Биологическая роль железа

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Железо и его свойства

Железо - один из самых важных металлов. В таблице Менделеева трудно найти другой металл, с которым была бы так неразрывно связанна история цивилизации. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота.

Железо - один из самых распространённых элементов: в земной коре его содержится около 5%. Однако лишь примерно сороковая часть запасов этого металла сконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработок. Основные рудные минералы железа - магнетит, гематит, бурый железняк, сидерит. Магнетит содержит до 72% железа, как показывает его название, обладает магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк, содержит до 70% железа.

Железо еще содержится в морской воде и на дне океанов. Если извлечь всё железо, растворённое в воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты, причём за всё существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека. Железо образуется на дне океанов в виде железомарганцевых отложений. Они находятся в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях, и даже озёрах. Без железа невозможна жизнь животных, растений и человека. Оно содержится в живых организмах, и без него не осуществимы жизненно важные процессы, без протекания которых всё живое обречено на гибель.

В растительном мире роль железа очень важна. За исключением железобактерий, все живые организмы - от растений до человека - связывают вдыхаемый кислород в сложные соединения.

Железо Fe - элемент побочной подгруппы VIII группы и 4-го периода Периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер этого элемента - 26,а массовое число равно 56,847. Атомы железа устроены несколько отличительно от атомов главных подгрупп: он имеет 4 энергетических уровня, но заполняется у них не последний, а предпоследний, третий от ядра, уровень. На последнем уровне атомы железа содержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов, у атома железа находятся 14. Следовательно, распределение электронов по уровням в атомах железа таково: 2е, 8е, 14е, 2е.

Ценным его свойством является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимися биохимическими свойствами. При химических взаимодействиях атом железа может отдать не только два электрона последнего уровня, но и электрон предпоследнего. Таким образом, основными степенями окисления атома железа могут быть +2 и +3.

Если рассматривать железо как простое вещество, то это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, кусается, прокатывается и штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, ему можно подарить прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

При химическом взаимодействии атом железа будет образовывать два ряда соединений, так как он может проявлять две различные степени окисления. Число электронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, в реакциях с галогенами железо образует галогеноиды, в которых оно имеет степень окисления +3:

2Fe + 3CI2 = 2FeCI3.

А с серой - сульфид железа (II):

Fe + S = FeS.

химический биологический железо обмен

Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:

3Fe + 2O2 = Fe3O4.

При высокой температуре (700 - 900°С) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2^.

В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряжений оно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей, например:

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu.

В разбавленной соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е. окисляется ионами водорода:

Fe + 2HCI = FeCI2 + H2^.

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2^.

Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуются нитрат железа (III), вода и продукт восстановления азотной кислоты - N2 ,NO или NH3(NH4NO3) в зависимости от концентрации кислоты.

2. Биологическая роль железа

Впервые железо в организме человека учёные обнаружили в XIII веке.

Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на две класса. Один из них - макроэлементы, а другой - микроэлементы.

Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию.

Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно. Значение железа для организма человека трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая его распространенность в природе, но и важная роль в сложных процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяется многократностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных биохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное функционирование тканей и организма человека. Роль железа в организме человека и других живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кислорода от органов дыхания к другим органам и биологическим тканям.

3. Роль питания

Распространенность дефицита железа свидетельствует о том, что количество железа, взятого организмом из пищи, часто недостаточно для покрытия потребности в нем практически здорового населения. Однако довольно трудно установить истинную роль диет в различных районах земного шара в происхождении этой патологии.

Железодефицитные состояния могут развиваться при длительном употреблении питания с недостаточным общим содержанием железа, несмотря на нормальную калорийность, или с достаточным или высоким его содержанием, но преобладанием продуктов растительного происхождения, содержащие тормозящие усвоение железа вещества. Длительное вынужденное применение однообразного по составу питания при некоторых внутренних заболеваниях или соблюдение больничных диет в ряде случаев может способствовать обеднению организма.

Таблица 1

Даже при высоком содержании железа в пище его всасывание в организм может быть незначительным и не удовлетворять его потребности в железе. Железо может всасываться только в виде ионов Fe., его всасывание и выведение протекают очень медленно и зависят от многих сложных факторов. Усваивается лишь незначительная часть присутствующих в пищевых продуктах железа. Более того, способность железа усваиваться сильно варьирует для разных пищевых продуктов. Лучше всего железо усваивается из мяса, значительно хуже из зерновых злаков. Молоко содержит очень мало железа.

Продукты, содержащие Fe.

Богаты железом и некоторые минеральные воды. История рассказывает о том, как был открыт первый в России источник железистых вод. В 1714 году рабочий Кончезёрского медеплавильного завода в Карелии Иван Ребоев, «болевший сердечной болью, едва волочивший ноги», увидел однажды на железистом болоте неподалёку от Ладожского озера источник и стал пить из него воду. «Пил три дня к ряду и исцелился». Об этом стало известно Петру I, и вскоре по его указанию были обнародованы «Объявления о Марциальных водах, на Олонце», названных так в честь Марса - бога войны и железа. Царь вместе с семьёй не раз приезжал в эти края и пил целительную воду.

У жителей Северной Америки дефицит железа в организме - одно из наиболее распространённых последствий неправильного питания. Особенно он характерен для детей, девочек-подростков и женщин детородного возраста.

Железо необходимо для синтеза железопорфириновых белков гемоглобина и других составляющих крови. В крови оно переносится в форме комплекса с плазменным белком трансферрином, а в тканях оно накапливается в виде белкового комплекса, содержащего гидроксид и фосфат железа. Белки в больших количествах содержатся в печени, селезёнке и костном мозгу. Железо не выводится из организма с мочой. Оно выделяется с желчью и калом, а так же при кровотечениях. Из-за удвоенных или утроенных потерь во время менструаций женщинам необходимы большие количества железа, чем мужчинам. В хлеб и другие злаковые продукты добавляют дополнительное количество железа, однако это далеко не всегда является решением проблемы недостаточности железа, что приводит к железодефицитной анемии, при которой число эритроцитов в крови остаётся нормальным, а содержание гемоглобина в них уменьшается.

4. Обмен железа в организме человека

Механизмом, регулирующим обмен железа в организме человека, является всасывание железа в желудочно-кишечном тракте. Выделение его из организма кишечником, с кожей, потом с мочой, являющееся пассивным процессом, лимитировано. В последние 30 лет большое количество исследований в нашей стране и за рубежом посвящено изучению различных этапов всасывания железа. Однако этот механизм и особая роль слизистой оболочки кишечника в регуляции запасов железа и его превращений неизвестно.

При среднем поступлении с пищей 10-20 мг железа в сутки у здорового человека не более 1-2 мг всасывается в желудочно-кишечный тракт. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в двенадцатиперстной кишке и начальных отделах тощей кишки. Желудок играет лишь незначительную роль в усвоении: из него поступает в организм не более 1-2% от общего количества поступающего в желудочно-кишечный тракт. Соотношение в пище продуктов животного и растительного происхождения, веществ, усиливающих и тормозящих усвоение, состояние эпителия желудочно-кишечного тракта - всё это оказывает влияние на величину усвоения железа.

5. Этапы обмена железа в организме

Процесс усвоения железа состоит из ряда последовательных этапов:

1) начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой оболочки кишечника.

2) внутриклеточный транспорт, образование запасов железа в клетке.

3) освобождение железа из слизистой оболочки кишечника в кровь.

В экспериментальных исследованиях выяснилось, что клетки эпителия слизистой оболочки кишечника чрезвычайно быстро забирают железо из его полости. А ультразвуковые исследования показали, что первый этап обеспечивает достаточную концентрацию железа на поверхности слизистой оболочки клеток для последующего его усвоения организмом. При этом железо концентрируется щёточной кайме, превращения происходят на мембране микроворсинок.

Второй этап - это поступление железа в богатую рибосомами цитоплазму и межклеточное пространство. И, наконец, третий этап - перенос железа в кровеносные сосуды.

Комплекс трансферрин-железо, образовавшийся в результате захвата железа из клетки слизистой оболочкой кишечника, поступает главным образом в костный мозг, небольшая его часть - в запасный фонд, преимущественно в печень, и ещё меньшее количество железа забирается тканями для образования миоглобина, некоторых ферментов тканевого дыхания и нестойких комплексов железа с аминокислотами и белками.

Костный мозг, печень и тонкий кишечник являются тремя основными органами обмена железа. Клетки костного мозга, так же как и клетки эпителия слизистой оболочки кишечника, имеют повышенную способность захватывать железо из насыщенного трансферрина. Таким образом, ненасыщенный трансферрин лучше связывает, а насыщенный - лучше отдаёт железо.

Основным источником плазменного железа являются его поступления из внутренних органов, таких как печень, селезёнка, костный мозг, где происходит разрушение гемоглобина эритроцитов. Небольшое количество железа поступает в плазму из запасного фонда и при взятии его из пищи в желудочно-кишечном тракте. Преобладающим циклом в обмене железа в организме человека является образование и разрушение гемоглобина эритроцитов, что составляет 25 мг железа в сутки. Фермент сыворотки крови, вероятно, осуществляет транспортировку железа к клеткам печени, однако его роль в общем обмене железа в организме человека представляется минимальной.

Обмен железа между транспортным и тканевым его фондами изучен недостаточно, так как пути и движения железа из тканей в плазму крови и наоборот изучены мало. Расчётные данные, однако, свидетельствуют о том, что величина плазменно-тканевого обмена железа составляет приблизительно 6 мг в сутки.

7. Содержание железа в организме человека

Железо, находящееся в организме человека, можно разделить на 2 большие группы: клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке отличаются различным строением и обладают характерной только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. Ко второй группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки, содержащиеся во внеклеточных жидкостях.

Клеточное железо

Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, выполняет важную газотранспортную функцию - переносит кислород и углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции. В гемоглобине одного здорового эритроцита содержится приблизительно 0,34% железа.

Внеклеточное железо

Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии - в виде железо - белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, составляет 10,8 - 28,8 мкмоль/л, с достаточно большими суточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль/л.

Общее содержание железа во всём объёме циркулирующей плазмы у взрослого человека составляет 3 - 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от ряда факторов: взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте. Однако наиболее важной причиной, определяющей уровень железа, является взаимодействие процессов синтеза и распада эритроцитов.

Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведским учёным, содержится в небольшом количестве в плазме крови. В плазме здорового человека этот белок может находиться в четырёх различных формах, а синтезируется преимущественно в клетках печени.

Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и «узнаёт» нуждающиеся в железе клетки. Белок отдаёт железо им только в том случае, если имеют специальные рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок трансферрин функционирует как транспортное средство для железа, обмен которого в организме человека зависит как от общего поступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченного различными тканями, соответственно количеству в них рецепторов для железа. Кроме того, трансферрин предохраняет ткани организма от токсичного действия железа, выполняя тем самым ещё и защитную функцию.

Этот белок способен регулировать транспорт железа из его запасов в эпителии клеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и эритроцитов, в меньшей степени - клетками одной из систем и откладывается там, в виде запасного железа, некоторое количество которого используется для образования миоглобина и ферментов тканевого дыхания. Все эти процессы являются сложными и до конца не изучены, но некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа клеткам головного мозга можно представить следующим образом:

1) нахождение трансферрина рецепторными участками клеток.

2) образование прочного соединения между трансферрином и клеткой, возможно проникновение белка в клетку.

3) перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующему гемоглобин - аппарату клетки.

4) освобождение трансферрина в кровь.

Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологических жидкостях: молоке, слезах, желчи, и др. Подобно трансферрину, лактоферрин способен связывать 2 атома железа специфическими пространствами. В физиологических условиях лактоферрин насыщен железом до 20%, в ничтожных количествах он содержится в плазме, освобождаясь в неё из лейкоцитов.

Железосодержащие ферменты - это ещё один важный класс элементов, участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий. Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой форме, расщепляющейся под действием кислот. К железосерным ферментам относится, например, вещество, осуществляющее перенос электронов от возбуждённого светом хлорофилла на разнообразные точки электронов.

8. Диагностическое и лечебное применение железа

рацион железодефицитный человеческий железо

Кровь содержит железо, и оно определяет её цвет. Содержание железа в плазме крови подвержено суточным колебаниям - оно снижается во второй половине дня.

При таких заболеваниях, как анемия, цирроз печени, злокачественные новообразования, многих видах желтухи, при таких состояниях, как беременность, острые и хронические кровопотери и острые инфекционные заболевания часто наблюдается изменения количества железа в организме человека.

Обмен железа во многом зависит от нормального функционирования печени, поэтому определение содержания железа в сыворотке крови может быть использовано в качестве функциональной печеночной пробы. При некоторых видах поражения печени нарушается её функция по накоплению железа, т. к. пораженная или погибающая клетка отдаёт железо в кровь. В связи с этим происходит его накопление в сыворотке крови. Это очень важно учитывать, т. к. при вирусных инфекциях содержание железа в сыворотке крови снижается.

В отличие от многих других видов желтухи, механическая желтуха протекает при нормальном или несколько пониженном содержании железа в сыворотке крови.

Диагностическое применение железа.

Радиоактивное железо применяют в радиоизотопной диагностике для изучения обмена и всасывания железа, главным образом в виде цитрата и хлорида. Наиболее широкое применение находят препараты меченые железом. В клинической практике они применяются редко из-за длительного периода выведения из организма и его излучения.

В ряде случаев, например сканирование головного мозга, предпочтительнее использовать короткоживущий изотоп Fe, который создаёт значительно меньшую дозу облучения организма. При определении усвояемости железа эритроцитами радиоактивное железо вводят в кровоток. В последующие 15 - 20 дней с промежутками в 2-3 дня берут пробы крови, и путём изменения Fe- активности эритроцитов определяют степень поглощения железа эритроцитами.

Лечебное применение железа.

При анемических состояниях лечебное применение железа обусловлено его участием в процессе гемоглобинообразования, совершающемся специальных клетках костного мозга. Показаниями к применению железа являются железодефицитные анемии различного происхождения, протекающие с пониженным содержанием железа в крови и истощением тканевых резервов железа, а так же бессимптомного дефицита железа, встречающегося у 20-30% практически здоровых женщин. Назначение железа показано и при других состояниях недостаточности железа.

При назначении препаратов внутрь следует учитывать анатомо-функциональное состояние желудочно-кишечного тракта, особенности его верхних отделов желудка, двенадцатиперстной кишки и начального отдела тощей кишки, являющихся наиболее активными участками всасывания железа. После кровопусканий, всасывание железа возрастает и осуществляется на протяжении всего кишечника, включая слепую кишку.

Лечебное применение железа обусловлено необходимостью восстановления нормальной концентрацией не только гемоглобина, но и железа в тканях. Недостаточное лечение, в результате которого резервы тканевого железа не восполняются, способствует сохранению дефицита железа и быстрому развитию малокровия. Критериями эффективности лечения препаратами железа являются:

1) повышение цветового показателя крови.

2) повышение числа эритроцитов

3) нормализация величины концентрации сывороточного железа.

4) снижение общей железосвязывающей способности сыворотки крови.

5) повышение насыщенности трансферрина железом.

6) пополнение тканевых резервов железа, определяемых при помощи пробы.

Показателем эффективности лечения препаратами железа является также обратное развитие трофических нарушений эпителия и эндотелия, связанных с дефицитом железа.

Размещено на Allbest.ru