Metabolismus železa u člověka

Lidé denně spotřebují 20 mg železa na výrobu nových červených krvinek, z nichž velká část se recykluje ze starých červených krvinek.

Lidský metabolismus železa je soubor chemických reakcí udržujících lidskou homeostázu železa. Železo je základním prvkem pro většinu života na Zemi, včetně lidských bytostí. Kontrola této nezbytné, ale potenciálně toxické látky je důležitou součástí mnoha aspektů lidského zdraví a nemocí. Hematologové se zajímají zejména o systém metabolismu železa, protože železo je nezbytné pro červené krvinky. Většina železa v lidském těle je obsažena v hemoglobinu červených krvinek a anémie z nedostatku železa je nejčastějším typem anémie.

Pochopení tohoto systému je také důležité pro pochopení nemocí přetížení železem, jako je hemochromatóza.

Nedávné objevy v této oblasti vrhly nové světlo na to, jak lidé ovládají hladinu železa ve svém těle a vytvořily nové porozumění mechanismům několika nemocí.

Význam regulace železa

Struktura Heme b; „Fe“ je chemický symbol železa.

Železo je nezbytné pro život, protože jeho jedinečná schopnost sloužit jako dárce i akceptor elektronů.

Železo může být také potenciálně toxické. Jeho schopnost darovat a přijímat elektrony znamená, že pokud je železo v buňce volné, může katalyzovat přeměnu peroxidu vodíku na volné radikály. Volné radikály mohou způsobit poškození široké škály buněčných struktur a v konečném důsledku zabít buňku. Aby se takovému poškození předešlo, všechny formy života, které používají železo, vážou atomy železa na proteiny. To buňkám umožňuje využívat výhod železa, ale také omezuje jeho schopnost škodit.

Bílkoviny obsahující železo a síru jsou další důležitou skupinou bílkovin obsahujících železo. Některé z těchto bílkovin jsou také nezbytnou součástí oxidativní fosforylace.

Lidé také používají železo v hemoglobinu červených krvinek, aby mohli transportovat kyslík z plic do tkání a vyvážet oxid uhličitý zpět do plic. Železo je také základní složkou myoglobinu pro ukládání a difúzi kyslíku ve svalových buňkách.

Lidské tělo potřebuje železo pro transport kyslíku. Tento kyslík je nutný pro produkci a přežití všech buněk v našem těle. Lidské tělo přísně reguluje vstřebávání a recyklaci železa. Železo je ve skutečnosti tak základním prvkem lidského života, že lidé nemají žádný fyziologický regulační mechanismus pro vylučování železa. Většina lidí předchází přetížení železem pouze regulací vstřebávání železa. Ti, kteří nedokážou vstřebávání dostatečně regulovat, dostávají poruchy přetížení železem. U těchto nemocí začne toxicita železa přemáhat schopnost těla vázat a ukládat ho.

Správný metabolismus železa chrání před bakteriální infekcí. Pokud mají bakterie přežít, pak musí získávat železo z okolí. Bakterie způsobující nemoci to dělají mnoha způsoby, včetně uvolňování molekul vázajících železo zvaných siderofory a jejich následného reabsorbování za účelem získání železa, nebo získávání železa z hemoglobinu a transferrinu. Čím více musí pracovat, aby získali železo, tím větší metabolickou cenu musí zaplatit. To znamená, že bakterie zbavené železa se množí pomaleji. Takže naše kontrola hladiny železa se zdá být důležitou obranou proti bakteriální infekci. Lidé se zvýšeným množstvím železa, jako lidé s hemochromatózou, jsou náchylnější k bakteriální infekci.

Doporučujeme:  Srovnávací kontextová analýza

1918 ilustrace tvorby krvinek v kostní dřeni. Při nedostatku železa kostní dřeň produkuje méně krvinek, a jak se nedostatek zhoršuje, buňky se zmenšují.

Většina dobře živených lidí v průmyslových zemích má v těle 3-4 gramy železa. Z toho asi 2,5 g je obsaženo v hemoglobinu potřebném pro přenos kyslíku krví. Dalších 400 mg je věnováno buněčným proteinům, které využívají železo pro důležité buněčné procesy, jako je ukládání kyslíku (myoglobin), nebo provádění redoxních reakcí produkujících energii (cytochromy). 3-4 mg cirkuluje plazmou, váže se na transferin.

Vzhledem k tomu, že pro hemoglobin je zapotřebí tolik železa, je anémie z nedostatku železa prvním a primárním klinickým projevem nedostatku železa. Přenos kyslíku je pro lidský život tak důležitý, že závažná anémie poškozuje nebo zabíjí lidi tím, že připravuje jejich orgány o dostatek kyslíku. Lidé s nedostatkem železa budou trpět nebo umírat na poškození orgánů mnohem dříve, než buňkám dojde železo potřebné pro intracelulární procesy, jako je elektronový transport.

Makrofágy retikuloendoteliálního systému ukládají železo jako součást procesu odbourávání a zpracování hemoglobinu z pohlcených červených krvinek.

Železo se také ukládá jako pigment zvaný hemosiderin ve zjevně patologickém procesu. Zdá se, že tato molekula je především důsledkem poškození buněk. Často se vyskytuje zachvácená makrofágy, které uklízejí oblasti poškození. Může se také vyskytovat mezi lidmi s přetížením železem v důsledku častého ničení krvinek a transfuzí.

Muži mají obvykle více uloženého železa než ženy, zejména ženy, které musí používat své zásoby, aby kompenzovaly ztrátu železa v důsledku menstruace, těhotenství nebo kojení.

Jak tělo získává železo

Většina železa v těle je hromaděna a recyklována retikuloendoteliálním systémem, který rozkládá staré červené krvinky. Lidé však ztrácejí malé, ale stálé množství pocením a odlučováním kožních buněk a slizniční výstelky gastrointestinálního traktu. Celkové množství ztrát u zdravých lidí v rozvinutém světě dosahuje odhadovaného průměru 1 mg denně u mužů a 1,5-2 mg denně u žen s pravidelnou menstruací. Lidé v rozvojových zemích s gastrointestinálními parazitárními infekcemi často ztrácejí více.

Doporučujeme:  Fuzzy- stopová teorie paměti

Tato stálá ztráta znamená, že lidé musí i nadále vstřebávat železo. Činí tak prostřednictvím přísně regulovaného procesu, který za normálních okolností chrání před přetížením železem.

Vstřebávání železa ze stravy

Stejně jako většina minerálních živin je železo ze stravených potravin nebo doplňků stravy téměř zcela absorbováno v dvanáctníku enterocyty duodenální výstelky. Tyto buňky mají speciální molekuly, které jim umožňují přenášet železo do těla.

Aby se železo v potravě vstřebalo, musí být ve formě železitého Fe2+. Enzym železitá reduktáza na okraji štětce enterocytů, Dcytb, redukuje železitý Fe3+ na Fe2+. Protein nazývaný dvojvalentní kovový transportér 1 DMT1, který transportuje všechny druhy dvojvalentních kovů do těla, poté transportuje železo přes buněčnou membránu enterocytu do buňky.

Tyto buňky střevní sliznice pak mohou buď ukládat železo jako feritin (v takovém případě železo opustí tělo, když buňka zemře a je sloupnut do výkalů), nebo buňka může přesunout do těla, pomocí bílkoviny zvané ferroportin. Tělo reguluje hladiny železa tím, že reguluje každý z těchto kroků. Například, buňky produkují více Dcytb, DMT1 a ferroportin v reakci na anémii z nedostatku železa.

Zdá se, že rychlost vstřebávání železa v našem těle reaguje na celou řadu vzájemně závislých faktorů, včetně celkových zásob železa, míry tvorby nových červených krvinek v kostní dřeni, koncentrace hemoglobinu v krvi a obsahu kyslíku v krvi. V době zánětu také vstřebáváme méně železa. Nedávné objevy ukazují, že hepcidinová regulace ferroportinu (viz níže) je zodpovědná za syndrom anémie chronických onemocnění.

Zatímco Dcytb a DMT1 jsou jedinečné pro transport železa přes dvanácterník, ferroportin je distribuován po celém těle na všech buňkách, které ukládají železo. Regulace ferroportinu je tedy hlavním způsobem regulace množství železa v oběhu.

Hefaestin, ferroxidáza, která dokáže oxidovat Fe2+ na Fe3+ a nachází se hlavně v tenkém střevě, pomáhá ferroportinu přenášet železo přes basolaterální konec střevních buněk.

Důvody nedostatku železa

Železo je důležitým tématem v prenatální péči, protože ženy mohou někdy trpět nedostatkem železa kvůli zvýšeným nárokům na železo v těhotenství.

Možnost nadměrného množství železa

Tělo je schopno podstatně snížit množství železa, které vstřebává přes sliznici. Nezdá se, že by bylo schopno zcela přerušit proces transportu železa. Také v situacích, kdy nadbytek železa poškozuje samotnou střevní sliznici (například když děti snědí velké množství železných tablet vyrobených pro dospělé), se může ještě více železa dostat do krevního oběhu a způsobit potenciálně smrtelný syndrom intoxikace železem. Velké množství volného železa v oběhu způsobí poškození kritických buněk v játrech, srdci a dalších metabolicky aktivních orgánech.

Doporučujeme:  Amoxapin

Toxicita železa vede k tomu, že množství cirkulujícího železa převyšuje množství transferrinu, které je k dispozici pro jeho vázání, ale tělo je schopno energicky regulovat jeho příjem železa. Toxicita železa po požití je tedy obvykle důsledkem mimořádných okolností, jako je předávkování tabletami železa, spíše než změn ve stravě. Toxicita železa je obvykle důsledkem chronických syndromů přetížení železem spojených s genetickými onemocněními, opakovanými transfuzemi nebo jinými příčinami.

Jak buňky získávají železo z těla

Jak bylo uvedeno výše, většina železa v těle je umístěna na molekulách hemoglobinu červených krvinek. Když červené krvinky dosáhnou určitého věku, jsou degradovány a pohlceny specializovanými mrchožravými makrofágy. Tyto buňky internalizují hemoglobin obsahující železo, degradují ho, dávají železo na molekuly transferrinu a poté exportují komplexy transferrin-železo zpět do krve. Většina železa používaného pro produkci krvinek pochází z tohoto cyklu recyklace hemoglobinu.

Všechny buňky používají nějaké železo a musí ho získat z cirkulující krve. Protože železo je pevně vázáno na transferin, buňky v celém těle mají na svém povrchu receptory pro komplexy transferinu a železa. Tyto receptory pohlcují a internalizují jak bílkovinu, tak železo, které je na ni navázáno. Jakmile je buňka uvnitř, přenáší železo na feritin, vnitřní molekulu pro ukládání železa.

Produkce transferinových receptorů se zvýší a produkce feritinu se sníží.

Stručně řečeno, regulace hladiny železa je úkolem celého těla, stejně jako jednotlivých buněk.

Pokud je hladina železa v těle příliš nízká, pak je hepcidin v duodenálním epitelu snížen. To způsobuje zvýšení aktivity ferroportinu, stimulující absorpci železa v trávicím systému. Naopak v přebytku železa.

Nedostatek železa způsobuje v jednotlivých buňkách na mRNA receptorech pro transferrin vazbu citlivých prvků na železo, což vede ke zvýšené produkci receptorů pro transferrin. Tyto receptory zvyšují vazbu transferrinu na buňky, a tím stimulují vychytávání železa.

Elektronový mikrograf E. coli. Všechny bakterie, které způsobují onemocnění člověka, potřebují k životu a množení železo.

Nemoci regulace železa

Přesné mechanismy většiny různých forem dospělé hemochromatózy, které tvoří většinu genetických poruch přetížení železem, zůstávají nevyřešeny. Takže zatímco výzkumníci byli schopni identifikovat genetické mutace způsobující několik dospělých variant hemochromatózy, nyní musí obrátit svou pozornost k normální funkci těchto mutovaných genů.