Żelazo

Organizmy żywe musiały wytworzyć mechanizmy umożliwiające przekształcenie związków żelazowych (Fe+3), związków nieprzyswajalnych, w sole żelaza dostępne dla ustroju. Przemiana żelaza składa się z kilku etapów: wchłaniania, transportu i udziału w procesach metabolicznych i magazynowania.

Żelazo spożyte w pokarmach lub suplementach trafiając do żołądka, w którym jest kwaśne środowisko, utlenia się do Fe+3. Dlatego wraz z suplementami żelaza należy spożywać odpowiednie ilości związków redukujących, np. witaminy C (kwasu L-askorbinowego).

Wchłanianie żelaza odbywa się w dwunastnicy i górnej części jelita cienkiego. Śluzówka żołądka też ma zdolność wchłaniania żelaza dwuwartościowego. Sok trzustkowy hamuje procesy wchłaniania żelaza, dlatego w przypadkach uszkodzenia trzustki można zaobserwować wzmożone jego wchłanianie.

Przyswajanie żelaza zmniejszają sole wapnia, fosforu, mleko, sery, herbata (tanina), kawa i fityniany znajdujące się w nasionach zbóż. Nadmiar w pokarmach jednego z takich pierwiastków jak wapń, cynk, mangan i żelazo powoduje blokowanie przyswajania innych pierwiastków tej grupy. Nie wolno popijać suplementów żelazowych napojami typu Cola lub zażywać ich po posiłkach bogatych w fosforany, jak np. ryby.

W organizmie człowieka znajduje się od trzech do pięciu gramów żelaza. Około 70% tej ilości jest związane we krwi, głównie w postaci hemoglobiny. W mięśniach żelazo wchodzi w skład mioglobiny, czerwonego barwnika mięśni pełniącego funkcję przenoszenia tlenu wewnątrz komórki.

W porównaniu z osobami zdrowymi, posiadającymi zrównoważone zapasy żelaza, przyswajalność żelaza rośnie nawet dziesięciokrotnie u osób wykazujących niedobory tego pierwiastka. Jest to swoisty mechanizm organizmu regulujący gospodarkę żelazem. Ogólnie można przyjąć, że zależnie od czynników modulujących bioprzyswajalność, wchłanianie żelaza waha się od 5 do ok. 25%. Przyswajanie żelaza poprawia się przy wystąpieniu jego niedoborów w organizmie.

Żelazo przechodzi przez nabłonek jelitowy jako dwuwartościowe i utlenia się do trójwartościowego. W komórkach nabłonka jelitowego łączy się z białkiem zwanym apoferrytyną, tworząc ferrytynę. Żelazo przechodząc z komórek nabłonka do krwi, łączy się z transferyną – białkiem transportującym żelazo do szpiku kostnego, gdzie jest wykorzystywane w procesie erytropoezy (tworzenia krwinek czerwonych).

Pobieranie żelaza przez komórki odbywa się poprzez receptory wiążące transferynę Fe+3, będące białkiem trans-błonowym składającym się z dwóch monomerów glikoproteinowych połączonych mostkiem siarczkowym. Po stronie wewnętrznej błony komórkowej znajdują się kwasy tłuszczowe związane z tymi białkami kowalencyjnie. Kompleks receptor – transferyna – żelazo ulega inwaginacji na drodze endocytozy, tworząc w cytoplazmie wakuole. Kwasowe środowisko wakuoli powoduje uwolnienie żelaza z transferyny, natomiast kompleks receptor – transferyna powraca na powierzchnię błony komórkowej, odzyskując zdolność do transportu następnych kationów żelaza. Pomiędzy ekspresją receptorów transferyny a proliferacją komórek stwierdzono ścisłą zależność, którą wykorzystywano w próbach leczenia nowotworów poprzez blokowanie kompleksu receptor – transferyna, np. związkami galu.

Żelazo występuje w organizmie w następujących związkach:

• hemoproteiny: hemoglobina, mioglobina, cytichriomy, enzymy;
• transferyna (β-globulina osocza): laktoferyna, laktotransferyna z wydzielin zewnątrzkomórkowych (mleko, łzy, sok trzustkowy) i z wydzielin wewnątrzkomórkowych (leukocyty);
• ferrytyna, białko będące podstawowym magazynem "rozpuszczalnego" żelaza w komórkach;
• hemosyderyna, trwałe połączenie żelaza z białkiem;
• enzymy zawierające żelazo: katalaza, peroksydaza, reduktaza rybonukleotydowa, dehydrogenaza bursztynianowa, oksydaza cytochromowa i inne;
• pośrednia pula żelaza: chelatowe kompleksy z niskocząsteczkowymi związkami: z cytrynianami, nukleotydami, aminokwasami, cukrami itd.

Pula pośrednia związków żelaza bierze udział w przenoszeniu w komórkach żelaza z transferyny do ferrytyny, syntezy hemoprotein i aktywacji enzymów. W enterocytach tylko żelazo z puli pośredniej zostaje wchłonięte i przetransportowane do krwi, natomiast żelazo trójwartościowe związane w ferrytynie jest wydalane w złuszczających się komórkach okładzinowych.

Żelazo staje się nośnikiem tlenu w organizmie, wchodząc w skład hemoglobiny w czerwonych krwinkach. W procesie tworzenia hemoglobiny uczestniczy również witamina B6. W krwi dorosłego człowieka znajduje się około 35 trylionów czerwonych ciałek. W ciągu jednej sekundy następuje rozpad około 10 milionów krwinek, a na ich miejsce powstają nowe krwinki. Szczególnie szybki rozpad krwinek następuje podczas intensywnych i długotrwałych wysiłków fizycznych.

Każda żywa komórka dla utrzymania procesów metabolicznych potrzebuje m.in. żelaza. Bez niego komórka obumiera. Fakt ten był wykorzystywany w próbach leczenia chorób nowotworowych. Mechanizm ten jest również wykorzystywany przez laktoferynę chroniącą mleko, środowisko oczu, płyn jelitowy i nasienie przed inwazją bakteryjną. W osoczu laktoferyna pochodzi z ziarnistości wtórnych neutrofili i uwalniana jest w czasie zakwaszenia organizmu, tj. podczas stanów zapalnych lub w ketozie. Laktoferyna wykazuje wyższe powinowactwo do żelaza niż transferyna, dlatego przejmuje funkcje bakteriostatyczną w czasie infekcji. W długotrwałej ketozie laktoferyna może wiązać żelazo z puli pośredniej, co może prowadzić do nadmiernego zmagazynowania żelaza. Manifestuje się to zwiększeniem ilości żelaza we włosach.

Laktoferyna w osoczu pełni wiele istotnych funkcji, m.in.: ma wpływ na agregacje neutrocytów, supresję produkcji przeciwciał, inhibicje wytwarzania CSF. Ferrytyna jest białkiem wykazującym swoistość narządową, przez co bierze udział w mechanizmie magazynowania i uwalniania żelaza. Ferrytyna jest sferyczną cząsteczką białkową zbudowaną z 24 podjednostek polipeptydowych, we wnętrzu której znajduje się około 2000 atomów żelaza w postaci ufosforylowanego związku hydroksy-żelazowego. Ferrytyna jest rozpuszczalna w środowisku wodnym i dlatego pełni funkcję zarówno magazynu żelaza, jak i detoksykacji cytozolu.

Opisano trzy typy struktur ferrytyny: lekką (L), ciężką (H) i glikozylowaną (G). Forma L znajduje się przede wszystkim w wątrobie, śledzionie i łożysku, czyli w tkankach magazynujących duże ilości żelaza. Ferrytyna H występuje w komórkach serca, nerek, erytrocytach, limfocytach i monocytach. Stwierdzono jej obecność w komórkach nowotworowych. Ferrytyna G występuje jedynie w płynach zewnątrzkomórkowych. Ferrytyna H ma większe powinowactwo do żelaza od formy L. Wiązanie żelaza w cząsteczce ferrytyny przebiega po uprzednim utlenieniu Fe+2 do Fe+3. Temu procesowi towarzyszy powstawanie reaktywnych form tlenu (rodników), które mogą powstawać jedynie we wnętrzu cząsteczki ferrytyny. Otoczka białkowa zabezpiecza struktury wewnątrzkomórkowe przed toksycznym działaniem wolnych rodników.

W okresach niedoboru żelaza następuje mobilizacja żelaza z ferrytyny. Aby "odzyskać" wolne żelazo z ferrytyny, konieczne są związki posiadające potencjał redukujący Fe+3 do Fe+2. Rolę reduktorów mogą pełnić tiole, flawoenzymy i anionorodnik ponadtlenkowy. Wymagana jest również obecność związków chelatujących, które wiążąc żelazo, tworzą "pulę pośrednią". Proces uwalniania żelaza z ferrytynt jest bardzo złożony. Prawdopodobnie uczestniczy w nim również apoferrytyna.

Równowaga pomiędzy żelazem puli pośredniej i żelazem związanym z białkami decyduje o nasileniu generacji wolnych rodników (reaktywnych form tlenu) w reakcjach Fentona i peroksydacji lipidowej. Najbardziej niebezpieczny rodnik hydroksylowy może niszczyć struktury komórkowe, prowadząc do licznych patologii. Szczególnie niebezpieczne jest pojawienie się zbyt dużej ilości żelaza w puli pośredniej w samoistnej hemochromatozie.

Wolne rodniki niszczą strukturę białkową ferrytyny i prawdopodobnie w ten sposób powstaje hemosyderyna. Żelazo uwięzione w hemosyderynie nie może być powtórnie wykorzystane przez organizm. Jednak hemosyderyna wiążąc trwale żelazo, zabezpiecza organizm przed generacją reaktywnych form tlenu. Na podstawie powyższego pomiędzy możliwością generowania wolnych rodników a przemianą żelaza i transferyny istnieje dynamiczna równowaga, której stan decyduje o właściwej przemianie żelaza jak o potencjale antyoksydacyjnym ustroju.

W surowicy występuje jedynie podjednostka ferrytyny L, która zawiera najmniej Fe+3. Jest ona uwalniana przez komórki układu siateczkowo-śródbłonkowego. Zawartość ferrytyny w osoczu odzwierciedla stan zmagazynowanego żelaza w organizmie. Oznaczanie ilości ferrytyny jest ważnym parametrem oceniającym gospodarkę żelaza. Umożliwia wykrycie przed i utajone stany niedoboru żelaza. Oznaczanie ferrytyny jest przydatne w różnicowaniu niedokrwistości na tle rzeczywistego niedoboru od niedokrwistości objawowych (stany zapalne, nowotwory). Do oceny niedokrwistości przyjęto następujące wskaźniki:

W piśmiennictwie przyjmuje się dość rozbieżne wartości referencyjne:
20 – 250 μg/L (mężczyźni); 12 – 125 μg/L (kobiety).
Stężenie ferrytyny w surowicy jest bardzo małe, dlatego oznaczana jest ona testami ELISA, w połączeniu z oznaczeniem spektrometrofluorymetrycznym. Ta technika oznaczania nie jest ogólnie dostępna, dlatego dobrą alternatywą jest analiza pierwiastkowa włosów. Dzięki oznaczaniu innych biopierwiastków, tj. miedzi, kobaltu, możemy ocenić stan przemiany żelaza.

Niedobór żelaza powoduje wiele niekorzystnych skutków zdrowotnych, jak: spadek sprawności fizycznej, obniżenie możliwości koncentracji i sprawności umysłowej, niesprawność pamięci i zły nastrój, zmniejszenie odporności na przeziębienia i infekcje lub zaburzenia rytmu pracy serca. Charakterystycznym objawem niedoboru żelaza jest łaknienie spaczone, czyli apetyt na produkty nie zaliczane do pokarmów, jak krochmal, lód, tynk i inne. Ostatnim stadium niedoboru żelaza jest anemia, podczas której skutki niedoboru żelaza przyjmują stan ostry. Niedokrwistość spotyka się bardzo często, gdyż nawet pozornie zdrowa i urozmaicona dieta może dostarczać zbyt mało żelaza. Szczególnie na niedobory żelaza narażone są dzieci, dziewczęta (odchudzające się) i kobiety z powodu utraty krwi w cyklach miesiączkowych, kobiety w ciąży, kobiety po menopauzie, sportowcy uprawiający sporty wytrzymałościowe, a zwłaszcza osoby starsze, uprawiające takie sporty. Ponieważ żelazo jest niezbędne do rozwoju i funkcjonowania mózgu, w wypadku jego braku w okresie płodowym i niemowlęcym następuje niedorozwój umysłowy i niedorozwój fizyczny z zaburzeniem koordynacji wzroku i rąk. Stosuje się wtedy dodatkowe podawanie preparatów żelaza, zresztą nie zawsze dobrze przyswajanych. Zbyt duże dawki tych preparatów mogą wywoływać zaburzenia trawienne, biegunkę lub nudności.

dr n. med. Sławomir Puczkowski