Железосодержащие органические соединения в организме человека

Железосодержащие органические соединения в организме человека. Железо, находящееся в организме человека, можноразбить на 2 большие группы клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке, отличающиеся различным строением, обладают характерной только для них функциональной активностьюи биологической ролью для организма.

В свою очередь их можноподразделить на 4 группы 1. гемопротеины, основным структурным элементом которыхявляется гем гемоглобин, миоглобин, цитохромы, каталаза ипероксидаза 2. железосодержащие ферменты негеминовой группы сукцинат-де-гидрогеназа, ацетил - коэнзим А - дегидрогеназа, НАДН цитохромС-редуктаза и др. 3. ферритин и гемосидерин внутренних органов 4. железо, рыхло связанное с белками и другими органическимивеществами.

Ко второй группе внеклеточных соединений железаотносятся железо-связывающие белки трансферрин и лактоферрин, содержащиеся во внеклеточных жидкостях. КЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, выполняет важную для организма газотранспортную функцию - переносит экзогенный кислород и эндогенный углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль буферной системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции.

Дыхательный пигмент крови - сложный белок, состоящий из белковой молекулы - глобина, соединенной полипептидными цепочками с 4 комплексами гема. Глобин состоит из 2 пар полипептидных цепочек, каждая из которых содержит 141-146 аминокислот. Гем, составляющий 4 веса молекулы гемоглобина, содержит железо в центре порфиринового кольца. У здорового человека гемоглобин гетерогенен. Нормальный эритроцит содержит приблизительно 30 пг. гемоглобина, в котором находится 0,34 железа.

Миоглобин - дыхательный белок сердечной искелетной мускулатуры. Он состоит из единственной полипептиднойцепочки, содержащей 153 аминокислоты и соединенный сгемпростетической группой. Основной функцией миоглобинаявляется транспортировка кислорода через клетку и регуляция егосодержания в мышце для осуществления сложных биохимическихпроцессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит0,34 железа. Миоглобин депонирует кислород во времясокращения мышц, а при их поражении он может попадать в кровь ивыделяться с мочой.

Железосодержащие ферменты и негеминовоежелезо клетки находится главным образом в митохондриях. Наиболее изученными и важными для организма ферментамиявляются цитохромы, каталаза и пероксидаза. Цитохромы делятся на 4 группы в зависимости отстроения геминовой группы n А - цитохромы с гем - группой, соединяющей формилпорфин n В - цитохромы с протогем - группой n С - цигохромы с замещенной мезогем - группой n Д - цитохромы с гем - группой, соединяющей дегидропорфин.

В организме человека содержатся следующие цитохромы а1, аз, в, в5, с, с1, Р450. Они представляют собой липидные комплексы гемопротеинов и прочно связаны с мембраной митохондрии. Однако, цитохромы в5 и Р450 находятся в эндоплазматическом ретикулюме, а микросомы содержат НАДН- цитохром С - редуктазу. Существует мнение, что митохондриальное дыхание необходимо для процессовдифференцировки тканей, а внемитохондриальное играет важнуюроль в процессах роста и дыхания клетки.

Основной биологическойролью большинства цитохромов является участие в переносеэлектронов, лежащих в основе процессов терминального окисления втканях. Цитохромоксидаза является конечным ферментоммитохондриального транспорта электронов - электронотранспортнойцепочки, ответственным за образование АТФ при окислительномфосфолировании в митохондриях. Показана тесная зависимость между содержанием этого фермента в тканях и утилизацией имикислорода.

Каталаза, как и цитохромоксидаза, состоит из единственной полипептидной цепочки, соединенной с гем - группой. Она является одним из важнейших ферментов, предохраняющихэритроциты от окислительного гемолиза. Каталаза выполняетдвойную функцию в зависимости от концентрации перекисиводорода в клетке. При высокой концентрации перекиси водородафермент катализирует реакцию ее разложения, а при низкой - и вприсутствии донора водорода метанол, этанол и др. становитсяпреобладающей пероксидазная активность каталазы.

Пероксидаза содержится преимущественно в лейкоцитах и слизистой тонкого кишечника у человека. Она такжеобладает защитной ролью, предохраняя клетки от их разрушенияперекисными соединениями. Миелопероксидаза - железосодержащий геминовый фермент, находящийся в азурофильных гранулах нейтрофильных лейкоцитов и освобождается в фагоцитирующие вакуоли в течение лизиса гранул. Активированное этим ферментом разрушение белка клеточной стенки бактерий является смертельным для микроорганизма, аактивированное им йодинирование частиц относится к бактерицидной функции лейкоцитов К железосодержащим относятся и флавопротеиновые ферменты, в которых железо не включено в геминовую группу и необходимо только для реакций переноса.

Наиболее изученной является сукцинатдегидрогеназа, которая наиболее активна в цикле трикарбоновых кислот. Митохондриальные мембраны свободно проницаемы для субстрата фермента. Негеминовое железо, локализующееся главнымобразом в митохондриях клетки, играет существенную роль в дыхании клетки, участвуя в окислительном фосфолировании и транспорте электронов при терминальном окислении, в цикле трикарбоновых кислот.

Ферритин и гемосидерин - запасныесоединения железа в клетке, находящиеся главным образом вретикулоэндотелиальной системе печени, селезенки и костногомозга. Приблизительно одна треть резервного железа организмачеловека, преимущественно в виде ферритина, падает на долюпечени. Запасы железа могут быть при необходимостимобилизованы для нужд организма и предохраняют его оттоксичного действия свободно циркулирующего железа.

Известно, что гепатоциты и купферовские клеткипечени участвуют в создании резервного железа, причем внормальной печени большая часть пегом и нового железа обнаруженав гепатоцитах в виде ферритина. При парентеральном введениижелеза как гепатоциты, так и кунферовские клетки печениаккумулируют большое количество дополнительного ферритина, хотя последние имеют тенденцию запасать относительно больше излишнего негеминового железа в виде гемосидерина.

Сферическая белковая оболочка молекулы ферритина состоит из 24 субъединиц, имеющих молекулярный вес18500 - 19000. Общий молекулярный вес апоферритина 445000.Электронно-микроскопические исследования показали, чтоферритин имеет полую оболочку с внутренним диаметром 70 - 80 А.Оболочка имеет 6 каналов, расширяющихся кнутри их диаметр 9-12 А. Ядро ферритина состоит из мицелл железо-фосфатногокомплекса, имеющих кристаллическую структуру.

Захват иосвобождение железа осуществляется через белковые каналы путемсвободного пассажа, а его отложение и мобилизация происходят наповерхности микрокристаллов. Стимуляция синтеза ферритинажелезом является хорошо установленным фактом. Как известно, печень является основнымкомпонентом ретикулоэндотелиальной системы. В концежизнедеятельности эритроциты фагоцитируются макрофагами этойсистемы, а освобождающееся железо или оседает в печени в видеферритина гемосидерина, или возвращается в плазму крови изахватывается в паренхиматозных клетках печени и мышц, а такжев макрофагах ретикулоэндотелиальной системы печени, селезенки икостного мозга Гемосидерин является вторым запаснымсоединением железа в клетке и содержит значительно большежелеза, чем ферритин.

В отличие от ферритина он нерастворим вводе. Существует достаточно аргументированное предположение, что преобразование ферритина в гемосидерин происходит путемпостепенного перенасыщения ферритиновой молекулы железом споследующим ее разрушением и образованием зрелогогемосидерина.

Внимание исследователей в последнее времяпривлекает циркулирующий в крови ферритин. Вероятно, онпроисходит из клеток ретикулоэндотелиальной системы. Имеютсяпредположения, что сывороточный ферритин является отражениемактивной секреции ферритина из печеночных клеток, возможно из связанных полисом. Таким образом, его присутствие в сыворотке внебольшом количестве не является результатом разрушения клетокпечени. Не только его происхождение, но и биологическая роль ворганизме человека до настоящего времени изучены недостаточно. Не вызывает сомнений точно установленный факт концентрациясывороточного ферритина отражает состояние запасного фондажелеза в организме человека.

Отметим, что хорошая зависимостьотмечена между уровнем сывороточного ферритина имобилизуемыми запасами железа в организме человека, изученных спомощью количественных кровопусканий, а также междуферритином и концентрацией негеминового железа в тканях печени, полученных с помощью биопсии у людей.

Средняя концентрацияего в сыворотке крови у мужчин выше, чем у женщин, сколебаниями от 12 до 300 мкгл. ВНЕКЛЕТОЧНОЕ ЖЕЛЕЗО Во внеклеточных жидкостях железо находится всвязанном состоянии - в виде железо - белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, составляет 10,8 - 28,8 мкмольл. с достаточно большими суточнымиколебаниями, достигающими 7,2 мкмольл. Общее содержаниежелеза во всем объеме циркулирующей плазмы у взрослого человекасоставляет 3 - 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от рядафакторов взаимоотношения процессов разрушения и образованияэритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте.

Однако наиболее важной причиной, определяющей уровень плазменного железа, являетсявзаимодействие процессов синтеза и распада эритроцитов. Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведскими учеными, содержится в небольшом количестве в плазме крови. Общая железо-связывающая способность плазмы, характеризуящаясяпрактически концентрацией трансферрина, колеблется от 44,7 до 71,6 мкмольл, а свободная железо-связывающая способность - резервная емкость трансферрина - составляет 28.8 - 50.4 мкмольл у здорового человека В плазме здорового человека трансферрин можетнаходиться в 4 молекулярных формах 1 апотрансферрина 2 моножелезистого трансферрина А - железо занимает толькоА - пространство 3 моножелезистого трансферрина В - железозанимает только В-пространство 4 дижелезистого транферрина - заняты А и В пространства.

Молекулярный вес трансферрина 76000 - 80000, он состоит из единственной полипептидной цепочки срасположенными на ней двумя значительно схожими, если не идентичными, металлсвязывающими пространствами.

Эти пространства А и В наиболее прочно связывают железо по сравнению с ионами других металлов. Около 6 железо-связывающего белка составляют углеводные остатки, находящиеся в 2 ответвляющихся цепочках и заканчивающихся сиаловой кислотой.

Углеводы, вероятно, не участвуют в механизме захвата железа. Синтезируется трансферрин преимущественно в паренхиматозных клетках печени. Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и узнает синтезирующие гемоглобин ретикулоциты и, возможно другие нуждающиеся в железе клетки. Трансферрин отдает железо им только в том случае, если клетки имеют специфические рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок функционирует как транспортное средство для железа, обмен которого в организмечеловека зависит как от общего поступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченного различными тканямисоответственно количеству в них специфических рецепторов дляжелеза. Кроме того трансферрин обладает защитной функцией -предохраняет ткани организма от токсического действия железа.

Анализируя биологическую роль трансферрина ворганизме, следует упомянуть о результатах экспериментальныхисследований, свидетельствующих о способности этого белкарегулировать транспорт железа из лабильных его запасов в эпителииклеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и эритроцитов, в меньшей степени - клеткамиретикулоэндотелиальной системы и откладывается в виде запасногожелеза, некоторое количество его поступает в неэритропоэтическиеткани и используется для образования миоглобина и ферментовтканевого дыхания цитохромы, каталаза и т.д Все эти процессыявляются сложными и до конца не изученными.

Однако некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа трансферрином клеткам костного мозга можно представить следующим образом 1 адсорбция трансферрина рецепторными участками наповерхности ретикулоцитов 2 образование прочного соединения между трансферрином иклеткой, возможно проникновение белка в клетку 3 перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующемугемоглобин - аппарату клетки 4 освобождение трансферрина в кровь.

Известно, что количество связывающих трансферрин пространств максимально в ранних эритроидных предшественниках иуменьшается по мере созревания этих клеток. Железо-связывающий белок лактоферрин обнаруженво многих биологических жидкостях молоке, слезах, желчи, синовиальной жидкости, панкреатическом соке и секрете тонкогокишечника.

Кроме того, он находится в специфических вторичныхгранулах нейтрофильных лейкоцитов, образуясь в клеткахмиелоидного ряда со стадии промиелоцита.

Подобно трансферрину, лактоферрин способен связывать 2 атома железа специфическимипространствами. Он состоит из одной полипептидной цепочки, молекулярный вес приблизительно равен 80000. В физиологическихусловиях этот железо-связывающий белок насыщен железом до 20в ничтожных количествах он содержится в плазме крови, освобождаясь в нее из нейтрофильных лейкоцитов. Несмотря насхожесть лактоферрина и трансферрина, эти железо-связывающиебелки отличаются друг от друга по антигенным свойствам, составуаминокислот, белков и углеводов.

В настоящее время известны следующие функции этого белка бактериостатическая, участие в иммунных процессах и абсорбции железа в желудочно-кишечном тракте. Свободный от железа лактоферрин - аполактоферрин обладает бактериостатическими свойствами, которые теряются при насыщении его железом. Аполактоферрин тормозит in vitro рост бактерий и грибов, и возможно, играет роль во внутриклеточной гибели микроорганизмов.

При низкой концентрации лактоферрина в нейтрофильных лейкоцитах может уменьшаться их бактерицидная активность. Железосерные ферменты - это еще один важныйкласс железосодержащих ферментов, участвующих в переносеэлектронов в клетках животных, растений и бактерий. Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой лабильной форме, расщепляющейся поддействием кислот.

К железо - серным ферментам относится, например, ферредоксин хлоропластов, осуществляющий переносэлектронов от возбужденного светом хлорофилла на разнообразныеакцепторы электронов.