экспрессия DMT и HCP1, чувствительны к содержанию железа в энтероците и к степени внутриклеточной гипоксии. Больные с выраженной железодефицитной анемией способны повышать абсорбцию железа до 20-40 мг/сут.

Останется железо в энтероците или будет выводиться в кровь зависит от насыщенности трансферрина. При "пустом" трансферрине железо будет более активно переноситься через базолатеральные мембраны наружу и присоединяться к трансферрину.

Значительно лучше железо всасывается из мясных продуктов – на 20-30%, из яиц и рыбы – на 10-15%, меньше всего железо всасывается из растительных продуктов – на 1-5%. Аскорбиновая кислота в пище намного улучшает усвояемость железа.

Наличие в пище фитиновой кислоты (сухие завтраки, растительные продукты), кофеина и танина (чай, кофе, напитки), фосфатов , оксалатов (растительные продукты) значительно ухудшает всасывание железа (в 4-6 раз), т.к. они образуют нерастворимые комплексы с железом (III) и выводятся с калом.

В.В.Долгов, С.А.Луговская,
В.Т.Морозова, М.Е.Почтарь
Российская медицинская академия
последипломного образования

Железо является необходимым биохимическим компонентом в ключевых процессах метаболизма, роста и пролиферации клеток. Исключительная роль железа определяется важными биологическими функциями белков, в состав которых входит этот биометалл. К наиболее известным железосодержащим белкам относятся гемоглобин и миоглобин.

Помимо последних, железо находится в составе значительного количества ферментов, участвующих в процессах энергообразования (цитохромы), в биосинтезе ДНК и делении клеток, детоксикации продуктов эндогенного распада, нейтрализующих активные формы кислорода (пероксидазы, цитохромоксидазы, каталазы). В последние годы установлена роль железосодержащих белков (ферритин) в реализации клеточного иммунитета, регуляции кроветворения.

Вместе с тем железо может быть исключительно токсичным элементом, если присутствует в организме в повышенных концентрациях, превышающих емкость железосодержащих белков. Потенциальная токсичность свободного двухвалентного железа (Fе +2) объясняется его способностью запускать цепные свободнорадикальные реакции, приводящие к перекисному окислению липидов биологических мембран и токсическому повреждению белков и нуклеиновых кислот.

Общее количество железа в организме здорового человека составляет 3,5-5,0 г. Оно распределено следующим образом (табл. 3).

Обмен железа в организме человека достаточно экономичен. Постоянно происходит обмен железа между сохраняемым и активно метаболизируемым пулами (рис. 12).

Обмен железа в организме состоит из нескольких этапов: всасывание в желудочно-кишечном тракте, транспорт, внутриклеточный метаболизм и депонирование, утилизация и реутилизация, экскреция из организма.

Наиболее простая схема метаболизма железа представлена на рис. 13.

Всасывание железа

Основным местом всасывания железа является тонкий кишечник. Железо в пище содержится в основном в форме Fе +3 , но лучше всасывается в двухвалентной форме Fе +2 . Под воздействием соляной кислоты желудочного сока железо высвобождается из пищи и превращается из Fе +3 в Fе +2 . Этот процесс ускоряется аскорбиновой кислотой, ионами меди, которые способствуют всасыванию железа в организме. При нарушении нормальной функции желудка абсорбция железа в кишечнике ухудшается. До 90% железа всасывается в двенадцатиперстной кишке и начальных отделах тощей кишки. При дефиците железа зона всасывания расширяется дистально, захватывая слизистую верхнего отдела подвздошной кишки, что обеспечивает усиление его абсорбции.

Молекулярные механизмы всасывания железа изучены недостаточно. Определено несколько специфических белков, содержащихся в энтероците, способствующих всасыванию железа: мобилферрин, интегрин и ферроредуктаза. Свободное неорганическое железо или геминовое железо (Fе +2) поступает в энтероциты по градиенту концентрации. Основной барьер для железа, по-видимому, не участок щеточной каймы энтероцита, а мембрана между энтероцитом и капилляром, где присутствует специфический переносчик двухвалентных катионов (divalent cation transporter 1 - DCT1), связывающий Fе 2+ . Данный белок синтезируется только в криптах двенадцатиперстной кишки. При сидеропении синтез его увеличивается, что приводит к увеличению скорости всасывания алиментарного железа. Присутствие высоких концентраций кальция, являющегося конкурентным ингибитором DСТ1, снижает всасывание железа.

В энтероцитах содержатся трансферрин и ферритин, которые регулируют в них абсорбцию железа. Между трансферрином и ферритином существует динамическое равновесие по связыванию железа. Трансферрин связывает железо и переносит его к мембранному переносчику. Регуляция активности мембранного переносчика осуществляется апоферритином (белковая часть ферритина) (рис. 14). В случае, когда организму не требуется железо, происходит избыточный синтез апоферритина для связывания железа, которое задерживается в клетке в комплексе с ферритином и удаляется со слущивающимся кишечным эпителием. Наоборот, при дефиците железа в организме, синтез апоферритина снижен (нет необходимости запасать железо), одновременно увеличивается перенос железа DCT1 через мембрану энтероцит-капилляр.

Таким образом, транспортная система энтероцитов кишечника способна поддерживать оптимальный уровень абсорбции железа, поступающего с пищей.

Транспорт железа в крови

Железо в сосудистом русле соединяется с трансферрином - гликопротеид с Мм 88 кДа, синтезируется в печени. Трансферрин связывает 2 молекулы Fе +3 . В физиологических условиях и при дефиците железа только трансферрин важен как железотранспортирующий белок; с гаптоглобином и гемопексином транспортируется исключительно гем. Неспецифическое связывание железа с другими транспортными белками, в частности альбумином, наблюдается при перегрузке железом при высоком уровне насыщения трансферрина. Биологическая функция трансферрина заключается в его способности легко образовывать диссоциирующие комплексы с железом, что обеспечивает создание нетоксического пула железа в кровотоке, который доступен и позволяет распределять и депонировать железо в организме.Металлосвязывающий участок молекулы трансферрина не является строго специфичным для железа. Трансферрин может связывать также хром, медь, магний, цинк, кобальт, однако сродство этих металлов ниже, чем железа.

Основным источником сывороточного пула железа (трансферрин-связанного железа) является поступление его из ретикулоэндотелиальной системы (РЭС - печень, селезенка), где происходит распад старых эритроцитов и утилизация освобождающегося железа. Небольшое количество железа поступает в плазму при абсорбции его в тонком кишечнике.

В норме только треть трансферрина насыщена железом.

Внутриклеточный метаболизм железа

Большинство клеток, в том числе эритрокариоциты и гепатоциты, содержат на мембране рецепторы к трансферрину, необходимые для поступления железа в клетку. Трансферриновый рецептор - трансмембранный гликопротеин, состоящий из 2 идентичных полипептидных цепей, связанных дисульфидными мостиками.

Комплекс Fе 3+ - трансферрин попадает в клетки с помощью эндоцитоза (рис. 15). В клетке ионы железа освобождаются, а комплекс трансферрин-рецептор расщепляется, в результате чего рецепторы и трансферрин независимо возвращаются на поверхность клетки. Внутриклеточный свободный пул железа играет важную роль в регуляции пролиферации клетки, синтезе геминовых белков, экспрессии трансферриновых рецепторов, синтезе активных радикалов кислорода и др. Неиспользуемая часть Fе хранится внутриклеточно в молекуле ферритина в нетоксичной форме. Эритробласт может одновременно присоединить до 100 000 молекул трансферрина и получить 200 000 молекул железа.

Экспрессия трансферриновых рецепторов (СD71) зависит от потребности клетки в железе. Определенная часть рецепторов к трансферрину в виде мономеров сбрасывается клеткой в сосудистое русло, образуя растворимые трансферриновые рецепторы, способные связывать трансферрин. При перегрузке железом число клеточных и растворимых рецепторов к трансферрину снижается. При сидеропении лишенная железа клетка реагирует повышенной экспрессией трансферриновых рецепторов на своей мембране, увеличением растворимых трансферриновых рецепторов и снижением количества внутриклеточного ферритина. Установлено, что чем выше плотность экспрессии трансферриновых рецепторов, тем выраженнее пролиферативная активность клетки. Таким образом, экспрессия рецепторов трансферрина зависит от двух факторов - количества депонированного железа в составе ферритина и пролиферативной активности клетки.

Депонирование железа

Основными формами депонированного железа являются ферритин и гемосидерин, которые связывают "избыточное" железо и откладываются, практически, во всех тканях организма, но особенно интенсивно в печени, селезенке, мышцах, костном мозге.

Ферритин - комплекс, состоящий из гидрата закиси Fе +3 и белка апоферритина, представляет собой полукристаллическую структуру (рис. 16). Молекулярная масса апоферритина 441 кД, максимальная емкость молекулы около 4300 FеООН; в среднем одна молекула ферритина содержит около 2000 атомов Fе +3 .

Апоферритин покрывает в виде оболочки ядро из гидроксифосфата железа. Внутри молекулы (в ядре) содержится 1 или несколько кристаллов FеООН. Молекула ферритина по форме и виду в электронном микроскопе напоминает вирус. Она содержит 24 однотипных цилиндрических субъединицы, образующих сферическую структуру с внутренним пространством диаметром приблизительно 70 А, сфера имеет поры диаметром 10 А. Ионы Fе +2 диффундируют через поры, окисляются до Fе +3 , превращаются в FеООН и кристаллизируются. Железо может мобилизоваться из ферритина при участии супероксидрадикалов, образующихся в активированных лейкоцитах.

Ферритин содержит примерно 15-20% общего железа в организме. Молекулы ферритина растворимы в воде, каждая из них может аккумулировать до 4500 атомов железа. Железо высвобождается из ферритина в двухвалентной форме. Ферритин локализуется преимущественно внутриклеточно, где играет важную роль в кратковременном и длительном депонировании железа, регуляции клеточного метаболизма и детоксикации избытка железа. Предполагается, что основными источниками сывороточного ферритина являются моноциты крови, макрофаги печени (клетки Купфера) и селезенки.

Ферритин, циркулирующий в крови, практически не участвует в депонировании железа, однако концентрация ферритина в сыворотке в физиологических условиях прямо коррелирует с количеством депонированного железа в организме. При дефиците железа, которое не сопровождается другими заболеваниями, так же, как при первичной или вторичной перегрузке железом, показатели ферритина в сыворотке дают достаточно точное представление о количестве железа в организме. Поэтому в клинической диагностике ферритин должен использоваться в первую очередь как параметр, оценивающий депонированное железо.

Гемосидерин по структуре мало отличается от ферритина. Это ферритин в макрофаге в аморфном состоянии. После того как макрофаг поглощает молекулы железа, например, после фагоцитоза старых эритроцитов, немедленно начинается синтез апоферритина, который накапливается в цитоплазме, связывает железо, образуя ферритин. Макрофаг насыщается железом в течение 4 ч, после чего в условиях перегрузки железом в цитоплазме молекулы ферритина агрегируют в мембранно-связанные частицы, известные как сидеросомы. В сидеросомах молекулы ферритина кристаллизуются (рис. 17), формируется гемосидерин. Гемосидерин "упакован" в лизосомах и включает комплекс, состоящий из ферритина, окисленных остатков ли-пидов и других компонентов. Гранулы гемосидерина представляют собой внутриклеточные отложения железа, которые выявляются при окраске цитологических и гистологических препаратов по Перлсу. В отличие от ферритина гемосидерин не растворим в воде, поэтому железо гемосидерина с трудом подлежит мобилизации и практически не используется организмом.

Выведение железа

Физиологические потери железа организмом практически неизменны. За сутки из организма мужчины теряется около 1 мг железа с мочой, потом, при стрижке ногтей, волос, слущивающимся эпителием кожи. Кал содержит как невсосавшееся железо, так и железо, выделяющееся с желчью и в составе слущивающегося эпителия кишечника. У женщин наибольшая потеря железа происходит с менструацией. В среднем потеря крови за одну менструацию составляет около 30 мл, что соответствует 15 мг железа (за сутки женщина теряет от 0,8 до 1,5 мг железа). Исходя из этого, суточная потребность в железе у женщин детородного возраста увеличивается до 2-4 мг в зависимости от объема кровопотери.

Согласно современным представлениям, наиболее адекватными тестами для оценки метаболизма железа в организме являются определение уровня железа, трансферрина, насыщения трансферрина железом, ферритина, содержания растворимых трансферриновых рецепторов в сыворотке.

БИБЛИОГРАФИЯ [показать]

1. Беркоу Р. Руководство по медицине The Merck manual. - М.: Мир, 1997.
2. Руководство по гематологии / Под ред. А.И. Воробьева. - М.: Медицина, 1985.
3. Долгов В.В., Луговская С.А., Почтарь М.Е., Шевченко Н.Г. Лабораторная диагностика нарушений обмена железа: Учебное пособие. - М., 1996.
4. Козинец Г.И., Макаров В.А. Исследование системы крови в клинической практике. - М.: Триада-Х, 1997.
5. Козинец Г.И. Физиологические системы организма человека, основные показатели. - М., Триада-Х, 2000.
6. Козинец Г.И., Хакимова Я.Х., Быкова И.А. и др. Цитологические особенности эритрона при анемиях. - Ташкент: Медицина, 1988.
7. Маршалл В.Дж. Клиническая биохимия. - М.-СПб., 1999.
8. Мосягина Е.Н., Владимирская Е.Б., Торубарова Н.А., Мызина Н.В. Кинетика форменных элементов крови. - М.: Медицина, 1976.
9. Рябое С.И., Шостка Г.Д. Молекулярно-генетические аспекты эритропоэза. - М.: Медицина, 1973.
10. Наследственные анемии и гемоглобинопатии / Под ред. Ю.Н. Токарева, С.Р. Холлан, Ф. Корраля-Альмонте. - М.: Медицина, 1983.
11. Троицкая О.В., Юшкова Н.М., Волкова Н.В. Гемоглобинопатии. - М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 1996.
12. Шиффман Ф.Дж. Патофизиология крови. - М.-СПб., 2000.
13. Baynes J., Dominiczak M.H. Medical Biochemistry. - L.: Mosby, 1999.

Источник : В.В.Долгов, С.А.Луговская, В.Т.Морозова, М.Е.Почтарь. Лабораторная диагностика анемий: Пособие для врачей. - Тверь: "Губернская медицина", 2001

Препятствует ли кальций всасыванию железа?

Leif Hallberg

Institute of Internal Medicine , Department of Clinical Nutrition,

University of Göteborg, Annedalsklinikerna, Sahlgrenska University

Hospital, Göteborg, Sweden.

Am J Clin Nutr 1998;68:3–4.

Ряд исследований на животных прямо указывают на то, что кальций препятствует всасыванию железа пищи; и что увеличение количества кальция в пище может привести даже к дефициту железа (1, 2). Данные эпидемиологов также указывают на негативное влияние кальция на усвояемость железа. Крупное исследование во Франции (n= 1108) показало, что концентрация сывороточного ферритина и гемоглобина отрицательно коррелировала с поступлением кальция, причем существенно (3). Подобные выводы были сделаны и по результатам исследования на французских студентах (n=4При длительном исследовании было установлено, что у девушек усиленное поступление кальция коррелирует с низкой концентрацией сывороточного ферритина (5). Однако, при использовании тех же методов были получены и обратные данные. Более того, одна и та же группа исследователей могла публиковать противоречивые результаты. Например, одна группа ученых показала ингибирующий эффект кальция на всасывание железа в одних экспериментах (6, 7) и отсутствие эффекта в других (8). Таким образом, мы сообщили о получении противоречивых результатах в двух исследованиях (2, 9). Так, в выпуске The American Journal of Clinical Nutrition (10), были представлены два исследования по влиянию кальция на всасывание железа, содержавшие противоречивые результаты. Возникает вопрос: «Существует ли специфическое влияние кальция на всасывание железа или это ошибки экспериментов?».

Большинство факторов, определяющих усвояемость железа, изменяют его биодоступность в просвете кишечника. Эффект кальция, при этом неоднозначен. Показано ингибирование кальцием всасывания железа как в гемовой, так и в негемовой формах (2, 11). Всасывание гемового и негемового железа опосредовано разными рецепторами в слизистой оболочке кишечника, следовательно, ингибирование кальцием всасывания железа происходит внутри клетки кишечника на этапах транспорта, общих для обеих форм железа. Эти различия между действием кальция и других факторов, влияющих на усвоение железа, сами по себе не вызывают методологических проблем.

Количественное соотношение между поступлением кальция и степенью ингибирования всасывания железа (2) зависит от прочих факторов, влияющих на всасывание железа. Снижения усвояемости железа не наблюдается, если пища содержит менее 40 мг кальция. Также не наблюдается дальнейшего увеличения степени ингибирования при достижении дозы кальция в 300мг. Эта обратная S-образная зависимость между количеством кальция в пище и степенью ингибирования всасывания железа хорошо описывается моделью одностороннего конкурентного связывания. На практике это означает, что добавление 200 мг кальция к пище, содержащей, скажем, 100 мг кальция, приведет к снижению абсорбции железа на 40%; в то время как добавление 200 мг к пище, уже содержащей 300 мг, не вызовет эффекта. Эта особенность была проиллюстрирована в двух работах. В предыдущем исследовании мы обнаружили, что употребление 250 мл молока с гамбургером (уже содержащем 220 мг кальция) не приводит к существенному снижению уровня абсорбции железа (9). Но тогда эта количественная зависимость еще не была известна. В другом исследовании не было выявлено эффекта при употреблении 150 мл молока или 125г йогурта с «типичной французской пищей», уже содержащей 320 мг кальция (12). Данные два исследования отличаются от остальных (в том числе и от этого (10)), в которых эффект кальция на всасывание железа был изучен с помощью измерений направленных на определение абсорбции железа(2, 6, 7, 13-15).

Тем не менее, есть одно исключение (8). В этом исследовании измерялась усвояемость железа во время двух основных приемов пищи в течение 2, 5-дневных периодов у 14-ти человек, не испытывавших дефицита железа, добровольцы уменьшали или увеличивали содержание кальция в пище в течение 2 данных периодов. При сравнении уровня абсорбции железа не было выявлено статистически достоверных различий. Но если бы сравнивались средние значения для всех реципиентов, а не индивидуально для каждого, то, возможно, различия бы были выявлены.

В двух исследованиях эффект кальциевых добавок на усвояемость железа планировалось оценить по сокращению запасов железа, определяемому по уменьшению концентрации сывороточного ферритина. В первом рандомизированном исследовании (16) с участием 57 здоровых женщин уменьшение концентрации ферритина наблюдалось при употреблении 500 мг кальция с каждым из двух приемов пищи в сутки. После 12 недель лечения концентрация ферритина уменьшилась по сравнению с исходной (34,9 мкг/л) на 2,2 мкг/л, а у контрольной группы увеличилась на 2,6 мкг/л. Различия были не значимы. Подобный метод был использован и во втором исследовании, опубликованном в этом же выпуске Am J Clin Nutr (10). Кальциевые добавки по 400 мг употреблялись при каждом приеме пищи три раза в день в течение 6-ти месяцев у 11-ти взрослых пациентов (7женщин, 4 мужчины), которые не испытывали дефицит железа. Суточное поступление кальция среди пациентов тест-группы оценивалось в мг (метод не указан). В течении эксперимента концентрация сывороточного ферритина существенно не отклонялась от начального значения (46+ 7 мкг/л).

Правомерность используемого параметра для непрямого метода оценки усвояемости железа не была доказана для взрослых пациентов с достаточным содержанием железа в организме. В некоторых работах было показано, что запас железа у здоровых взрослых людей постоянен и существенно не меняется (17). Эта же картина наблюдалась при долговременном приеме добавок железа лицами, не испытывающими его дефицит. Последние исследования показали линейную зависимость между логарифмом величины усвояемости железа и его запасом (рассчитано по концентрации ферритина) (17). Параллельные регрессионные прямые также были получены для диет с разной биологической доступностью. Данные, полученные с помощью регрессионного анализа, позволили рассчитать зависимость между поступлением/потерями железа и темпами изменения его запасов в организме. Стало ясно, что формирование устойчивых запасов железа у взрослых происходит в течение 2-3 лет. Следовательно, при умеренном изменении темпов поступления/потерь железа в организм, изменения в запасах железа произойдут спустя много времени (через годы). Таким образом, не следует ожидать значительных изменений в концентрации сывороточного ферритина при дополнительном потреблении кальция с пищей у взрослых людей с нормальным запасом железа в течение принятого интервала времени.

В общем и целом, ингибирующее влияние кальция на усвояемость железа подтверждается исследованиями, основанными на непосредственном измерении всасываемости железа. Противоречащие этому данные могут быть объяснены. Например, отсутствие эффекта при оценке его по концентрации сывороточного ферритина объясняется тем, что для достижения существенных изменений в концентрации ферритина требуется проведение более длительного эксперимента с более контрастными условиями. Обобщая все результаты, можно уверенно сказать, что кальций в тех количествах, в которых он присутствует в пище, ингибирует всасывание железа как в гемовой, так и в негемовой формах. Практическим выводом из этого может служить следующая рекомендация: лица с повышенной потребностью в железе (подростки, женщины во время беременности и менструаций) должны сократить потребление кальция с блюдами, содержащими много железа. Пищевые добавки с кальцием, при необходимости их использования, желательно принимать перед сном.

Список литературы:

Barton JC, Conrad ME, Parmley RT. Calcium inhibition of inor-ganic iron absorption in rats. Gastroenterology 1983;84:90–101. Hallberg L, Brune M, Erlandsson M, Sandberg AS, Rossander-Hul-ten L. Calcium: effect of different amounts on nonheme - and heme-iron absorption in humans. Am J Clin Nutr 1991;53:112–9. Preziosi P, Hercberg S, Galan P, Devanlay M, Cherouvrier FHD. Iron status of a healthy French population: factors determining bio-chemical markers. Ann Nutr Metab 1994;38:192–202. Galan P, Hercberg S, Soustre Y, Dop MC, Dupin H. Factors affect-ing iron stores in French female students. Hum Nutr Clin Nutr 1985;39C:279–87. Kenney MA. Factors related to iron nutrition of adolescent females. Nutr Res 1985;5:157–66. Monsen ER, Cook JD. Food iron absorption in human subjects. IV. The effects of calcium and phosphorus salts on the absorption of nonheme iron. Am J Clin Nutr 1976;29:1142–8. Cook JD, Dassenko SA, Whittaker P. Calcium supplementation: effect on iron absorption. Am J Clin Nutr 1991;53:106–11. Reddy MB, Cook JD. Effect of calcium intake on nonheme-iron absorption from a complete diet. Am J Clin Nutr 1997;65:1820–5. Hallberg L, Rossander L. Effect of different drinks on the absorp-tion of non-heme iron from composite meals. Hum Nutr Appl Nutr 1982;36A:116–23. Minihane AM, Fairweather-Tait SJ. Effect of calcium supplementa-tion on daily nonheme-iron absorption and long-term iron status. Am J Clin Nutr 1998;68:96–102. Hallberg L, Rossander-Hulthén L, Brune M, Gleerup A. Inhibition of haem-iron absorption in man by calcium. Br J Nutr 1992;69:533–40. Galan P, Cherouvrier F, Preziosi P, Hercberg S. Effect of the increasing consumption of dairy products upon iron absorption. Eur J Clin Nutr 1991;45:553–9. Dawson-Hughes B, Seligson FH, Hughes VA. Effects of calcium carbonate and hydroxyapatite on zinc and iron retention in post-menopausal women. Am J Clin Nutr 1986;44:83–8. Hallberg L, Rossander-Hulthén L, Brune M, Gleerup A. Calcium and iron absorption: mechanism of action and nutritional impor-tance. Eur J Clin Nutr 1992;46:317–27. Gleerup A, Rossander-Hulthen L, Gramatkowski E, Hallberg L. Iron absorption from the whole diet: comparison of the effect of two dif-ferent distributions of daily calcium intake. Am J Clin Nutr 1995;61:97–104. Sokoll LJ, Dawson-Hughes B. Calcium supplementation and plasma ferritin concentrations in premenopausal women. Am J Clin Nutr 1992;56:1045–8. Hallberg L, Hulten L, Gramatkovski E. Iron absorption from the whole diet in men: how effective is the regulation of iron absorp-tion? Am J Clin Nutr 1997;66:347–56. Sayers MH, English G, Finch CA. Capacity of the store-regulator in maintaining iron balance. Am J Hematol 1994;47:194–7.