Железо в живых организмах: норма по уровню содержания и причины отклонения показателей

Поступила в редакцию 8 июня 2013 г .; Пересмотрено 3 ноября 2013 г .; Принято 27 ноября 2013 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported, что разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение в на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Abstract

Хорошо известно, что недостаток или чрезмерное воздействие различных элементов оказывает заметное влияние на здоровье человека. Действие элемента определяется несколькими характеристиками, включая абсорбцию, метаболизм и степень взаимодействия с физиологическими процессами. Железо является важным элементом почти для всех живых организмов, поскольку оно участвует в широком спектре метаболических процессов, включая транспорт кислорода, синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и транспорт электронов.Однако, поскольку железо может образовывать свободные радикалы, его концентрацию в тканях организма необходимо строго регулировать, поскольку в чрезмерных количествах оно может привести к повреждению тканей. Нарушения метаболизма железа являются одними из наиболее распространенных заболеваний человека и охватывают широкий спектр заболеваний с различными клиническими проявлениями, от анемии до перегрузки железом и, возможно, до нейродегенеративных заболеваний. В этом обзоре мы обсуждаем последние достижения в исследованиях метаболизма и биодоступности железа, а также наше текущее понимание потребности человека в железе, а также последствий и причин дефицита железа.Наконец, мы обсуждаем стратегии профилактики дефицита железа.

Ключевые слова: Анемия, потребность человека в железе, биодоступность железа, дефицит железа, метаболизм железа

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен человек осознавал особую роль железа в здоровье и болезнях. [1] Железо вначале использовалось в медицине египтянами, индуистами, греками и римлянами. [2, 3] В 17 ^— веках железо использовалось для лечения хлороза (зеленой болезни), состояния, часто возникающего из-за дефицита железа.[4] Однако только в 1932 году важность железа была окончательно установлена ​​убедительным доказательством того, что неорганическое железо необходимо для синтеза гемоглобина. [5] В течение многих лет пищевой интерес к железу был сосредоточен на его роли в образовании гемоглобина и транспорте кислорода. [6] В настоящее время, хотя низкое потребление железа и / или его биодоступность являются причиной большинства анемий в промышленно развитых странах, они составляют лишь около половины анемии в развивающихся странах [7], где инфекционные и воспалительные заболевания (особенно малярия), кровопотеря от паразитарных инфекций. , и дефицит других питательных веществ (витамина А, рибофлавина, фолиевой кислоты и витамина B12) также являются важными причинами.[8]

Биохимия и физиология

В отличие от цинка, железо является распространенным элементом на Земле [2,9] и является биологически важным компонентом каждого живого организма. [10,11] Однако, несмотря на его геологическое изобилие, железо часто является фактором, ограничивающим рост в окружающей среде. [9] Этот кажущийся парадокс связан с тем фактом, что при контакте с кислородом железо образует оксиды, которые очень нерастворимы и, следовательно, не доступны для усвоения организмами [2]. В ответ на это возникли различные клеточные механизмы захвата железа из окружающей среды в биологически полезных формах.Примерами являются сидерофоры, секретируемые микробами для захвата железа в высокоспецифический комплекс [12], или механизмы восстановления железа из нерастворимого трехвалентного железа (Fe ⁺³ ) до растворимой двухвалентной формы (Fe ⁺² ), как в дрожжах. [13] Многие механизмы, обнаруженные у низших организмов, имеют аналогичные аналоги у высших организмов, включая человека. В организме человека железо в основном существует в сложных формах, связанных с белком (гемопротеином), в виде гемовых соединений (гемоглобин или миоглобин), гемовых ферментов или негемовых соединений (ферменты флавин-железо, переносчики и ферритин).[3] Организму требуется железо для синтеза белков, переносящих кислород, в частности гемоглобина и миоглобина, а также для образования гемовых ферментов и других железосодержащих ферментов, участвующих в переносе электронов и окислении-восстановлении. [14,3] Почти Две трети железа в организме содержится в гемоглобине, присутствующем в циркулирующих эритроцитах, 25% содержится в легко мобилизуемых запасах железа, а оставшиеся 15% связаны с миоглобином в мышечной ткани и с различными ферментами, участвующими в окислительном процессе. метаболизм и многие другие функции клеток.[15]

Железо перерабатывается и, таким образом, сохраняется в организме. показана схематическая диаграмма цикла железа в организме. Железо доставляется в ткани с помощью циркулирующего трансферрина, переносчика, который захватывает железо, высвобождаемое в плазму, в основном из кишечных энтероцитов или ретикулоэндотелиальных макрофагов. Связывание нагруженного железом трансферрина с рецептором трансферрина на клеточной поверхности (TfR) 1 приводит к эндоцитозу и поглощению металлического груза. Интернализованное железо транспортируется в митохондрии для синтеза гема или кластеров железо-сера, которые являются неотъемлемой частью нескольких металлопротеинов, а избыток железа накапливается и детоксифицируется в цитозольном ферритине.

Железо связывается и транспортируется в организме через трансферрин и сохраняется в молекулах ферритина. После всасывания железа не существует физиологического механизма выведения избыточного железа из организма, кроме кровопотери, то есть беременности, менструации или другого кровотечения обычно низкий, но может колебаться от 5% до 35% в зависимости от обстоятельств и типа железа. [3]

Поглощение железа происходит энтероцитами переносчиком двухвалентного металла 1, членом группы переносчиков растворенных веществ мембранных транспортных белков.Это происходит преимущественно в двенадцатиперстной кишке и верхних отделах тощей кишки [16]. Затем он переносится через слизистую двенадцатиперстной кишки в кровь, где транспортируется трансферрином к клеткам или костному мозгу для эритропоэза [продуцирования красных кровяных телец (эритроцитов)]. [14,17,18] Существует механизм обратной связи, который усиливается. всасывание железа у людей с дефицитом железа. Напротив, люди с перегрузкой железом снижают абсорбцию железа через гепсидин. В настоящее время общепринято, что абсорбция железа контролируется ферропортином, который позволяет или не позволяет железу из клетки слизистой оболочки попадать в плазму.

Физическое состояние железа, поступающего в двенадцатиперстную кишку, сильно влияет на его всасывание. При физиологическом pH двухвалентное железо (Fe ⁺² ) быстро окисляется до нерастворимой трехвалентной формы (Fe ⁺³ ). Желудочная кислота понижает pH в проксимальном отделе двенадцатиперстной кишки, уменьшая Fe ⁺³ в просвете кишечника за счет редуктазы железа, тем самым обеспечивая последующий транспорт Fe ⁺² через апикальную мембрану энтероцитов. Это увеличивает растворимость и поглощение трехвалентного железа.Когда продукция желудочного сока нарушена (например, ингибиторами кислотного насоса, такими как лекарство, прилосек), абсорбция железа существенно снижается.

Диетический гем также может транспортироваться через апикальную мембрану по еще неизвестному механизму и впоследствии метаболизироваться в энтероцитах гемоксигеназой 1 (HO-1) с высвобождением (Fe ⁺² ) [19]. Этот процесс более эффективен, чем абсорбция неорганического железа, и не зависит от рН двенадцатиперстной кишки. Таким образом, на него не влияют такие ингибиторы, как фитат и полифенолы.Следовательно, красное мясо с высоким содержанием гемоглобина является отличным источником железа. Непосредственно интернализованный Fe ⁺² обрабатывается энтероцитами и в конечном итоге (или нет) экспортируется через базолатеральную мембрану в кровоток через транспортер ферропортин Fe ⁺² . Ферропортин-опосредованный отток Fe ⁺² связан с его повторным окислением с Fe ⁺² , катализируемым мембраносвязанным ферроксидазным гефестином, который физически взаимодействует с ферропортином [20] и, возможно, также его гомологом в плазме церулоплазмином.Экспортируемое железо улавливается трансферрином, который поддерживает Fe ⁺³ в окислительно-восстановительном инертном состоянии и доставляет его в ткани. Общее содержание железа в трансферрине (≈3 мг) соответствует менее 0,1% железа в организме, но оно очень динамично и подвергается более чем 10-кратному ежедневному обороту для поддержания эритропоэза. Пул трансферрина железа пополняется в основном за счет железа, рециркулируемого из неэффективных эритроцитов, и, в меньшей степени, за счет вновь абсорбированного пищевого железа. Стареющие эритроциты очищаются ретикулоэндотелиальными макрофагами, которые метаболизируют гемоглобин и гем и высвобождают железо в кровоток.По аналогии с кишечными энтероцитами, макрофаги экспортируют Fe ⁺² из своей плазматической мембраны через ферропортин в процессе, сопряженном с повторным окислением Fe ⁺² до Fe ⁺³ церулоплазмином с последующей загрузкой Fe ^+3. на трансферрин. [21]

Theil et al ., [21] недавно сообщили, что существует также независимый механизм абсорбции растительных ферритинов, в основном присутствующих в бобовых. Однако актуальность переносчика ферритина неясна, поскольку большая часть ферритина, по-видимому, разлагается во время обработки и переваривания пищи, тем самым высвобождая неорганическое железо из оболочки ферритина для поглощения по нормальному механизму.[22] Поскольку одна молекула ферритина содержит 1000 или более атомов железа и на нее также не должны влиять ингибиторы абсорбции железа, такой механизм может стать важным источником железа в развивающихся странах, где обычно потребляются бобовые.

Регуляция гомеостаза железа

Поскольку железо требуется для ряда разнообразных клеточных функций, для поддержания гомеостаза железа требуется постоянный баланс между поглощением, транспортом, хранением и использованием железа. [11] Поскольку в организме отсутствует определенный механизм активного выведения железа, баланс железа в основном регулируется в точке абсорбции.[23,24]

Гепсидин — это циркулирующий пептидный гормон, секретируемый печенью, который играет центральную роль в регуляции гомеостаза железа. Это главный регулятор системного гомеостаза железа, координирующий использование и хранение железа с приобретением железа. [25] Этот гормон в первую очередь вырабатывается гепатоцитами и является негативным регулятором поступления железа в плазму []. Гепсидин действует путем связывания с ферропортином, переносчиком железа, присутствующим на клетках двенадцатиперстной кишки, макрофагах и клетках плаценты.Связывание гепсидина вызывает интернализацию и деградацию ферропортина. [26] Потеря ферропортина с поверхности клетки предотвращает попадание железа в плазму []. Снижение поступления железа в плазму приводит к низкому насыщению трансферрина и меньшему количеству железа доставляется в развивающийся эритробласт. И наоборот, снижение экспрессии гепсидина приводит к увеличению ферропортина на клеточной поверхности и увеличению абсорбции железа [27] []. У всех видов концентрация железа в биологических жидкостях строго регулируется, чтобы обеспечить необходимое количество железа и избежать токсичности, поскольку избыток железа может привести к образованию активных форм кислорода.[28] Гомеостаз железа у млекопитающих регулируется на уровне кишечной абсорбции, поскольку для железа не существует экскреторного пути.

Гепсидин-опосредованная регуляция гомеостаза железа. (а) Повышенная экспрессия гепсидина печенью является результатом воспалительных стимулов. Высокий уровень гепсидина в кровотоке приводит к интернализации и деградации ферропортина, экспортера железа. Потеря ферропортина на клеточной поверхности приводит к загрузке железа макрофагами, низким уровням железа в плазме и снижению эритропоэза из-за снижения количества железа, связанного с трансферрином.Снижение эритропоэза приводит к анемии хронического заболевания. (b) Нормальные уровни гепсидина в ответ на потребность в железе регулируют уровень импорта железа в плазму, нормальное насыщение трансферрина и нормальные уровни эритропоэза. (c) Гемохроматоз или перегрузка железом возникает из-за недостаточного уровня гепсидина, вызывая повышенный импорт железа в плазму, высокое насыщение трансферрина и избыточное отложение железа в печени. Источник: De Domenico, и др. . [27]

Уровни гепсидина в плазме регулируются различными стимулами, включая цитокины, железо в плазме, анемию и гипоксию.Нарушение регуляции экспрессии гепсидина приводит к нарушениям железа. Избыточная экспрессия гепсидина приводит к анемии хронического заболевания, в то время как низкая продукция гепсидина приводит к наследственному гемохроматозу (HFE) с последующим накоплением железа в жизненно важных органах []. Большинство наследственных заболеваний, связанных с железом, возникают в результате недостаточного производства гепсидина по сравнению со степенью накопления железа в тканях. Было показано, что нарушение экспрессии гепсидина является результатом мутаций в любом из 4 различных генов: TfR2, HFE, гемохроматоз типа 2 (HFE2) и антимикробный пептид гепсидина (HAMP).Мутации в HAMP, гене, кодирующем гепсидин, приводят к болезни, связанной с перегрузкой железом, поскольку отсутствие гепсидина обеспечивает постоянное высокое всасывание железа. Роль других генов (TFR2, HFE и HFE2) в регуляции продукции гепсидина не ясна [27].

Хранение

Концентрация ферритина вместе с концентрацией гемосидерина отражает запасы железа в организме. Они хранят железо в нерастворимой форме и присутствуют в основном в печени, селезенке и костном мозге. [2] Большая часть железа связана с широко распространенным и высококонсервативным железосвязывающим белком ферритином.[18] Гемосидерин представляет собой комплекс хранения железа, который с меньшей готовностью выделяет железо для нужд организма. В условиях устойчивого состояния сывороточные концентрации ферритина хорошо коррелируют с общими запасами железа в организме. [29] Таким образом, сывороточный ферритин является наиболее удобным лабораторным тестом для оценки запасов железа.

Экскреция

Помимо потерь железа из-за менструации, другого кровотечения или беременности, железо очень консервативно и нелегко выводится из организма. [30] Существует некоторая обязательная потеря железа из организма в результате физиологического отшелушивания клеток с эпителиальных поверхностей [30], включая кожу, мочеполовые и желудочно-кишечные тракты.[3] Однако, по оценкам, эти потери очень ограничены (≈1 мг / день). [31] Потери железа из-за кровотечения могут быть значительными, а чрезмерная менструальная кровопотеря является наиболее частой причиной дефицита железа у женщин.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДОСТУПНОСТЬ

Пищевое железо встречается в двух формах: гемовая и негемовая. [23] Основными источниками гемового железа являются гемоглобин и миоглобин из мяса, птицы и рыбы, тогда как негемовое железо получают из злаков, бобовых, бобовых, фруктов и овощей.[32] Гемовое железо обладает высокой биодоступностью (15–35%), и диетические факторы мало влияют на его абсорбцию, тогда как абсорбция негемового железа намного ниже (2–20%) и сильно зависит от присутствия других пищевых компонентов. [23] Напротив, количество негемового железа в рационе во много раз превышает количество гемового железа в большинстве приемов пищи. Таким образом, несмотря на свою более низкую биодоступность, негемовое железо обычно вносит больший вклад в питание железом, чем гемовое железо. [33] Основными ингибиторами абсорбции железа являются фитиновая кислота, полифенолы, кальций и пептиды из частично переваренных белков.[23] Усилители — это аскорбиновая кислота и мышечная ткань, которые могут восстанавливать трехвалентное железо до двухвалентного железа и связывать его в растворимые комплексы, доступные для абсорбции. [23]

Факторы, повышающие абсорбцию железа

На абсорбцию железа влияет ряд диетических факторов. Аскорбат и цитрат частично увеличивают усвоение железа, действуя как слабые хелатирующие агенты, способствующие растворению металла в двенадцатиперстной кишке []. [34] Железо легко переносится из этих соединений в клетки слизистой оболочки. Исследователи продемонстрировали дозозависимый усиливающий эффект нативной или добавленной аскорбиновой кислоты на абсорбцию железа.[34] Усиливающий эффект в значительной степени связан с его способностью восстанавливать трехвалентное железо до двухвалентного железа, но также из-за его способности хелатировать железо. [35] Аскорбиновая кислота преодолеет отрицательное влияние на абсорбцию железа всех ингибиторов, включая фитат, [36] полифенолы, [37], кальций и белки, содержащиеся в молочных продуктах [38], и увеличит абсорбцию как нативного, так и обогащенного железа. Во фруктах и ​​овощах усиливающий эффект аскорбиновой кислоты часто нивелируется ингибирующим действием полифенолов.[39] Аскорбиновая кислота является единственным усилителем всасывания в вегетарианских диетах, а всасывание железа из вегетарианских и веганских блюд можно оптимизировать путем включения овощей, содержащих аскорбиновую кислоту. [40] Варка, промышленная переработка и хранение разлагают аскорбиновую кислоту и устраняют ее усиливающий эффект на усвоение железа. [41]

Таблица 1

Факторы, которые могут влиять на всасывание железа

Было показано усиливающее действие мяса, рыбы или птицы на всасывание железа из вегетарианских блюд [42], и 30 г мышечной ткани считается эквивалентом 25 мг аскорбиновой кислоты. .[33] Бьорн-Расмуссен и Халлберг [43] сообщили, что добавление курицы, говядины или рыбы к кукурузной муке увеличивало всасывание негемового железа в 2-3 раза без влияния того же количества белка, что и яичного альбумина. Как и в случае с аскорбиновой кислотой, было несколько сложнее продемонстрировать усиливающий эффект мяса при многократном приёме пищи и в полных исследованиях диеты. Редди и др. ., [44] сообщили только о незначительном улучшении всасывания железа (35%) в самостоятельно выбранных диетах в течение 5 дней, когда ежедневное потребление мышечной ткани было увеличено до 300 г / день, хотя в аналогичных 5-дневных рационах. В ходе дневного исследования 60 г свинины, добавленные к вегетарианской диете, увеличили всасывание железа на 50%.[45]

Факторы, ингибирующие абсорбцию железа

В растительной диете фитат (мио-инозитол гексакисфосфат) является основным ингибитором абсорбции железа. [23] Было показано, что отрицательное влияние фитата на абсорбцию железа зависит от дозы и начинается с очень низких концентраций 2-10 мг / прием пищи. [37,46] Молярное отношение фитата к железу может быть использовано для оценки влияния на абсорбцию. . Соотношение должно составлять 1: 1 или предпочтительно 0,4: 1 для значительного улучшения всасывания железа в простых злаковых или бобовых блюдах, которые не содержат каких-либо усилителей усвоения железа, или 6: 1 в комбинированных блюдах с некоторыми овощами, содержащими аскорбин. кислота и мясо как усилители.[47]

Полифенолы содержатся в различных количествах в растительной пище и напитках, таких как овощи, фрукты, некоторые злаки и бобовые, чай, кофе и вино. Ингибирующее действие полифенолов на абсорбцию железа было показано с черным чаем и, в меньшей степени, с травяными чаями. [48,49] В зерновых и бобовых культурах полифенолы усиливают ингибирующий эффект фитата, как было показано в исследовании, сравнивающем сорго с высоким и низким содержанием полифенолов. [23]

Было показано, что кальций отрицательно влияет на абсорбцию негемового и гемового железа, что отличает его от других ингибиторов, влияющих только на абсорбцию негемового железа.[50] Дозозависимые ингибирующие эффекты были показаны при дозах 75-300 мг, когда кальций добавлялся в булочки, и при дозах 165 мг кальция из молочных продуктов. [51] Предполагается, что исследования однократного приема пищи показывают отрицательное влияние кальция на абсорбцию железа, тогда как исследования многократного приема пищи с большим разнообразием продуктов и различными концентрациями других ингибиторов и усилителей показывают, что кальций лишь ограниченно влияет на абсорбцию железа. [52]

Было показано, что животные белки, такие как молочные белки, яичные белки и альбумин, ингибируют абсорбцию железа.[53] Было показано, что две основные белковые фракции коровьего молока, казеин и сыворотка, а также яичный белок ингибируют абсорбцию железа у человека. [54] Белки сои также снижают всасывание железа. [55]

Конкуренция с железом

Исследования конкуренции показывают, что несколько других тяжелых металлов могут участвовать в пути всасывания железа в кишечнике. К ним относятся свинец, марганец, кобальт и цинк. Поскольку дефицит железа часто сочетается с интоксикацией свинцом, это взаимодействие может вызвать особенно серьезные медицинские осложнения у детей.[56]

Свинец является особенно опасным элементом для метаболизма железа. [57] Свинец поглощается механизмом поглощения железа (DTM1) и вторично блокирует железо за счет конкурентного торможения. Кроме того, свинец препятствует ряду важных железозависимых метаболических этапов, таких как биосинтез гема. Это многогранное влияние имеет особенно тяжелые последствия для детей, поскольку свинец не только вызывает анемию, но и может ухудшить когнитивное развитие. Свинец в естественных условиях присутствует в больших количествах в грунтовых водах и почве в некоторых регионах и может тайно нанести вред здоровью детей.По этой причине большинство педиатров в США обычно проверяют содержание свинца в раннем возрасте с помощью простого анализа крови.

ТРЕБОВАНИЯ К ЧЕЛОВЕКУ

В раннем детстве потребности в железе удовлетворяются за счет небольшого количества железа, содержащегося в грудном молоке. [58] Потребность в железе заметно возрастает через 4-6 месяцев после рождения и составляет около 0,7-0,9 мг / день в течение оставшейся части первого года [58]. В возрасте от 1 до 6 лет содержание железа в организме снова увеличивается вдвое. [58] Потребность в железе также очень высока у подростков, особенно в период скачка роста.У девочек обычно происходит скачок роста до менархе, но к этому времени рост не заканчивается. У мальчиков наблюдается заметное увеличение массы и концентрации гемоглобина в период полового созревания. На этой стадии потребности в железе повышаются до уровня, превышающего средние потребности в железе у менструирующих женщин [58] [см.].

Таблица 2

Потребность в железе 97,5% людей с точки зрения абсорбированного железа ^a , по возрастным группам и полу (Всемирная организация здравоохранения, 1989 г.) ее тело.Точный баланс между потреблением и потерей пищи поддерживает этот баланс. Около 1 мг железа теряется каждый день из-за отшелушивания клеток кожи и слизистых оболочек, включая слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. [59] Менструация увеличивает среднесуточную потерю железа примерно до 2 мг в день у взрослых женщин в пременопаузе. [60] Увеличение массы тела во время скачков роста в неонатальном и детском возрасте временно увеличивает потребность в железе. [61]

Потребление железа с пищей необходимо для восполнения потери железа с калом и мочой, а также через кожу.Эти базальные потери составляют примерно 0,9 мг железа для взрослого мужчины и 0,8 мг для взрослой женщины. [62] У женщин репродуктивного возраста необходимо учитывать потерю железа с менструальной кровью [].

ГРУППЫ ПОВЫШЕННОГО РИСКА

Наибольшая вероятность дефицита железа обнаруживается в тех частях населения, которые не имеют надлежащего доступа к пище, богатой усвояемым железом, во время стадий высокой потребности в железе. Эти группы соответствуют детям, подросткам и женщинам репродуктивного возраста, особенно во время беременности.[63,58]

У младенцев и подростков повышенная потребность в железе является результатом быстрого роста. Для женщин репродуктивного возраста основная причина — чрезмерная кровопотеря во время менструации. Во время беременности потребность в железе значительно возрастает из-за быстрого роста плаценты и плода, а также увеличения глобулярной массы. [63] Напротив, взрослые мужчины и женщины в постменопаузе имеют низкий риск дефицита железа, и количество железа в нормальном рационе обычно достаточно для удовлетворения их физиологических потребностей.[63]

ПОСЛЕДСТВИЯ И ПРИЧИНЫ ДЕФИЦИТА ЖЕЛЕЗА

Последствия дефицита железа

Дефицит железа определяется как состояние, при котором отсутствуют мобилизуемые запасы железа и при котором появляются признаки нарушения поступления железа в ткани, включая эритрон. , отмечены. [64] Дефицит железа может сопровождаться анемией или без нее. Некоторые функциональные изменения могут произойти в отсутствие анемии, но наиболее функциональные нарушения, по-видимому, возникают при развитии анемии. [2] Даже легкие и средние формы железодефицитной анемии могут быть связаны с функциональными нарушениями, влияющими на когнитивное развитие [65], механизмы иммунитета [66] и работоспособность.[67] Дефицит железа во время беременности связан с множеством неблагоприятных исходов как для матери, так и для ребенка, включая повышенный риск сепсиса, материнской смертности, перинатальной смертности и низкой массы тела при рождении. [68] Дефицит железа и анемия также снижают способность к обучению и связаны с повышенным уровнем заболеваемости. [68]

Причины дефицита железа

Дефицит железа возникает в результате истощения запасов железа и возникает, когда абсорбция железа не может идти в ногу с метаболическими потребностями в железе для поддержания роста и восполнения потери железа, что в первую очередь связано с кровопотерей .[2] Основные причины дефицита железа включают низкое потребление биодоступного железа, повышенную потребность в железе в результате быстрого роста, беременности, менструации и избыточную кровопотерю, вызванную патологическими инфекциями, такими как анкилостомы и власоглавы, вызывающие потерю крови из желудочно-кишечного тракта [2] 69,70,71,72] и нарушение всасывания железа. [73] Частота дефицита железа увеличивается у девочек-подростков, потому что менструальные потери железа накладываются на потребность в быстром росте [74]. Другими факторами риска дефицита железа у молодых женщин являются высокий паритет, использование внутриматочной спирали и вегетарианская диета.[75]

Дефицит железа в питании возникает, когда физиологические потребности не могут быть удовлетворены за счет абсорбции железа из рациона. [72] Биодоступность пищевого железа низка в группах населения, потребляющих однообразные растительные диеты с небольшим количеством мяса. [72] Во многих развивающихся странах растительные продукты для отлучения от груди редко обогащаются железом, а частота анемии превышает 50% у детей младше 4 лет. [64]

Когда запасы железа истощаются и железа недостаточно для эритропоэза, синтез гемоглобина в предшественниках эритроцитов нарушается и появляются гематологические признаки железодефицитной анемии.

ОЦЕНКА СТАТУСА ЖЕЛЕЗА

Дефицит железа и, в конечном итоге, анемия развиваются поэтапно и могут быть оценены путем измерения различных биохимических показателей. Хотя некоторые ферменты железа чувствительны к дефициту железа [63], их активность не использовалась в качестве успешного рутинного измерения статуса железа [2].

Лабораторные измерения необходимы для правильной диагностики дефицита железа. Они наиболее информативны, когда несколько показателей уровня железа исследуются и оцениваются в контексте питания и истории болезни.

Пул железа в плазме или сыворотке — это фракция всего железа в организме, которая циркулирует в основном связанном с трансферрином. Три способа оценки уровня железа в плазме или сыворотке включают: 1) измерение общего содержания железа в единице объема в мкг / дл; 2) измерение общего количества сайтов связывания для атомов железа на трансферрине, известного как общая железосвязывающая способность в мкг / дл ² ; и 3) оценка процента двух сайтов связывания на всех занятых молекулах трансферрина, называемого процентным насыщением трансферрина.[76] Однако заметные биологические вариации этих значений могут возникать в результате суточных колебаний, наличия инфекции или воспалительных состояний и недавнего потребления железа с пищей. [76]

Протопорфирин цинка отражает нехватку железа на последних стадиях синтеза гемоглобина, так что цинк вставляется в молекулу протопорфирина вместо железа. Протопорфирин цинка может быть обнаружен в эритроцитах с помощью флуориметрии и является мерой тяжести дефицита железа. [76]

Сывороточный ферритин является хорошим индикатором запасов железа в организме в большинстве случаев.Когда концентрация сывороточного ферритина ≥15 мкг / л, присутствуют запасы железа; более высокие концентрации отражают размер склада железа; при низкой концентрации (<12 мкг / л для детей младше 5 лет и <15 мкг / л для детей старше 5 лет) запасы железа истощаются. [76] Однако ферритин является белком-реагентом острой фазы, и его сывороточные концентрации могут быть повышены независимо от изменения запасов железа, инфекции или воспаления. [76,2] Это означает, что может быть трудно интерпретировать концентрацию ферритина там, где инфекция болезни распространены.

Еще одним индикатором статуса железа является концентрация TfR в сыворотке крови. Поскольку TfR в основном происходит из развивающихся эритроцитов, он отражает интенсивность эритропоэза и потребность в железе. Когда запасы железа истощаются, концентрация повышается при железодефицитной анемии, что указывает на серьезную недостаточность железа. Это при условии, что нет других причин аномального эритропоэза. [76] Клинические исследования показывают, что сывороточный TfR менее подвержен воспалению, чем сывороточный ферритин. [77] Основным преимуществом TfR как индикатора является возможность оценки величины функционального дефицита железа после истощения запасов железа.[78]

Отношение TfR к ферритину (TfR / ферритин) было разработано для оценки изменений как в накопленном, так и в функциональном железе и считается более полезным, чем TfR или ферритин отдельно. [79] TfR / ферритин использовался для оценки запасов железа в организме как у детей, так и у взрослых. [80] Однако высокая стоимость и отсутствие стандартизации анализа TfR до сих пор ограничивали применимость метода [81].

Низкая концентрация гемоглобина является показателем анемии, конечной стадии дефицита железа.[76,2]

АНЕМИЯ И ЕЕ ПРИЧИНЫ

Анемия описывает состояние, при котором количество эритроцитов в крови низкое или в клетках крови содержится меньше нормального гемоглобина. Человека, страдающего анемией, называют анемичным. Цель эритроцитов — доставлять кислород из легких в другие части тела. Молекула гемоглобина является функциональной единицей эритроцитов и представляет собой сложную белковую структуру, которая находится внутри эритроцитов. Несмотря на то, что эритроциты производятся в костном мозге, в их производство вовлечены многие другие факторы.Например, железо — очень важный компонент молекулы гемоглобина; эритропоэтин, молекула, секретируемая почками, способствует образованию эритроцитов в костном мозге.

Наличие правильного количества эритроцитов и профилактика анемии требует взаимодействия между почками, костным мозгом и питательными веществами в организме. Если почки или костный мозг не функционируют, или организм плохо питается, то нормальное количество и функции эритроцитов может быть трудно поддерживать.

Анемия на самом деле является признаком болезненного процесса, а не самой болезни.Обычно его классифицируют как хронический или острый. Хроническая анемия возникает в течение длительного периода времени. Острая анемия возникает быстро. Определение того, присутствует ли анемия в течение длительного времени или это что-то новое, помогает врачам найти причину. Это также помогает предсказать, насколько серьезными могут быть симптомы анемии. При хронической анемии симптомы обычно начинаются медленно и постепенно прогрессируют; тогда как при острой анемии симптомы могут быть резкими и более тревожными.

Эритроциты живут около 100 дней, поэтому организм постоянно пытается их заменить.У взрослых производство эритроцитов происходит в костном мозге. Врачи пытаются определить, вызвано ли низкое количество эритроцитов повышенной кровопотерей эритроцитов или их снижением в костном мозге. Знание того, изменилось ли количество лейкоцитов и / или тромбоцитов, также помогает определить причину анемии.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), два миллиарда человек во всем мире страдают анемией и примерно 50% всех анемий объясняются дефицитом железа. [64] Это происходит на всех этапах жизненного цикла, но чаще встречается у беременных женщин и маленьких детей.[82] Анемия является результатом множества причин, которые можно изолировать, но чаще всего они сосуществуют. Некоторые из этих причин включают следующие:

Железодефицитная анемия

Наиболее важной и частой причиной анемии является дефицит железа. [82] Если потребление железа ограничено или неадекватно из-за плохого питания, в результате может возникнуть анемия. Это называется железодефицитной анемией. Железодефицитная анемия также может возникать при наличии язвы желудка или других источников медленного хронического кровотечения (рак толстой кишки, рак матки, полипы кишечника, геморрой и т. Д.).[83]

Анемия хронического заболевания

Любое длительное заболевание может привести к анемии. Этот тип анемии является вторым по распространенности после анемии, вызванной дефицитом железа, и развивается у пациентов с острым или хроническим системным заболеванием или воспалением. [84] Это состояние было названо «анемией воспаления» из-за повышенного содержания гепсидина, который блокирует как рециркуляцию железа из макрофагов, так и абсорбцию железа. [85]

Анемия из-за активного кровотечения

Потеря крови из-за обильного менструального кровотечения или ран может вызвать анемию.[82] Язвы желудочно-кишечного тракта или раковые заболевания, такие как рак толстой кишки, могут медленно терять кровь и также могут вызывать анемию. [86,87]

Анемия, связанная с заболеванием почек

Почки выделяют гормон эритропоэтин, который помогает костному мозгу сделать эритроциты. У людей с хроническим (длительным) заболеванием почек выработка этого гормона снижена, а это, в свою очередь, снижает выработку эритроцитов, вызывая анемию. [88] Хотя дефицит эритропоэтина является основной причиной анемии при хронической почечной недостаточности, это не единственная причина.Следовательно, необходимо минимальное обследование, чтобы исключить дефицит железа и другие аномалии клеточной линии. [89]

Анемия, связанная с беременностью

Увеличение объема плазмы во время беременности приводит к разбавлению эритроцитов и может проявляться как анемия. [90] Железодефицитная анемия составляет 75% всех анемий во время беременности. [90]

Анемия, связанная с плохим питанием

Витамины и минералы необходимы для образования эритроцитов. Помимо железа, для правильного производства гемоглобина необходимы витамин B12, виамин A, фолиевая кислота, рибофлавин и медь.[82] Дефицит любого из этих питательных микроэлементов может вызвать анемию из-за недостаточного производства эритроцитов. Плохое питание — важная причина низкого уровня витаминов и, как следствие, анемии.

Ожирение и анемия

Ожирение характеризуется хроническим слабым системным воспалением, повышенным уровнем гепсидина, которое, в свою очередь, связано с анемией хронического заболевания. Ausk и Ioannou [91] предположили, что ожирение может быть связано с особенностями анемии хронического заболевания, включая низкую концентрацию гемоглобина, низкое содержание железа и трансферрина в сыворотке, а также повышенный уровень ферритина в сыворотке.Избыточный вес и ожирение были связаны с изменениями сывороточного железа, насыщения трансферрина и ферритина, которые, как ожидается, произойдут в условиях хронического системного воспаления. Воспаление, связанное с ожирением, может повышать концентрацию гепсидина и снижать доступность железа. Aeberli и др. ., [92] сравнили уровень железа, потребление железа с пищей и его биодоступность, а также циркулирующие уровни гепсидина, лептина и интерлейкина-6 (ИЛ-6) у детей с избыточной массой тела и детей с нормальным весом.Они указали, что существует пониженная доступность железа для эритропоэза у детей с избыточным весом и что это, вероятно, связано с опосредованным гепсидином сниженным всасыванием железа и / или повышенным секвестрацией железа, а не с низким содержанием железа с пищей.

Алкоголизм

Алкоголь оказывает многочисленные неблагоприятные эффекты на различные типы клеток крови и их функции. [93] У алкоголиков часто есть дефектные эритроциты, которые преждевременно разрушаются. [93,94] Сам по себе алкоголь также может быть токсичным для костного мозга и может замедлять производство эритроцитов.[93,94] Кроме того, плохое питание и дефицит витаминов и минералов связаны с алкоголизмом. [95] Сочетание этих факторов может привести к анемии у алкоголиков.

Серповидно-клеточная анемия

Серповидно-клеточная анемия — одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний. [96] Это заболевание, связанное с кровью, которое влияет на молекулу гемоглобина и приводит к изменению формы всей клетки крови в стрессовых условиях [97]. В таком состоянии проблема с гемоглобином бывает качественной или функциональной.Аномальные молекулы гемоглобина могут вызвать проблемы в целостности структуры эритроцитов, и они могут стать серповидными (серповидные клетки). [97] Существуют разные типы серповидно-клеточной анемии разной степени тяжести. Это особенно распространено у африканцев, ближневосточных и средиземноморских предков. [97]

Талассемия

Это еще одна группа причин анемии, связанных с гемоглобином, которая связана с отсутствием или ошибками в генах, ответственных за выработку гемоглобина. [97] Молекула гемоглобина имеет субъединицы, обычно называемые альфа- и бета-цепями глобина.Отсутствие определенной субъединицы определяет тип альфа- или бета-талассемии. [97,98] Существует много типов талассемии, которые различаются по степени тяжести от легкой (малая талассемия) до тяжелой (большая талассемия). [98] Они также являются наследственными, но вызывают количественные аномалии гемоглобина, то есть вырабатывается недостаточное количество молекул правильного типа. Альфа- и бета-талассемии являются наиболее распространенными наследственными моногенными заболеваниями в мире с наибольшей распространенностью в регионах, где малярия была или все еще является эндемической.[97]

Апластическая анемия

Апластическая анемия — это заболевание, при котором разрушается костный мозг и снижается выработка клеток крови. [99] Это вызывает дефицит всех трех типов клеток крови (панцитопения), включая эритроциты (анемия), лейкоциты (лейкопения) и тромбоциты (тромбоцитопения). [100,101] Многие распространенные лекарства могут иногда вызывать этот тип анемии в качестве побочного эффекта. у некоторых людей. [99]

Гемолитическая анемия

Гемолитическая анемия — это тип анемии, при которой происходит разрыв эритроцитов, известный как гемолиз, который разрушается быстрее, чем костный мозг может их заменить.[102] Гемолитическая анемия может возникнуть по разным причинам и часто классифицируется как приобретенная или наследственная. Распространенными приобретенными причинами гемолитической анемии являются аутоиммунитет, микроангиопатия и инфекции. Нарушения ферментов эритроцитов, мембран и гемоглобина вызывают наследственную гемолитическую анемию. [102]

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НЕДОСТАТОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗА (СТРАТЕГИИ ВМЕШАТЕЛЬСТВА)

Четыре основных стратегии коррекции эффективности микронутриентов в популяциях могут использоваться для коррекции дефицита железа, как по отдельности, так и в комбинации.Это обучение в сочетании с модификацией диеты для улучшения потребления железа и его биодоступности; добавление железа (обеспечение железом, обычно в более высоких дозах, без еды), обогащение пищевых продуктов железом и новый подход к биофортификации. Однако есть некоторые трудности в применении некоторых из этих стратегий при рассмотрении железа.

Диверсификация продуктов питания

Модификации рациона питания для сокращения потребления Индийской стоматологической ассоциации включают увеличение потребления продуктов, богатых железом, особенно мясных продуктов, увеличение потребления фруктов и овощей, богатых аскорбиновой кислотой, для увеличения абсорбции негемового железа и снижение потребления чая и кофе, которые подавляют всасывание негемового железа.[103,58] Другая стратегия — снизить содержание антинутриентов, чтобы сделать железо, поступающее из их пищевых источников, более доступным. Биодоступность железа может быть увеличена такими методами, как проращивание и ферментация, которые способствуют ферментативному гидролизу фитиновой кислоты в цельнозерновых зерновых и бобовых культурах за счет повышения активности эндогенных или экзогенных ферментов фитазы. [104] Даже использование неферментативных методов, таких как термическая обработка, замачивание и измельчение, для снижения содержания фитиновой кислоты в основных продуктах растительного происхождения позволило улучшить биодоступность железа (и цинка).[105,106]

Добавка

Для перорального приема добавок железа предпочтительны соли двухвалентного железа (сульфат двухвалентного железа и глюконат двухвалентного железа) из-за их низкой стоимости и высокой биодоступности. [72] Хотя абсорбция железа выше при приеме добавок железа натощак, тошнота и боль в эпигастрии могут развиться из-за введенных более высоких доз железа (обычно 60 мг Fe / день). Если возникают такие побочные эффекты, следует попытаться снизить дозу между приемами пищи или давать железо во время еды, хотя пища снижает всасывание лекарственного железа примерно на две трети.[107] Добавки железа во время беременности рекомендуется в развивающихся странах, где женщины часто вступают в беременность с низкими запасами железа. [108] Хотя обычно считалось, что польза от приема добавок железа перевешивает предполагаемый риск, есть некоторые свидетельства того, что добавление в дозах, рекомендованных для здоровых детей, несет в себе риск увеличения тяжести инфекционного заболевания на фоне малярии. [109,110]

Обогащение

Обогащение пищевых продуктов железом сложнее, чем обогащение такими питательными веществами, как цинк в муке, йод в соли и витамин А в кулинарном масле.[72] Наиболее биодоступные соединения железа растворимы в воде или разбавленной кислоте, но часто вступают в реакцию с другими пищевыми компонентами, вызывая неприятный запах, изменение цвета или окисление жиров. [103] Таким образом, менее растворимые формы железа, хотя и хуже усваиваются, часто выбираются для обогащения, чтобы избежать нежелательных сенсорных изменений. [72] Обогащение обычно производится с гораздо более низкими дозами железа, чем с добавками. Это ближе к физиологической среде и может быть самым безопасным вмешательством в малярийных областях. [111] Нет никаких опасений по поводу безопасности добавок железа или обогащения железа в немалярийных эндемичных районах.[112]

Соединения железа, рекомендованные [7] для обогащения пищевых продуктов, включают сульфат железа, фумарат железа, пирофосфат железа и порошок электролитического железа. Пшеничная мука является наиболее распространенным пищевым продуктом, обогащенным железом, и обычно она обогащается порошками элементарного железа, которые не рекомендуются ВОЗ. [7,113] Харрелл и Эгли [23] сообщили, что из 78 национальных программ по пшеничной муке только восемь улучшатся. статус железа. В этих программах использовались рекомендуемые соединения железа на рекомендованных уровнях.Другие страны использовали не рекомендуемые соединения или более низкие уровни железа по сравнению с потреблением муки. Коммерческое детское питание, такое как смеси и злаки, также обычно обогащено железом.

Биообогащение

Содержание железа колеблется от 25 до 56 мг / кг в различных сортах пшеницы и 7-23 мг / кг в зернах риса. Однако большая часть этого железа удаляется в процессе измельчения. Поглощение железа зерновыми и бобовыми культурами, многие из которых имеют высокое содержание самородного железа, обычно низкое из-за высокого содержания в них фитата, а иногда и полифенолов.[48] ​​Стратегии биофортификации включают селекцию растений и генную инженерию. Уровни железа в обычных бобах и просе были успешно увеличены путем селекции растений, но использование других основных продуктов питания является более трудным или невозможным (рис) из-за недостаточной естественной генетической изменчивости. Lucca и др. ., [114] увеличили содержание железа в эндосперме риса, чтобы улучшить его всасывание в кишечнике человека с помощью генной инженерии. Они ввели ген ферритина из Phaseolus vulgaris в рисовые зерна, увеличив содержание железа в них вдвое.Для увеличения биодоступности железа они ввели в эндосперм риса термотолерантную фитазу из Aspergillus fumigatus . Они указали, что этот рис с более высоким содержанием железа и богатым фитазой имеет большой потенциал для существенного улучшения питания железом в тех популяциях, где дефицит железа так широко распространен. [114] К сожалению, фитаза не устояла перед приготовлением. Важность различных минералов, таких как цинк [115] и железо, требует большего внимания на индивидуальном уровне и уровне общественного здравоохранения.

Сноски

Источник поддержки: Нет

Конфликт интересов: Не объявлен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор железа и его значения для здоровья человека

J Res Med Sci.2014 фев; 19 (2): 164–174.

Назанин Аббаспур

Департамент наук о системах окружающей среды, Институт наземных экосистем, Швейцарский федеральный технологический институт, Цюрих, Швейцария

Ричард Харрелл

¹ Департамент здравоохранения и технологий, Лаборатория питания человека, Институт пищевых продуктов , Питание и здоровье, Швейцарский федеральный технологический институт, Цюрих, Швейцария

Ройя Келишади

² Исследовательский центр детского роста и развития, Исфаханский университет медицинских наук, Исфахан, Иран

Департамент науки о системах окружающей среды, Институт наземных исследований Экосистема, Швейцарский федеральный технологический институт, Цюрих, Швейцария

¹ Департамент медицинских наук и технологий, Лаборатория питания человека, Институт питания, питания и здоровья Швейцарского федерального технологического института, Цюрих, Швейцария

² Исследования роста и развития детей Ce nter, Исфаханский университет медицинских наук, Исфахан, Иран

Поступила в редакцию 8 июня 2013 г .; Пересмотрено 3 ноября 2013 г .; Принято 27 ноября 2013 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported, что разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение в на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Abstract

Хорошо известно, что недостаток или чрезмерное воздействие различных элементов оказывает заметное влияние на здоровье человека. Действие элемента определяется несколькими характеристиками, включая абсорбцию, метаболизм и степень взаимодействия с физиологическими процессами. Железо является важным элементом почти для всех живых организмов, поскольку оно участвует в широком спектре метаболических процессов, включая транспорт кислорода, синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и транспорт электронов.Однако, поскольку железо может образовывать свободные радикалы, его концентрацию в тканях организма необходимо строго регулировать, поскольку в чрезмерных количествах оно может привести к повреждению тканей. Нарушения метаболизма железа являются одними из наиболее распространенных заболеваний человека и охватывают широкий спектр заболеваний с различными клиническими проявлениями, от анемии до перегрузки железом и, возможно, до нейродегенеративных заболеваний. В этом обзоре мы обсуждаем последние достижения в исследованиях метаболизма и биодоступности железа, а также наше текущее понимание потребности человека в железе, а также последствий и причин дефицита железа.Наконец, мы обсуждаем стратегии профилактики дефицита железа.

Ключевые слова: Анемия, потребность человека в железе, биодоступность железа, дефицит железа, метаболизм железа

ВВЕДЕНИЕ

С древних времен человек осознавал особую роль железа в здоровье и болезнях. [1] Железо вначале использовалось в медицине египтянами, индуистами, греками и римлянами. [2, 3] В 17 ^— веках железо использовалось для лечения хлороза (зеленой болезни), состояния, часто возникающего из-за дефицита железа.[4] Однако только в 1932 году важность железа была окончательно установлена ​​убедительным доказательством того, что неорганическое железо необходимо для синтеза гемоглобина. [5] В течение многих лет пищевой интерес к железу был сосредоточен на его роли в образовании гемоглобина и транспорте кислорода. [6] В настоящее время, хотя низкое потребление железа и / или его биодоступность являются причиной большинства анемий в промышленно развитых странах, они составляют лишь около половины анемии в развивающихся странах [7], где инфекционные и воспалительные заболевания (особенно малярия), кровопотеря от паразитарных инфекций. , и дефицит других питательных веществ (витамина А, рибофлавина, фолиевой кислоты и витамина B12) также являются важными причинами.[8]

Биохимия и физиология

В отличие от цинка, железо является распространенным элементом на Земле [2,9] и является биологически важным компонентом каждого живого организма. [10,11] Однако, несмотря на его геологическое изобилие, железо часто является фактором, ограничивающим рост в окружающей среде. [9] Этот кажущийся парадокс связан с тем фактом, что при контакте с кислородом железо образует оксиды, которые очень нерастворимы и, следовательно, не доступны для усвоения организмами [2]. В ответ на это возникли различные клеточные механизмы захвата железа из окружающей среды в биологически полезных формах.Примерами являются сидерофоры, секретируемые микробами для захвата железа в высокоспецифический комплекс [12], или механизмы восстановления железа из нерастворимого трехвалентного железа (Fe ⁺³ ) до растворимой двухвалентной формы (Fe ⁺² ), как в дрожжах. [13] Многие механизмы, обнаруженные у низших организмов, имеют аналогичные аналоги у высших организмов, включая человека. В организме человека железо в основном существует в сложных формах, связанных с белком (гемопротеином), в виде гемовых соединений (гемоглобин или миоглобин), гемовых ферментов или негемовых соединений (ферменты флавин-железо, переносчики и ферритин).[3] Организму требуется железо для синтеза белков, переносящих кислород, в частности гемоглобина и миоглобина, а также для образования гемовых ферментов и других железосодержащих ферментов, участвующих в переносе электронов и окислении-восстановлении. [14,3] Почти Две трети железа в организме содержится в гемоглобине, присутствующем в циркулирующих эритроцитах, 25% содержится в легко мобилизуемых запасах железа, а оставшиеся 15% связаны с миоглобином в мышечной ткани и с различными ферментами, участвующими в окислительном процессе. метаболизм и многие другие функции клеток.[15]

Железо перерабатывается и, таким образом, сохраняется в организме. показана схематическая диаграмма цикла железа в организме. Железо доставляется в ткани с помощью циркулирующего трансферрина, переносчика, который захватывает железо, высвобождаемое в плазму, в основном из кишечных энтероцитов или ретикулоэндотелиальных макрофагов. Связывание нагруженного железом трансферрина с рецептором трансферрина на клеточной поверхности (TfR) 1 приводит к эндоцитозу и поглощению металлического груза. Интернализованное железо транспортируется в митохондрии для синтеза гема или кластеров железо-сера, которые являются неотъемлемой частью нескольких металлопротеинов, а избыток железа накапливается и детоксифицируется в цитозольном ферритине.

Железо связывается и транспортируется в организме через трансферрин и сохраняется в молекулах ферритина. После всасывания железа не существует физиологического механизма выведения избыточного железа из организма, кроме кровопотери, то есть беременности, менструации или другого кровотечения обычно низкий, но может колебаться от 5% до 35% в зависимости от обстоятельств и типа железа. [3]

Поглощение железа происходит энтероцитами переносчиком двухвалентного металла 1, членом группы переносчиков растворенных веществ мембранных транспортных белков.Это происходит преимущественно в двенадцатиперстной кишке и верхних отделах тощей кишки [16]. Затем он переносится через слизистую двенадцатиперстной кишки в кровь, где транспортируется трансферрином к клеткам или костному мозгу для эритропоэза [продуцирования красных кровяных телец (эритроцитов)]. [14,17,18] Существует механизм обратной связи, который усиливается. всасывание железа у людей с дефицитом железа. Напротив, люди с перегрузкой железом снижают абсорбцию железа через гепсидин. В настоящее время общепринято, что абсорбция железа контролируется ферропортином, который позволяет или не позволяет железу из клетки слизистой оболочки попадать в плазму.

Физическое состояние железа, поступающего в двенадцатиперстную кишку, сильно влияет на его всасывание. При физиологическом pH двухвалентное железо (Fe ⁺² ) быстро окисляется до нерастворимой трехвалентной формы (Fe ⁺³ ). Желудочная кислота понижает pH в проксимальном отделе двенадцатиперстной кишки, уменьшая Fe ⁺³ в просвете кишечника за счет редуктазы железа, тем самым обеспечивая последующий транспорт Fe ⁺² через апикальную мембрану энтероцитов. Это увеличивает растворимость и поглощение трехвалентного железа.Когда продукция желудочного сока нарушена (например, ингибиторами кислотного насоса, такими как лекарство, прилосек), абсорбция железа существенно снижается.

Диетический гем также может транспортироваться через апикальную мембрану по еще неизвестному механизму и впоследствии метаболизироваться в энтероцитах гемоксигеназой 1 (HO-1) с высвобождением (Fe ⁺² ) [19]. Этот процесс более эффективен, чем абсорбция неорганического железа, и не зависит от рН двенадцатиперстной кишки. Таким образом, на него не влияют такие ингибиторы, как фитат и полифенолы.Следовательно, красное мясо с высоким содержанием гемоглобина является отличным источником железа. Непосредственно интернализованный Fe ⁺² обрабатывается энтероцитами и в конечном итоге (или нет) экспортируется через базолатеральную мембрану в кровоток через транспортер ферропортин Fe ⁺² . Ферропортин-опосредованный отток Fe ⁺² связан с его повторным окислением с Fe ⁺² , катализируемым мембраносвязанным ферроксидазным гефестином, который физически взаимодействует с ферропортином [20] и, возможно, также его гомологом в плазме церулоплазмином.Экспортируемое железо улавливается трансферрином, который поддерживает Fe ⁺³ в окислительно-восстановительном инертном состоянии и доставляет его в ткани. Общее содержание железа в трансферрине (≈3 мг) соответствует менее 0,1% железа в организме, но оно очень динамично и подвергается более чем 10-кратному ежедневному обороту для поддержания эритропоэза. Пул трансферрина железа пополняется в основном за счет железа, рециркулируемого из неэффективных эритроцитов, и, в меньшей степени, за счет вновь абсорбированного пищевого железа. Стареющие эритроциты очищаются ретикулоэндотелиальными макрофагами, которые метаболизируют гемоглобин и гем и высвобождают железо в кровоток.По аналогии с кишечными энтероцитами, макрофаги экспортируют Fe ⁺² из своей плазматической мембраны через ферропортин в процессе, сопряженном с повторным окислением Fe ⁺² до Fe ⁺³ церулоплазмином с последующей загрузкой Fe ^+3. на трансферрин. [21]

Theil et al ., [21] недавно сообщили, что существует также независимый механизм абсорбции растительных ферритинов, в основном присутствующих в бобовых. Однако актуальность переносчика ферритина неясна, поскольку большая часть ферритина, по-видимому, разлагается во время обработки и переваривания пищи, тем самым высвобождая неорганическое железо из оболочки ферритина для поглощения по нормальному механизму.[22] Поскольку одна молекула ферритина содержит 1000 или более атомов железа и на нее также не должны влиять ингибиторы абсорбции железа, такой механизм может стать важным источником железа в развивающихся странах, где обычно потребляются бобовые.

Регуляция гомеостаза железа

Поскольку железо требуется для ряда разнообразных клеточных функций, для поддержания гомеостаза железа требуется постоянный баланс между поглощением, транспортом, хранением и использованием железа. [11] Поскольку в организме отсутствует определенный механизм активного выведения железа, баланс железа в основном регулируется в точке абсорбции.[23,24]

Гепсидин — это циркулирующий пептидный гормон, секретируемый печенью, который играет центральную роль в регуляции гомеостаза железа. Это главный регулятор системного гомеостаза железа, координирующий использование и хранение железа с приобретением железа. [25] Этот гормон в первую очередь вырабатывается гепатоцитами и является негативным регулятором поступления железа в плазму []. Гепсидин действует путем связывания с ферропортином, переносчиком железа, присутствующим на клетках двенадцатиперстной кишки, макрофагах и клетках плаценты.Связывание гепсидина вызывает интернализацию и деградацию ферропортина. [26] Потеря ферропортина с поверхности клетки предотвращает попадание железа в плазму []. Снижение поступления железа в плазму приводит к низкому насыщению трансферрина и меньшему количеству железа доставляется в развивающийся эритробласт. И наоборот, снижение экспрессии гепсидина приводит к увеличению ферропортина на клеточной поверхности и увеличению абсорбции железа [27] []. У всех видов концентрация железа в биологических жидкостях строго регулируется, чтобы обеспечить необходимое количество железа и избежать токсичности, поскольку избыток железа может привести к образованию активных форм кислорода.[28] Гомеостаз железа у млекопитающих регулируется на уровне кишечной абсорбции, поскольку для железа не существует экскреторного пути.

Гепсидин-опосредованная регуляция гомеостаза железа. (а) Повышенная экспрессия гепсидина печенью является результатом воспалительных стимулов. Высокий уровень гепсидина в кровотоке приводит к интернализации и деградации ферропортина, экспортера железа. Потеря ферропортина на клеточной поверхности приводит к загрузке железа макрофагами, низким уровням железа в плазме и снижению эритропоэза из-за снижения количества железа, связанного с трансферрином.Снижение эритропоэза приводит к анемии хронического заболевания. (b) Нормальные уровни гепсидина в ответ на потребность в железе регулируют уровень импорта железа в плазму, нормальное насыщение трансферрина и нормальные уровни эритропоэза. (c) Гемохроматоз или перегрузка железом возникает из-за недостаточного уровня гепсидина, вызывая повышенный импорт железа в плазму, высокое насыщение трансферрина и избыточное отложение железа в печени. Источник: De Domenico, и др. . [27]

Уровни гепсидина в плазме регулируются различными стимулами, включая цитокины, железо в плазме, анемию и гипоксию.Нарушение регуляции экспрессии гепсидина приводит к нарушениям железа. Избыточная экспрессия гепсидина приводит к анемии хронического заболевания, в то время как низкая продукция гепсидина приводит к наследственному гемохроматозу (HFE) с последующим накоплением железа в жизненно важных органах []. Большинство наследственных заболеваний, связанных с железом, возникают в результате недостаточного производства гепсидина по сравнению со степенью накопления железа в тканях. Было показано, что нарушение экспрессии гепсидина является результатом мутаций в любом из 4 различных генов: TfR2, HFE, гемохроматоз типа 2 (HFE2) и антимикробный пептид гепсидина (HAMP).Мутации в HAMP, гене, кодирующем гепсидин, приводят к болезни, связанной с перегрузкой железом, поскольку отсутствие гепсидина обеспечивает постоянное высокое всасывание железа. Роль других генов (TFR2, HFE и HFE2) в регуляции продукции гепсидина не ясна [27].

Хранение

Концентрация ферритина вместе с концентрацией гемосидерина отражает запасы железа в организме. Они хранят железо в нерастворимой форме и присутствуют в основном в печени, селезенке и костном мозге. [2] Большая часть железа связана с широко распространенным и высококонсервативным железосвязывающим белком ферритином.[18] Гемосидерин представляет собой комплекс хранения железа, который с меньшей готовностью выделяет железо для нужд организма. В условиях устойчивого состояния сывороточные концентрации ферритина хорошо коррелируют с общими запасами железа в организме. [29] Таким образом, сывороточный ферритин является наиболее удобным лабораторным тестом для оценки запасов железа.

Экскреция

Помимо потерь железа из-за менструации, другого кровотечения или беременности, железо очень консервативно и нелегко выводится из организма. [30] Существует некоторая обязательная потеря железа из организма в результате физиологического отшелушивания клеток с эпителиальных поверхностей [30], включая кожу, мочеполовые и желудочно-кишечные тракты.[3] Однако, по оценкам, эти потери очень ограничены (≈1 мг / день). [31] Потери железа из-за кровотечения могут быть значительными, а чрезмерная менструальная кровопотеря является наиболее частой причиной дефицита железа у женщин.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДОСТУПНОСТЬ

Пищевое железо встречается в двух формах: гемовая и негемовая. [23] Основными источниками гемового железа являются гемоглобин и миоглобин из мяса, птицы и рыбы, тогда как негемовое железо получают из злаков, бобовых, бобовых, фруктов и овощей.[32] Гемовое железо обладает высокой биодоступностью (15–35%), и диетические факторы мало влияют на его абсорбцию, тогда как абсорбция негемового железа намного ниже (2–20%) и сильно зависит от присутствия других пищевых компонентов. [23] Напротив, количество негемового железа в рационе во много раз превышает количество гемового железа в большинстве приемов пищи. Таким образом, несмотря на свою более низкую биодоступность, негемовое железо обычно вносит больший вклад в питание железом, чем гемовое железо. [33] Основными ингибиторами абсорбции железа являются фитиновая кислота, полифенолы, кальций и пептиды из частично переваренных белков.[23] Усилители — это аскорбиновая кислота и мышечная ткань, которые могут восстанавливать трехвалентное железо до двухвалентного железа и связывать его в растворимые комплексы, доступные для абсорбции. [23]

Факторы, повышающие абсорбцию железа

На абсорбцию железа влияет ряд диетических факторов. Аскорбат и цитрат частично увеличивают усвоение железа, действуя как слабые хелатирующие агенты, способствующие растворению металла в двенадцатиперстной кишке []. [34] Железо легко переносится из этих соединений в клетки слизистой оболочки. Исследователи продемонстрировали дозозависимый усиливающий эффект нативной или добавленной аскорбиновой кислоты на абсорбцию железа.[34] Усиливающий эффект в значительной степени связан с его способностью восстанавливать трехвалентное железо до двухвалентного железа, но также из-за его способности хелатировать железо. [35] Аскорбиновая кислота преодолеет отрицательное влияние на абсорбцию железа всех ингибиторов, включая фитат, [36] полифенолы, [37], кальций и белки, содержащиеся в молочных продуктах [38], и увеличит абсорбцию как нативного, так и обогащенного железа. Во фруктах и ​​овощах усиливающий эффект аскорбиновой кислоты часто нивелируется ингибирующим действием полифенолов.[39] Аскорбиновая кислота является единственным усилителем всасывания в вегетарианских диетах, а всасывание железа из вегетарианских и веганских блюд можно оптимизировать путем включения овощей, содержащих аскорбиновую кислоту. [40] Варка, промышленная переработка и хранение разлагают аскорбиновую кислоту и устраняют ее усиливающий эффект на усвоение железа. [41]

Таблица 1

Факторы, которые могут влиять на всасывание железа

Было показано усиливающее действие мяса, рыбы или птицы на всасывание железа из вегетарианских блюд [42], и 30 г мышечной ткани считается эквивалентом 25 мг аскорбиновой кислоты. .[33] Бьорн-Расмуссен и Халлберг [43] сообщили, что добавление курицы, говядины или рыбы к кукурузной муке увеличивало всасывание негемового железа в 2-3 раза без влияния того же количества белка, что и яичного альбумина. Как и в случае с аскорбиновой кислотой, было несколько сложнее продемонстрировать усиливающий эффект мяса при многократном приёме пищи и в полных исследованиях диеты. Редди и др. ., [44] сообщили только о незначительном улучшении всасывания железа (35%) в самостоятельно выбранных диетах в течение 5 дней, когда ежедневное потребление мышечной ткани было увеличено до 300 г / день, хотя в аналогичных 5-дневных рационах. В ходе дневного исследования 60 г свинины, добавленные к вегетарианской диете, увеличили всасывание железа на 50%.[45]

Факторы, ингибирующие абсорбцию железа

В растительной диете фитат (мио-инозитол гексакисфосфат) является основным ингибитором абсорбции железа. [23] Было показано, что отрицательное влияние фитата на абсорбцию железа зависит от дозы и начинается с очень низких концентраций 2-10 мг / прием пищи. [37,46] Молярное отношение фитата к железу может быть использовано для оценки влияния на абсорбцию. . Соотношение должно составлять 1: 1 или предпочтительно 0,4: 1 для значительного улучшения всасывания железа в простых злаковых или бобовых блюдах, которые не содержат каких-либо усилителей усвоения железа, или 6: 1 в комбинированных блюдах с некоторыми овощами, содержащими аскорбин. кислота и мясо как усилители.[47]

Полифенолы содержатся в различных количествах в растительной пище и напитках, таких как овощи, фрукты, некоторые злаки и бобовые, чай, кофе и вино. Ингибирующее действие полифенолов на абсорбцию железа было показано с черным чаем и, в меньшей степени, с травяными чаями. [48,49] В зерновых и бобовых культурах полифенолы усиливают ингибирующий эффект фитата, как было показано в исследовании, сравнивающем сорго с высоким и низким содержанием полифенолов. [23]

Было показано, что кальций отрицательно влияет на абсорбцию негемового и гемового железа, что отличает его от других ингибиторов, влияющих только на абсорбцию негемового железа.[50] Дозозависимые ингибирующие эффекты были показаны при дозах 75-300 мг, когда кальций добавлялся в булочки, и при дозах 165 мг кальция из молочных продуктов. [51] Предполагается, что исследования однократного приема пищи показывают отрицательное влияние кальция на абсорбцию железа, тогда как исследования многократного приема пищи с большим разнообразием продуктов и различными концентрациями других ингибиторов и усилителей показывают, что кальций лишь ограниченно влияет на абсорбцию железа. [52]

Было показано, что животные белки, такие как молочные белки, яичные белки и альбумин, ингибируют абсорбцию железа.[53] Было показано, что две основные белковые фракции коровьего молока, казеин и сыворотка, а также яичный белок ингибируют абсорбцию железа у человека. [54] Белки сои также снижают всасывание железа. [55]

Конкуренция с железом

Исследования конкуренции показывают, что несколько других тяжелых металлов могут участвовать в пути всасывания железа в кишечнике. К ним относятся свинец, марганец, кобальт и цинк. Поскольку дефицит железа часто сочетается с интоксикацией свинцом, это взаимодействие может вызвать особенно серьезные медицинские осложнения у детей.[56]

Свинец является особенно опасным элементом для метаболизма железа. [57] Свинец поглощается механизмом поглощения железа (DTM1) и вторично блокирует железо за счет конкурентного торможения. Кроме того, свинец препятствует ряду важных железозависимых метаболических этапов, таких как биосинтез гема. Это многогранное влияние имеет особенно тяжелые последствия для детей, поскольку свинец не только вызывает анемию, но и может ухудшить когнитивное развитие. Свинец в естественных условиях присутствует в больших количествах в грунтовых водах и почве в некоторых регионах и может тайно нанести вред здоровью детей.По этой причине большинство педиатров в США обычно проверяют содержание свинца в раннем возрасте с помощью простого анализа крови.

ТРЕБОВАНИЯ К ЧЕЛОВЕКУ

В раннем детстве потребности в железе удовлетворяются за счет небольшого количества железа, содержащегося в грудном молоке. [58] Потребность в железе заметно возрастает через 4-6 месяцев после рождения и составляет около 0,7-0,9 мг / день в течение оставшейся части первого года [58]. В возрасте от 1 до 6 лет содержание железа в организме снова увеличивается вдвое. [58] Потребность в железе также очень высока у подростков, особенно в период скачка роста.У девочек обычно происходит скачок роста до менархе, но к этому времени рост не заканчивается. У мальчиков наблюдается заметное увеличение массы и концентрации гемоглобина в период полового созревания. На этой стадии потребности в железе повышаются до уровня, превышающего средние потребности в железе у менструирующих женщин [58] [см.].

Таблица 2

Потребность в железе 97,5% людей с точки зрения абсорбированного железа ^a , по возрастным группам и полу (Всемирная организация здравоохранения, 1989 г.) ее тело.Точный баланс между потреблением и потерей пищи поддерживает этот баланс. Около 1 мг железа теряется каждый день из-за отшелушивания клеток кожи и слизистых оболочек, включая слизистую оболочку желудочно-кишечного тракта. [59] Менструация увеличивает среднесуточную потерю железа примерно до 2 мг в день у взрослых женщин в пременопаузе. [60] Увеличение массы тела во время скачков роста в неонатальном и детском возрасте временно увеличивает потребность в железе. [61]

Потребление железа с пищей необходимо для восполнения потери железа с калом и мочой, а также через кожу.Эти базальные потери составляют примерно 0,9 мг железа для взрослого мужчины и 0,8 мг для взрослой женщины. [62] У женщин репродуктивного возраста необходимо учитывать потерю железа с менструальной кровью [].

ГРУППЫ ПОВЫШЕННОГО РИСКА

Наибольшая вероятность дефицита железа обнаруживается в тех частях населения, которые не имеют надлежащего доступа к пище, богатой усвояемым железом, во время стадий высокой потребности в железе. Эти группы соответствуют детям, подросткам и женщинам репродуктивного возраста, особенно во время беременности.[63,58]

У младенцев и подростков повышенная потребность в железе является результатом быстрого роста. Для женщин репродуктивного возраста основная причина — чрезмерная кровопотеря во время менструации. Во время беременности потребность в железе значительно возрастает из-за быстрого роста плаценты и плода, а также увеличения глобулярной массы. [63] Напротив, взрослые мужчины и женщины в постменопаузе имеют низкий риск дефицита железа, и количество железа в нормальном рационе обычно достаточно для удовлетворения их физиологических потребностей.[63]

ПОСЛЕДСТВИЯ И ПРИЧИНЫ ДЕФИЦИТА ЖЕЛЕЗА

Последствия дефицита железа

Дефицит железа определяется как состояние, при котором отсутствуют мобилизуемые запасы железа и при котором появляются признаки нарушения поступления железа в ткани, включая эритрон. , отмечены. [64] Дефицит железа может сопровождаться анемией или без нее. Некоторые функциональные изменения могут произойти в отсутствие анемии, но наиболее функциональные нарушения, по-видимому, возникают при развитии анемии. [2] Даже легкие и средние формы железодефицитной анемии могут быть связаны с функциональными нарушениями, влияющими на когнитивное развитие [65], механизмы иммунитета [66] и работоспособность.[67] Дефицит железа во время беременности связан с множеством неблагоприятных исходов как для матери, так и для ребенка, включая повышенный риск сепсиса, материнской смертности, перинатальной смертности и низкой массы тела при рождении. [68] Дефицит железа и анемия также снижают способность к обучению и связаны с повышенным уровнем заболеваемости. [68]

Причины дефицита железа

Дефицит железа возникает в результате истощения запасов железа и возникает, когда абсорбция железа не может идти в ногу с метаболическими потребностями в железе для поддержания роста и восполнения потери железа, что в первую очередь связано с кровопотерей .[2] Основные причины дефицита железа включают низкое потребление биодоступного железа, повышенную потребность в железе в результате быстрого роста, беременности, менструации и избыточную кровопотерю, вызванную патологическими инфекциями, такими как анкилостомы и власоглавы, вызывающие потерю крови из желудочно-кишечного тракта [2] 69,70,71,72] и нарушение всасывания железа. [73] Частота дефицита железа увеличивается у девочек-подростков, потому что менструальные потери железа накладываются на потребность в быстром росте [74]. Другими факторами риска дефицита железа у молодых женщин являются высокий паритет, использование внутриматочной спирали и вегетарианская диета.[75]

Дефицит железа в питании возникает, когда физиологические потребности не могут быть удовлетворены за счет абсорбции железа из рациона. [72] Биодоступность пищевого железа низка в группах населения, потребляющих однообразные растительные диеты с небольшим количеством мяса. [72] Во многих развивающихся странах растительные продукты для отлучения от груди редко обогащаются железом, а частота анемии превышает 50% у детей младше 4 лет. [64]

Когда запасы железа истощаются и железа недостаточно для эритропоэза, синтез гемоглобина в предшественниках эритроцитов нарушается и появляются гематологические признаки железодефицитной анемии.

ОЦЕНКА СТАТУСА ЖЕЛЕЗА

Дефицит железа и, в конечном итоге, анемия развиваются поэтапно и могут быть оценены путем измерения различных биохимических показателей. Хотя некоторые ферменты железа чувствительны к дефициту железа [63], их активность не использовалась в качестве успешного рутинного измерения статуса железа [2].

Лабораторные измерения необходимы для правильной диагностики дефицита железа. Они наиболее информативны, когда несколько показателей уровня железа исследуются и оцениваются в контексте питания и истории болезни.

Пул железа в плазме или сыворотке — это фракция всего железа в организме, которая циркулирует в основном связанном с трансферрином. Три способа оценки уровня железа в плазме или сыворотке включают: 1) измерение общего содержания железа в единице объема в мкг / дл; 2) измерение общего количества сайтов связывания для атомов железа на трансферрине, известного как общая железосвязывающая способность в мкг / дл ² ; и 3) оценка процента двух сайтов связывания на всех занятых молекулах трансферрина, называемого процентным насыщением трансферрина.[76] Однако заметные биологические вариации этих значений могут возникать в результате суточных колебаний, наличия инфекции или воспалительных состояний и недавнего потребления железа с пищей. [76]

Протопорфирин цинка отражает нехватку железа на последних стадиях синтеза гемоглобина, так что цинк вставляется в молекулу протопорфирина вместо железа. Протопорфирин цинка может быть обнаружен в эритроцитах с помощью флуориметрии и является мерой тяжести дефицита железа. [76]

Сывороточный ферритин является хорошим индикатором запасов железа в организме в большинстве случаев.Когда концентрация сывороточного ферритина ≥15 мкг / л, присутствуют запасы железа; более высокие концентрации отражают размер склада железа; при низкой концентрации (<12 мкг / л для детей младше 5 лет и <15 мкг / л для детей старше 5 лет) запасы железа истощаются. [76] Однако ферритин является белком-реагентом острой фазы, и его сывороточные концентрации могут быть повышены независимо от изменения запасов железа, инфекции или воспаления. [76,2] Это означает, что может быть трудно интерпретировать концентрацию ферритина там, где инфекция болезни распространены.

Еще одним индикатором статуса железа является концентрация TfR в сыворотке крови. Поскольку TfR в основном происходит из развивающихся эритроцитов, он отражает интенсивность эритропоэза и потребность в железе. Когда запасы железа истощаются, концентрация повышается при железодефицитной анемии, что указывает на серьезную недостаточность железа. Это при условии, что нет других причин аномального эритропоэза. [76] Клинические исследования показывают, что сывороточный TfR менее подвержен воспалению, чем сывороточный ферритин. [77] Основным преимуществом TfR как индикатора является возможность оценки величины функционального дефицита железа после истощения запасов железа.[78]

Отношение TfR к ферритину (TfR / ферритин) было разработано для оценки изменений как в накопленном, так и в функциональном железе и считается более полезным, чем TfR или ферритин отдельно. [79] TfR / ферритин использовался для оценки запасов железа в организме как у детей, так и у взрослых. [80] Однако высокая стоимость и отсутствие стандартизации анализа TfR до сих пор ограничивали применимость метода [81].

Низкая концентрация гемоглобина является показателем анемии, конечной стадии дефицита железа.[76,2]

АНЕМИЯ И ЕЕ ПРИЧИНЫ

Анемия описывает состояние, при котором количество эритроцитов в крови низкое или в клетках крови содержится меньше нормального гемоглобина. Человека, страдающего анемией, называют анемичным. Цель эритроцитов — доставлять кислород из легких в другие части тела. Молекула гемоглобина является функциональной единицей эритроцитов и представляет собой сложную белковую структуру, которая находится внутри эритроцитов. Несмотря на то, что эритроциты производятся в костном мозге, в их производство вовлечены многие другие факторы.Например, железо — очень важный компонент молекулы гемоглобина; эритропоэтин, молекула, секретируемая почками, способствует образованию эритроцитов в костном мозге.

Наличие правильного количества эритроцитов и профилактика анемии требует взаимодействия между почками, костным мозгом и питательными веществами в организме. Если почки или костный мозг не функционируют, или организм плохо питается, то нормальное количество и функции эритроцитов может быть трудно поддерживать.

Анемия на самом деле является признаком болезненного процесса, а не самой болезни.Обычно его классифицируют как хронический или острый. Хроническая анемия возникает в течение длительного периода времени. Острая анемия возникает быстро. Определение того, присутствует ли анемия в течение длительного времени или это что-то новое, помогает врачам найти причину. Это также помогает предсказать, насколько серьезными могут быть симптомы анемии. При хронической анемии симптомы обычно начинаются медленно и постепенно прогрессируют; тогда как при острой анемии симптомы могут быть резкими и более тревожными.

Эритроциты живут около 100 дней, поэтому организм постоянно пытается их заменить.У взрослых производство эритроцитов происходит в костном мозге. Врачи пытаются определить, вызвано ли низкое количество эритроцитов повышенной кровопотерей эритроцитов или их снижением в костном мозге. Знание того, изменилось ли количество лейкоцитов и / или тромбоцитов, также помогает определить причину анемии.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), два миллиарда человек во всем мире страдают анемией и примерно 50% всех анемий объясняются дефицитом железа. [64] Это происходит на всех этапах жизненного цикла, но чаще встречается у беременных женщин и маленьких детей.[82] Анемия является результатом множества причин, которые можно изолировать, но чаще всего они сосуществуют. Некоторые из этих причин включают следующие:

Железодефицитная анемия

Наиболее важной и частой причиной анемии является дефицит железа. [82] Если потребление железа ограничено или неадекватно из-за плохого питания, в результате может возникнуть анемия. Это называется железодефицитной анемией. Железодефицитная анемия также может возникать при наличии язвы желудка или других источников медленного хронического кровотечения (рак толстой кишки, рак матки, полипы кишечника, геморрой и т. Д.).[83]

Анемия хронического заболевания

Любое длительное заболевание может привести к анемии. Этот тип анемии является вторым по распространенности после анемии, вызванной дефицитом железа, и развивается у пациентов с острым или хроническим системным заболеванием или воспалением. [84] Это состояние было названо «анемией воспаления» из-за повышенного содержания гепсидина, который блокирует как рециркуляцию железа из макрофагов, так и абсорбцию железа. [85]

Анемия из-за активного кровотечения

Потеря крови из-за обильного менструального кровотечения или ран может вызвать анемию.[82] Язвы желудочно-кишечного тракта или раковые заболевания, такие как рак толстой кишки, могут медленно терять кровь и также могут вызывать анемию. [86,87]

Анемия, связанная с заболеванием почек

Почки выделяют гормон эритропоэтин, который помогает костному мозгу сделать эритроциты. У людей с хроническим (длительным) заболеванием почек выработка этого гормона снижена, а это, в свою очередь, снижает выработку эритроцитов, вызывая анемию. [88] Хотя дефицит эритропоэтина является основной причиной анемии при хронической почечной недостаточности, это не единственная причина.Следовательно, необходимо минимальное обследование, чтобы исключить дефицит железа и другие аномалии клеточной линии. [89]

Анемия, связанная с беременностью

Увеличение объема плазмы во время беременности приводит к разбавлению эритроцитов и может проявляться как анемия. [90] Железодефицитная анемия составляет 75% всех анемий во время беременности. [90]

Анемия, связанная с плохим питанием

Витамины и минералы необходимы для образования эритроцитов. Помимо железа, для правильного производства гемоглобина необходимы витамин B12, виамин A, фолиевая кислота, рибофлавин и медь.[82] Дефицит любого из этих питательных микроэлементов может вызвать анемию из-за недостаточного производства эритроцитов. Плохое питание — важная причина низкого уровня витаминов и, как следствие, анемии.

Ожирение и анемия

Ожирение характеризуется хроническим слабым системным воспалением, повышенным уровнем гепсидина, которое, в свою очередь, связано с анемией хронического заболевания. Ausk и Ioannou [91] предположили, что ожирение может быть связано с особенностями анемии хронического заболевания, включая низкую концентрацию гемоглобина, низкое содержание железа и трансферрина в сыворотке, а также повышенный уровень ферритина в сыворотке.Избыточный вес и ожирение были связаны с изменениями сывороточного железа, насыщения трансферрина и ферритина, которые, как ожидается, произойдут в условиях хронического системного воспаления. Воспаление, связанное с ожирением, может повышать концентрацию гепсидина и снижать доступность железа. Aeberli и др. ., [92] сравнили уровень железа, потребление железа с пищей и его биодоступность, а также циркулирующие уровни гепсидина, лептина и интерлейкина-6 (ИЛ-6) у детей с избыточной массой тела и детей с нормальным весом.Они указали, что существует пониженная доступность железа для эритропоэза у детей с избыточным весом и что это, вероятно, связано с опосредованным гепсидином сниженным всасыванием железа и / или повышенным секвестрацией железа, а не с низким содержанием железа с пищей.

Алкоголизм

Алкоголь оказывает многочисленные неблагоприятные эффекты на различные типы клеток крови и их функции. [93] У алкоголиков часто есть дефектные эритроциты, которые преждевременно разрушаются. [93,94] Сам по себе алкоголь также может быть токсичным для костного мозга и может замедлять производство эритроцитов.[93,94] Кроме того, плохое питание и дефицит витаминов и минералов связаны с алкоголизмом. [95] Сочетание этих факторов может привести к анемии у алкоголиков.

Серповидно-клеточная анемия

Серповидно-клеточная анемия — одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний. [96] Это заболевание, связанное с кровью, которое влияет на молекулу гемоглобина и приводит к изменению формы всей клетки крови в стрессовых условиях [97]. В таком состоянии проблема с гемоглобином бывает качественной или функциональной.Аномальные молекулы гемоглобина могут вызвать проблемы в целостности структуры эритроцитов, и они могут стать серповидными (серповидные клетки). [97] Существуют разные типы серповидно-клеточной анемии разной степени тяжести. Это особенно распространено у африканцев, ближневосточных и средиземноморских предков. [97]

Талассемия

Это еще одна группа причин анемии, связанных с гемоглобином, которая связана с отсутствием или ошибками в генах, ответственных за выработку гемоглобина. [97] Молекула гемоглобина имеет субъединицы, обычно называемые альфа- и бета-цепями глобина.Отсутствие определенной субъединицы определяет тип альфа- или бета-талассемии. [97,98] Существует много типов талассемии, которые различаются по степени тяжести от легкой (малая талассемия) до тяжелой (большая талассемия). [98] Они также являются наследственными, но вызывают количественные аномалии гемоглобина, то есть вырабатывается недостаточное количество молекул правильного типа. Альфа- и бета-талассемии являются наиболее распространенными наследственными моногенными заболеваниями в мире с наибольшей распространенностью в регионах, где малярия была или все еще является эндемической.[97]

Апластическая анемия

Апластическая анемия — это заболевание, при котором разрушается костный мозг и снижается выработка клеток крови. [99] Это вызывает дефицит всех трех типов клеток крови (панцитопения), включая эритроциты (анемия), лейкоциты (лейкопения) и тромбоциты (тромбоцитопения). [100,101] Многие распространенные лекарства могут иногда вызывать этот тип анемии в качестве побочного эффекта. у некоторых людей. [99]

Гемолитическая анемия

Гемолитическая анемия — это тип анемии, при которой происходит разрыв эритроцитов, известный как гемолиз, который разрушается быстрее, чем костный мозг может их заменить.[102] Гемолитическая анемия может возникнуть по разным причинам и часто классифицируется как приобретенная или наследственная. Распространенными приобретенными причинами гемолитической анемии являются аутоиммунитет, микроангиопатия и инфекции. Нарушения ферментов эритроцитов, мембран и гемоглобина вызывают наследственную гемолитическую анемию. [102]

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ НЕДОСТАТОЧНОСТИ ЖЕЛЕЗА (СТРАТЕГИИ ВМЕШАТЕЛЬСТВА)

Четыре основных стратегии коррекции эффективности микронутриентов в популяциях могут использоваться для коррекции дефицита железа, как по отдельности, так и в комбинации.Это обучение в сочетании с модификацией диеты для улучшения потребления железа и его биодоступности; добавление железа (обеспечение железом, обычно в более высоких дозах, без еды), обогащение пищевых продуктов железом и новый подход к биофортификации. Однако есть некоторые трудности в применении некоторых из этих стратегий при рассмотрении железа.

Диверсификация продуктов питания

Модификации рациона питания для сокращения потребления Индийской стоматологической ассоциации включают увеличение потребления продуктов, богатых железом, особенно мясных продуктов, увеличение потребления фруктов и овощей, богатых аскорбиновой кислотой, для увеличения абсорбции негемового железа и снижение потребления чая и кофе, которые подавляют всасывание негемового железа.[103,58] Другая стратегия — снизить содержание антинутриентов, чтобы сделать железо, поступающее из их пищевых источников, более доступным. Биодоступность железа может быть увеличена такими методами, как проращивание и ферментация, которые способствуют ферментативному гидролизу фитиновой кислоты в цельнозерновых зерновых и бобовых культурах за счет повышения активности эндогенных или экзогенных ферментов фитазы. [104] Даже использование неферментативных методов, таких как термическая обработка, замачивание и измельчение, для снижения содержания фитиновой кислоты в основных продуктах растительного происхождения позволило улучшить биодоступность железа (и цинка).[105,106]

Добавка

Для перорального приема добавок железа предпочтительны соли двухвалентного железа (сульфат двухвалентного железа и глюконат двухвалентного железа) из-за их низкой стоимости и высокой биодоступности. [72] Хотя абсорбция железа выше при приеме добавок железа натощак, тошнота и боль в эпигастрии могут развиться из-за введенных более высоких доз железа (обычно 60 мг Fe / день). Если возникают такие побочные эффекты, следует попытаться снизить дозу между приемами пищи или давать железо во время еды, хотя пища снижает всасывание лекарственного железа примерно на две трети.[107] Добавки железа во время беременности рекомендуется в развивающихся странах, где женщины часто вступают в беременность с низкими запасами железа. [108] Хотя обычно считалось, что польза от приема добавок железа перевешивает предполагаемый риск, есть некоторые свидетельства того, что добавление в дозах, рекомендованных для здоровых детей, несет в себе риск увеличения тяжести инфекционного заболевания на фоне малярии. [109,110]

Обогащение

Обогащение пищевых продуктов железом сложнее, чем обогащение такими питательными веществами, как цинк в муке, йод в соли и витамин А в кулинарном масле.[72] Наиболее биодоступные соединения железа растворимы в воде или разбавленной кислоте, но часто вступают в реакцию с другими пищевыми компонентами, вызывая неприятный запах, изменение цвета или окисление жиров. [103] Таким образом, менее растворимые формы железа, хотя и хуже усваиваются, часто выбираются для обогащения, чтобы избежать нежелательных сенсорных изменений. [72] Обогащение обычно производится с гораздо более низкими дозами железа, чем с добавками. Это ближе к физиологической среде и может быть самым безопасным вмешательством в малярийных областях. [111] Нет никаких опасений по поводу безопасности добавок железа или обогащения железа в немалярийных эндемичных районах.[112]

Соединения железа, рекомендованные [7] для обогащения пищевых продуктов, включают сульфат железа, фумарат железа, пирофосфат железа и порошок электролитического железа. Пшеничная мука является наиболее распространенным пищевым продуктом, обогащенным железом, и обычно она обогащается порошками элементарного железа, которые не рекомендуются ВОЗ. [7,113] Харрелл и Эгли [23] сообщили, что из 78 национальных программ по пшеничной муке только восемь улучшатся. статус железа. В этих программах использовались рекомендуемые соединения железа на рекомендованных уровнях.Другие страны использовали не рекомендуемые соединения или более низкие уровни железа по сравнению с потреблением муки. Коммерческое детское питание, такое как смеси и злаки, также обычно обогащено железом.

Биообогащение

Содержание железа колеблется от 25 до 56 мг / кг в различных сортах пшеницы и 7-23 мг / кг в зернах риса. Однако большая часть этого железа удаляется в процессе измельчения. Поглощение железа зерновыми и бобовыми культурами, многие из которых имеют высокое содержание самородного железа, обычно низкое из-за высокого содержания в них фитата, а иногда и полифенолов.[48] ​​Стратегии биофортификации включают селекцию растений и генную инженерию. Уровни железа в обычных бобах и просе были успешно увеличены путем селекции растений, но использование других основных продуктов питания является более трудным или невозможным (рис) из-за недостаточной естественной генетической изменчивости. Lucca и др. ., [114] увеличили содержание железа в эндосперме риса, чтобы улучшить его всасывание в кишечнике человека с помощью генной инженерии. Они ввели ген ферритина из Phaseolus vulgaris в рисовые зерна, увеличив содержание железа в них вдвое.Для увеличения биодоступности железа они ввели в эндосперм риса термотолерантную фитазу из Aspergillus fumigatus . Они указали, что этот рис с более высоким содержанием железа и богатым фитазой имеет большой потенциал для существенного улучшения питания железом в тех популяциях, где дефицит железа так широко распространен. [114] К сожалению, фитаза не устояла перед приготовлением. Важность различных минералов, таких как цинк [115] и железо, требует большего внимания на индивидуальном уровне и уровне общественного здравоохранения.

Сноски

Источник поддержки: Нет

Конфликт интересов: Не объявлен.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Роль железа в метаболизме энергии у животных

Железо необходимо для широкого спектра метаболических процессов в живых организмах из-за своего химического переходного свойства: оно имеет состояния как двухвалентного (Fe2 +), так и трехвалентного (Fe3 +), которые могут отдавать и принимать электроны соответственно.Железо присутствует в различных формах гема и железо-серы (Fe-S) …

Железо необходимо для широкого спектра метаболических процессов в живых организмах из-за своего химического переходного свойства: оно имеет состояния как двухвалентного (Fe2 +), так и трехвалентного (Fe3 +), которые могут отдавать и принимать электроны соответственно. Железо присутствует в различных формах гема и кластерного белка, связывающего железо-серу (Fe-S), который играет важную роль в различных ферментативных реакциях, таких как аэробное дыхание, функция цикла TCA и синтез ДНК, а также транспорт кислорода и место хранения.

2,7 миллиарда лет назад появление фотосинтезирующих организмов сделало возможным последующую эволюцию систем, которые используют глюкозу и производят АТФ путем окислительного фосфорилирования с использованием ранее существовавшего гликолитического пути. Следовательно, эту эволюцию следует рассматривать как поворотное событие. Однако нарушение транспорта электронов приводит к образованию активных форм кислорода (АФК), поэтому живые организмы разработали антиоксидантные механизмы против АФК с помощью эффективных поглотителей, таких как витамины С и Е, или ферментативной реакции каталазы, супероксиддисмутазы, глутатионпероксидазы и т. Д.Хотя железо жестко контролируется, избыток свободного железа (Fe2 +) ухудшает окислительный стресс, производя наиболее токсичный гидроксильный радикал по реакции Фентона.

В этой теме исследования мы ищем статьи, в которых рассматриваются следующие аспекты роли железа в энергетическом метаболизме животных:
• клеточный и митохондриальный метаболизм железа
• окислительный стресс
• наследственные нарушения метаболизма железа
• перекрестный диалог между железом метаболизм и метаболические заболевания, такие как диабет и липидоз

Ключевые слова : электронная транспортная система, железо, митохондрии, окислительный стресс, окислительное фосфорилирование

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись за пределами области охвата в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Гемоглобин и функции железа | Обучение пациентов

Железо — важный элемент для производства крови. Около 70 процентов железа в вашем организме содержится в красных кровяных тельцах вашей крови, называемых гемоглобином, и в мышечных клетках, называемых миоглобином. Гемоглобин необходим для переноса кислорода в крови от легких к тканям.Миоглобин в мышечных клетках принимает, хранит, транспортирует и выделяет кислород.

Около 6 процентов железа в организме является компонентом определенных белков, необходимых для дыхания и энергетического обмена, а также как компонент ферментов, участвующих в синтезе коллагена и некоторых нейротрансмиттеров. Железо также необходимо для правильной работы иммунной системы.

Около 25 процентов железа в организме хранится в виде ферритина, содержится в клетках и циркулирует в крови. Средний взрослый мужчина имеет около 1000 мг запасенного железа (достаточно примерно на три года), тогда как женщины в среднем имеют только около 300 мг (достаточно примерно на шесть месяцев).Когда потребление железа хронически низкое, запасы железа могут истощаться, что снижает уровень гемоглобина.

Когда запасы железа истощены, это состояние называется истощением запасов железа. Дальнейшее снижение может быть названо железодефицитным эритропоэзом, и дальнейшее снижение вызывает железодефицитную анемию.

Кровопотеря — наиболее частая причина дефицита железа. У мужчин и женщин в постменопаузе дефицит железа почти всегда является результатом желудочно-кишечной кровопотери. У менструирующих женщин потеря крови из мочеполовой системы часто является причиной повышенной потребности в железе.Оральные контрацептивы, как правило, уменьшают менструальную кровопотерю, в то время как внутриматочные средства имеют тенденцию увеличивать менструальное кровотечение. Другие причины мочеполовых кровотечений и кровотечений из дыхательных путей также увеличивают потребность в железе.

Для доноров крови каждая сдача крови приводит к потере от 200 до 250 мг железа. В периоды роста в младенчестве, детстве и подростковом возрасте потребности в железе могут превышать поступление железа из рациона и запасов. Потеря железа из-за роста тканей во время беременности и из-за кровотечений во время родов и в послеродовом периоде составляет в среднем 740 мг.Грудное вскармливание увеличивает потребность в железе примерно на 0,5–1 мг в день.

Требования к железу

Ваш «уровень железа» проверяется перед каждой сдачей крови, чтобы определить, безопасно ли для вас сдавать кровь. Железо не вырабатывается в организме и должно усваиваться из того, что вы едите. Минимальная суточная потребность взрослого человека в железе составляет 1,8 мг. Только от 10 до 30 процентов потребляемого вами железа усваивается и используется организмом.

Суточная потребность в железе может быть достигнута путем приема добавок железа.Сульфат железа 325 мг перорально один раз в день и с пищей с высоким содержанием железа. Также рекомендуются продукты с высоким содержанием витамина С, потому что витамин С помогает организму усваивать железо. Приготовление пищи в чугунных кастрюлях может добавить к пище до 80 процентов больше железа. Перед приемом добавок железа проконсультируйтесь с вашим лечащим врачом.

Некоторые продукты, богатые железом, включают:

Мясо и птица

• Постная говядина
• Телятина
• Свинина
• Баранина
• Курица
• Турция
• Печень (кроме печени рыбы)

Морепродукты

Овощи

• Зелень всякая
• Тофу
• Брокколи
• Душистый горошек
• Брюссельская капуста
• Кале
• Ростки фасоли
• Помидоры
• Лимская фасоль
• Картофель
• Зеленая фасоль
• Кукуруза
• Свекла
• Капуста

Железо — Физиопедия

Железо является важным элементом почти для всех живых организмов, поскольку оно участвует в широком спектре метаболических процессов, включая транспорт кислорода, синтез дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и транспорт электронов.Однако, поскольку железо может образовывать свободные радикалы, его концентрацию в тканях организма необходимо строго регулировать, поскольку в чрезмерных количествах оно может привести к повреждению тканей.

Железо отвечает за производство гемоглобина, белка, который позволяет эритроцитам (изображение на R эритроцит) переносить кислород в каждую часть вашего тела. Это также компонент миоглобина, который похож на гемоглобин, но содержится в мышечных клетках. Низкий уровень железа в организме снижает выработку красных кровяных телец, что сказывается на здоровье.

Нарушения обмена железа являются одними из наиболее распространенных заболеваний человека и включают широкий спектр заболеваний с различными клиническими проявлениями, включая:

Железо — важный элемент для производства крови.

• В живом организме железо в свободном доступе нет. Основная часть металла заключена в ферритине, гемосидерине, миоглобине и в гемоглобине красных кровяных телец. Связывающие железо белки, трансферрин и лактоферрин, которые содержат лишь незначительную долю железа в организме, обычно только частично насыщены Fe и имеют исключительно высокую константу ассоциации, составляющую около 10 ³⁶ для металла. ^[3]
• Около 70 процентов железа в вашем организме содержится в красных кровяных тельцах, гемоглобине и в мышечных клетках, называемых миоглобином. Гемоглобин необходим для переноса кислорода в крови от легких к тканям. Миоглобин в мышечных клетках принимает, хранит, транспортирует и выделяет кислород.
• Около 6 процентов железа в организме является компонентом определенных белков, необходимых для дыхания и энергетического обмена, а также как компонент ферментов, участвующих в синтезе коллагена и некоторых нейротрансмиттеров.Железо также необходимо для правильной работы иммунной системы.
• Около 25 процентов железа в организме хранится в виде ферритина, содержится в клетках и циркулирует в крови. Средний взрослый мужчина имеет около 1000 мг запасенного железа (достаточно примерно на три года), тогда как женщины в среднем имеют только около 300 мг (достаточно примерно на шесть месяцев). Когда потребление железа хронически низкое, запасы железа могут истощаться, что снижает уровень гемоглобина.

Когда запасы железа истощены, это состояние называется истощением железа.Дальнейшее снижение может быть названо железодефицитным эритропоэзом, и дальнейшее снижение вызывает железодефицитную анемию. ^[4]

Железо — это питательное вещество, которое помогает крови перемещать кислород от легких к остальным частям тела, а также помогает мышцам накапливать и использовать кислород.

Низкий уровень железа может повлиять на:

• Уровни энергии
• Концентрация
• Память
• Успеваемость на работе / в школе
• Когнитивное развитие
• Потенциал обучения и заработка ^[5]

По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), два миллиарда человек во всем мире страдают анемией, и примерно 50% всех анемий объясняется дефицитом железа.Это происходит на всех этапах жизненного цикла, но чаще встречается у беременных женщин и маленьких детей. Анемия является результатом множества причин, которые можно изолировать, но чаще всего они сосуществуют.

Неорганическое железо необходимо для синтеза гемоглобина и транспорта кислорода. Низкое потребление железа и / или его биодоступность являются причиной

• Большинство анемий в промышленно развитых странах;
• В развивающихся странах на их долю приходится лишь около половины случаев анемии; инфекционные и воспалительные заболевания (особенно малярия), кровопотеря от паразитарных инфекций и дефицит других питательных веществ (витамина A, рибофлавина, фолиевой кислоты и витамина B12) составляют остальные 50% анемий ^[2] .

Пищевое железо встречается в двух формах: гемовой и негемовой.

1. Основными источниками гемового железа являются гемоглобин и миоглобин из мяса, птицы и рыбы. Гемовое железо обладает высокой биодоступностью (15-35%), и диетические факторы мало влияют на его абсорбцию, тогда как абсорбция негемового железа намного ниже (2-20%) и сильно зависит от присутствия других пищевых компонентов.
2. Негемовое железо получают из зерновых, бобовых, бобовых, фруктов и овощей.Количество негемового железа в рационе во много раз превышает количество гемового железа в большинстве приемов пищи, поэтому, несмотря на его более низкую биодоступность, негемовое железо обычно вносит больший вклад в питание железом, чем гемовое железо.

Биодоступность

• Основными ингибиторами абсорбции железа являются фитиновая кислота (природный антиоксидант, который в основном содержится в зернах, орехах и семенах) ^[6] , полифенолы, кальций и пептиды из частично переваренных белков.
• Усилители — мышечная ткань и аскорбиновая кислота. ^[2] то есть витамин С.Для увеличения усвоения железа есть следующие варианты: поливать пищу лимонным соком; салаты, содержащие источники с высоким содержанием витамина С, такие как красный перец или помидоры; киви, клубника, папайя или стакан свежевыжатого апельсинового сока; смешивание молодого шпината в салатах — зеленые листовые овощи содержат железо и витамин С.

Обратите внимание на то, что абсорбция негемного железа значительно варьируется и, как было показано, выше у людей, которые имеют повышенную потребность в железе. Это говорит о том, что организм адаптируется к низкому уровню железа, увеличивая его абсорбцию ^[7] .

Исследования конкуренции показывают, что некоторые другие тяжелые металлы могут участвовать в пути всасывания железа в кишечнике. например, свинец, марганец, кобальт и цинк. Поскольку дефицит железа часто сочетается с интоксикацией свинцом, это взаимодействие может вызывать особенно серьезные медицинские осложнения у детей ^[2] .

Некоторые продукты, богатые железом, включают:

• Печень и другие субпродукты
• Моллюски — такие как устрицы, моллюски, мидии
• Стейк и другое красное мясо
• Цыпленок, индейка, утка и другая домашняя птица
• Тофу
• Темные листовые овощи (шпинат, капуста)
• Бобовые, такие как нут, чечевица, соя, фасоль
• Орехи и семена, особенно тыквенные
• Киноа ^[5]

Диетические потребности в железе зависят от возраста и пола.Рекомендуемая суточная доза (средняя дневная доза, достаточная для удовлетворения потребностей большинства людей) для мужчин варьируется от восьми до 11 миллиграммов в день для детей в возрасте от 1 до 18 лет и восьми миллиграммов для всех остальных возрастов.

У женщин более высокие требования. Для детей от 14 до 50 лет рекомендуемая суточная доза составляет от 15 миллиграммов (от 14 до 18 лет) до 18 миллиграммов в день. Потребности выше во время беременности, увеличиваясь до 27 миллиграммов в день. Однако во время лактации их немного меньше, от девяти до десяти миллиграммов в день.

Потребность в железе для вегетарианцев оценивается в 1,8 раза больше, чем для невегетарианцев (на основе ограниченного исследования) ^[7] .

В ответ на системную бактериальную инфекцию иммунная система инициирует процесс, известный как удержание железа (приводящий к гипоферемии). Если бактерии хотят выжить, они должны получать железо из окружающей среды.

• Во время бактериальной инфекции патоген и хозяин конкурируют за железо (Fe). Воспалительная реакция, связанная с инфекцией, перемещает Fe из кровотока в запасы, что приводит к гипоферемии и железодефицитному эритропоэзу и, в конечном итоге, способствует анемии, вызванной воспалением.
• Бактерии для приобретения Fe используют как мембраносвязанные рецепторы трансферрина, так и высокоаффинные железосвязывающие белки, называемые сидерофорами.
• Люди используют железосвязывающие белки лактоферрин, трансферрин и ферритин для перемещения Fe из мест инфекции в хранилище. Синтез и действие этих белков регулируются воспалительными цитокинами.
• Люди реагируют на инфекцию гипоферремией, вызванной воспалительными цитокинами. ^[8]

Дефицит железа очень распространен у людей и животных.Низкие концентрации железа в сыворотке (гипоферремия), вызванные гормоном гепсидином, подавляют реакцию организма на вакцины и инфекции; наоборот, увеличение количества железа может повысить иммунитет ^[9] .

• Гепсидин — это циркулирующий пептидный гормон, секретируемый печенью, который играет центральную роль в регуляции гомеостаза железа. Это главный регулятор системного гомеостаза железа, координирующий использование и хранение железа с приобретением железа. Этот гормон в основном вырабатывается гепатоцитами и является негативным регулятором поступления железа в плазму. ^[2]

Уровень железа в мозге и организме резко повышается до 30 лет из-за метаболических потребностей в процессе роста и остается стабильным в зрелом возрасте. Однако в стареющем головном мозге наблюдается регионально-специфическое увеличение общего железа, вероятно, вызванное воспалением, повышением проницаемости гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), перераспределением железа в головном мозге и изменениями гомеостаза железа, а также наблюдается самый высокий уровень железа в мозге. базальный ганглий.

Железный дисгомеостаз может вызывать повреждение нейронов в чувствительных к железу областях мозга.Нейродегенерация с накоплением железа в мозге отражает группу нарушений, вызванных перегрузкой железом в базальных ганглиях. Высокие уровни железа и связанные с железом патогенные триггеры также участвуют в спорадических нейродегенеративных заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера (БА), болезнь Паркинсона (БП) и множественную системную атрофию (МСА). Железо-индуцированный дисомеостаз в уязвимых областях мозга все еще недостаточно изучен ^[2]

1. ↑ Границы неврологии.1 марта 2019 г .; 13: 180. Доступно по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2019.00180/full (дата обращения 13.3.2021)
2. ↑ ^{2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5} Аббаспур Н., Харрелл Р., Келишади Р. Обзор железа и его значения для здоровья человека. Журнал исследований в области медицинских наук: официальный журнал Исфаханского университета медицинских наук. 2014 февраль; 19 (2): 164. Доступно по адресу: https: //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3999603/ (дата обращения 4.3.2021)
3. ↑ Буллен Дж. Дж., Роджерс Х. Дж., Гриффитс Э. Роль железа в бактериальной инфекции. Актуальные темы микробиологии и иммунологии. 1978: 1-35. Доступно по адресу: https: //link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-3-642-66956-9_1 (дата обращения: 5.3.2021)
4. ↑ https://www.ucsfhealth.org/education/hemoglobin-and-functions-of-iron
5. ↑ ^{5,0 5,1} Lucky Fish Факты о железе Доступно по ссылке: https://luckyironfish.com/pages/iron-101 (дата обращения: 4.3.2021)
6. ↑ Очень хорошее здоровье Фитиновая кислота Доступно по: https: // www.verywellhealth.com/phytic-acid-5088824 (дата обращения: 4.3.2021)
7. ↑ ^{7,0 7,1} Разговор Почему железо является такой важной частью вашего рациона Доступно по ссылке: https://theconversation.com/why-iron-is-such-an-important-part-of-your-diet -69974 (дата обращения: 4.3.2021)
8. ↑ Pieracci FM, Barie PS. Железо и риск заражения. Хирургические инфекции. 2005 1 июня; 6 (S1): s41-6. Доступно по адресу: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19284357/ (дата обращения: 5.3.2021)
9. ↑ Frost JN, Tan TK, Abbas M, Wideman SK, Bonadonna M, Stoffel NU, Wray K, Kronsteiner B, Smits G, Campagna DR, Duarte TL.Гепсидин-опосредованная гипоферремия нарушает иммунный ответ на вакцинацию и инфекцию. Med. 2020, 19 ноября, доступно по ссылке: https://www.cell.com/med/fulltext/S2666-6340(20)30021-0 (дата обращения: 5.3.2021)

Железо и паразиты

В этом специальном выпуске мы анализируем важность железа во взаимодействии паразита и хозяина. Железо — переходный элемент и четвертый по распространенности элемент в земной коре. Железо жизненно важно для роста почти всех живых организмов, от прокариот до человека.Железо играет важную роль в нескольких клеточных процессах, таких как дыхание, фотосинтез, транспорт кислорода и синтез ДНК. Железо необходимо, но его биодоступность нелегкая; Растворимость трехвалентного железа низкая при физиологическом pH, тогда как двухвалентное железо в аэробной среде очень токсично. Следовательно, железо обычно связано с белками, и концентрация железа в организме и в клетках должна регулироваться у всех организмов.

Некоторые железосодержащие и связывающие железо белки являются внутриклеточными, например гемоглобин, переносящий кислород, ферритин, запасающий железо, и многочисленные ферменты.Другие — внеклеточные, в основном трансферрин (Tf) и лактоферрин (Lf). Tf и Lf способны захватывать до двух атомов Fe ³⁺ на молекулу, поддерживая железо в растворимой и стабильной степени окисления в жидкостях и избегая образования токсичных свободных радикалов, полученных из Fe ²⁺ в результате реакции Фентона. Свободные радикалы вредны для большинства макромолекул. Tf и Lf поддерживают слишком низкую концентрацию свободного железа для поддержания роста паразитов. Tf — переносчик железа, который обеспечивает поглощение клеточного железа; в основном он содержится в сыворотке и лимфе.Lf секретируется в слизистые оболочки и вторичными гранулами нейтрофилов для хелатирования Fe ³⁺ и предотвращения его доступности для паразитов.

Следовательно, во время заражения между хозяином и захватчиком идет постоянная битва за железо, в которой захватчик пытается получить доступ к железу хоста, а хозяин устраивает сложные механизмы удержания железа, чтобы помешать воровству железа. Фактически, все железосодержащие белки у эукариот могут использоваться в качестве источников железа паразитами, ищущими железо; для этого паразиты разработали несколько сложных стратегий получения железа хозяина.Таким образом, захват и поглощение железа хозяина паразитами считается детерминантами вирулентности.

Сообщалось мало информации о поступлении железа у свободноживущих амеб. В исследовательской статье «Разложение железосвязывающего белка цистеиновыми протеазами Naegleria fowleri » M. Martínez-Castillo et al. сообщают о расщеплении человеческого хололактоферрина, гемоглобина и голотрансферрина этим паразитом. N. fowleri вызывает первичный амебный менингоэнцефалит.Во время инвазии микроорганизм взаимодействует с различными тканями, такими как обонятельный нейроэпителий и обонятельные луковицы, содержащие железосвязывающие белки. Результаты показывают, что у этого простейшего есть несколько протеаз, секретируемых цистеином, которые расщепляют железосвязывающие белки. Используя эту стратегию, N. fowleri может получать железо от хозяина в пораженных тканях.

G. Ortíz-Estrada et al. рассмотреть вопрос о возможном способе доступа кишечного паразита человека Entamoeba histolytica к бычьему лактоферрину, белку, присутствующему в молоке, в основном потребляемом младенцами и младенцами, вскармливаемыми смесями.В своей исследовательской статье «Связывание и эндоцитоз бычьего хололактоферрина паразитом Entamoeba histolytica » авторы сравнивают вирулентные трофозоиты, недавно выделенные из абсцессов печени хомяков, с невирулентными трофозоитами, сохраняемыми более 30 лет в культурах in vitro , относительно их взаимодействия. с бычьим железом Lf (B-holo-Lf). Интересно, что хотя оба варианта амеб могут использовать B-holo-Lf в качестве источника железа и эндоцитозировать этот гликопротеин через покрытые клатрином везикулы, приобретение железа, параметры связывания и количество сайтов связывания с белками на амебу различны.Кроме того, вирулентные амебы также эндоцитировали B-holo-Lf посредством холестерин-зависимого механизма; таким образом, эндоцитоз B-холо-Lf более эффективен у вирулентных амеб.

В мини-обзорной статье «Стратегии внутриклеточных патогенов для получения железа из окружающей среды» N. Leon-Sicairos et al. сосредоточиться на том, как внутриклеточные патогены используют несколько подходов для получения питательного железа из внутриклеточной среды, чтобы использовать этот элемент для репликации. Они исследуют текущие знания о процессе, который происходит во время заражения внутриклеточными патогенами, когда железо требуется как клетке-хозяину, так и патогену, который ее населяет.Внутриклеточные микроорганизмы разрушаются тканями хозяина посредством процессов, которые обычно включают фагоцитоз и разрушение лизосом. Однако некоторые внутриклеточные патогены способны избежать разрушения за счет роста внутри макрофагов и других клеток. Кроме того, обсуждаются последствия этих механизмов для приобретения железа во взаимоотношениях хозяин-патоген.

Африканский трипаносомоз вызывается паразитическими простейшими Trypanosoma brucei . Это хроническое и изнурительное заболевание, от которого страдают в основном жители развивающихся стран.В обзоре «Гомеостаз железа и развитие ассоциированной иммунопатогенности Trypanosoma brucei : битва / поиски железа» B. Stijlemans et al. проанализировать различные стратегии, которые приводят к иммунному ответу хозяина, который приводит к депривации железа, заключающейся в модуляции железом миелоидной фагоцитарной системы хозяина, которая влияет на развитие анемии, связанной с трипаносомозом.

Обзорная статья Р.Arroyo et al. фокусируется на реакции железа Trichomonas vaginalis на продукты семейства генов, такие как цистеиновые протеиназы (CP), участвующие в свойствах вирулентности. В частности, исследуется влияние железа на регуляцию экспрессии генов и функцию L-подобных катепсину и аспарагинилэндопептидазоподобных CP как факторов вирулентности. Аспекты, касающиеся геномной организации CPs, адресованы, чтобы предложить возможные объяснения того факта, что только несколько членов этого большого семейства генов экспрессируются на уровнях РНК и белка.Также предлагаются возможные способы контроля этих конкретных протеолитических активностей. Более того, все известные механизмы регуляции железа CPs на транскрипционном, посттранскрипционном и посттрансляционном уровнях наряду с новым пониманием возможных эпигенетических и miRNA процессов у T. vaginalis также суммированы.

Наконец, в обзорной статье М. Рейес-Лопеса и др. «Трансферрин: эндоцитоз и передача клеточных сигналов у паразитических простейших» авторы описывают наличие специфических рецепторов к Tf у простейших паразитов.Передача сигнала, инициированная связыванием лиганда на плазматической мембране паразита, с процессом в клетках млекопитающих сравнивается на основании большого количества информации об эндоцитозе Tf. В транспортировке Tf участвуют несколько сигнальных путей, таких как встраивание мембранных везикул, и сигнальные пути, опосредованные инозитол-1,4,5-трифосфатом и диацилглицерином, MAPK или факторами роста. Включены некоторые компоненты этих путей, также обнаруженные у паразитов, а также идентификация сигнальных белков, полезных при изучении основных факторов паразитарной жизни и в качестве потенциальных мишеней для разработки химиотерапевтических подходов.

Мы надеемся, что исследователи получат удовольствие от чтения этого специального выпуска, посвященного паразитам и одному из важнейших химических элементов — железу. Несомненно, приобретение хозяина железа патогеном является решающим шагом во время развития инфекции и определяет ее исход.

Rossana Arroyo
Theresa Ochoa
Jung-Hsiang Tai
Mireya de la Garza

Авторские права

Авторские права © 2015 Rossana Arroyo et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая по лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Железо: биологический элемент?

Изучая железо, извлеченное из кернов, пробуренных в породах, подобных этим в национальном парке Кариджини, Западная Австралия, исследователи из UW-Madison определили, что половина атомов железа возникла в мелководных океанах после того, как они были обработаны микробами 2,5 миллиарда лет назад.

Фото: Кларк Джонсон

Представьте себе железный предмет: двутавровую балку, раму автомобиля, гвоздь. А теперь представьте, что половина железа в этом объекте обязана своим существованием бактериям, жившим два с половиной миллиарда лет назад.

Это результат исследования, опубликованного на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Результаты имеют значение для таких разнообразных областей, как добыча полезных ископаемых и поиск жизни в космосе.

Кларк Джонсон, профессор геолого-геофизических исследований Университета Висконсин-Мэдисон и бывший научный сотрудник Вэйцян Ли исследовали образцы из полосчатого железного пласта в Западной Австралии. Полосчатое железо — это богатая железом порода, обнаруженная в рудных месторождениях по всему миру, от предполагаемого железного рудника в Северном Висконсине до огромных рудников Западной Австралии.

Эти древние отложения глубиной до 150 метров требовали объяснений, — говорит Джонсон.

Кларк Джонсон

Ученые думали, что железо попало в океан из горячей, богатой минералами воды, выпущенной из отверстий в середине океана, которая затем осаждалась на дно океана. Джонсон и Ли, которые в настоящее время работают в Нанкинском университете в Китае, показывают, что половина железа, содержащегося в полосчатом железе, метаболизировалась древними бактериями, живущими вдоль континентальных шельфов.

Считалось, что полосатость представляет собой своего рода сезонные изменения.Исследователи UW-Madison обнаружили долгосрочные колебания в составе, но не изменения за более короткие периоды, такие как десятилетия или столетия.

Исследование началось с точных измерений изотопов железа и неодима с помощью одного из самых быстрых в мире лазеров, размещенного в геолого-геофизическом отделении UW – Madison. (Изотопы, формы атома, которые различаются только по весу, часто используются для «отпечатка пальца» источника различных образцов.)

Вспышки света длиной менее одной триллионной секунды испаряют тонкие срезы образца без нагревания самого образца.«Это все равно, что взять шарик мороженого и быстро вытащить материал, прежде чем он нагреется», — объясняет Джонсон. «Нагревание традиционными лазерами дало ложные результаты».

«Потребовалось три года, чтобы усовершенствовать работу лазера и связанных с ним масс-спектрометрических приборов», — говорит Ли. Ученый из Мэдисона и соавтор Брайан Бирд руководил разработкой лазерных методов.

Пластинчатые железные образования являются основным источником железной руды во всем мире. Эти породы в государственном парке подземных рудников Судана, Миннесота, показывают полосчатость, вызванную слоями различных минералов в образце 2.7 миллиардов лет.

Предыдущие исследования источника полосатого железа были сосредоточены на изотопах железа. «Были споры о том, что изотопы железа говорят нам об источнике», — говорит Ли. «Добавление неодима изменило эту картину и дало нам независимую оценку количества, поступающего из неглубоких континентальных вод, несущих изотопную сигнатуру жизни».

Идея о том, что организм может усваивать железо, сегодня может показаться странной, но 2,5 миллиарда лет назад Земля была совсем другой.При небольшом количестве кислорода в атмосфере многие организмы получали энергию, метаболизируя железо вместо кислорода.

Биологи говорят, что этот процесс «действительно глубоко укоренился в древе жизни, но до сих пор у нас было мало свидетельств из летописи горных пород», — говорит Джонсон. «Эти древние микробы дышали железом, как мы дышим кислородом. Признаюсь, это сложно осмыслить.

По словам Джонсона, текущее исследование важно по нескольким причинам. «Если вы геолог-разведчик, вы хотите знать источник полезных ископаемых, чтобы знать, где их исследовать.”

«Если вы когда-нибудь задумывались, почему мы объединяем обучение и исследования в этом университете, геомикробиология даст вам ответ. Он полностью перевернул науку о Земле ».

Кларк Джонсон

Исследование также проясняет эволюцию нашей планеты — и самой жизни — в «богатую железом» эпоху 2,5 миллиарда лет назад. «Какие остатки богатого железом мира остаются в нашем метаболизме?» — спрашивает Джонсон. «Не случайно, что железо является важной частью жизни, что ранние биологические молекулы могли быть основаны на железе.”

НАСА сделало поиск жизни в космосе основным направлением деятельности и спонсирует Институт астробиологии Университета штата Вашингтон в Мэдисоне, которым руководит Джонсон. Распознавание незнакомых форм жизни — приоритетная задача космического агентства.

Исследование подчеркивает важность микробов в геологии. «Это огромное изменение», — говорит Джонсон. «В моем вводном учебнике геохимии от 1980 года нет упоминания о биологии, и поэтому каждая диаграмма, показывающая, какие минералы стабильны в каких условиях на поверхности Земли, абсолютно неверна.”

Результаты подобных исследований влияют на то, как проводятся занятия, говорит Джонсон. «Если бы я только учил одному и тому же, я бы учил абсолютно неправильным вещам. Если вы когда-нибудь задумывались, почему мы совмещаем обучение и исследования в этом университете, геомикробиология даст вам ответ.