Обмен железа в организме человека и его особенности у детей

Обмен железа в организме осуществляется в замкнутой системе. Его суточный расход составляет в среднем 1-1,5 мг (при отсутствии потерь крови). Равновесие поддерживается за счет поступления извне такого же количества железа.

Источниками железа, используемого для кроветворения, являются:
• экзогенное (алиментарное) железо, поступающее в организм с пищей в количестве 10-15 мг в сутки (как известно, его всасывание ограничивается кишечным барьером и составляет не более 10%);
• эндогенное железо, основная масса которого сконцентрирована в гемоглобине и в депо железа.

Основной источник эндогенного железа – физиологическая деструкция гемоглобина, связанная с распадом эритроцитов. Известно, что в течение суток разрушается около 50 мл крови и столько же восстанавливается. Жизнь эритроцита недолговечна – всего 125 дней. Ежедневно для восполнения разрушившихся эритроцитов в костном мозге образуется около 250 миллиардов эритроцитов, ежесекундно – около 2,5 млн. Доказано, что в каждом эритроците содержится 400 млн молекул гемоглобина. Гемоглобин синтезируется там же, где рождаются молодые эритроциты, – в костном мозге, а его разрушение происходит в селезенке, которая служит «кладбищем» для эритроцитов. Как уже отмечалось ранее, при распаде гемоглобина освобождается железо. Какова же его дальнейшая судьба? Если бы железо безвозвратно выводилось из организма, то только для построения новых эритроцитов организм должен был бы возобновлять все запасы железа в крови каждые 125 дней. При этом ежедневно требовалось бы около 25 мг, а с учетом того, что всасывается лишь около 10% железа, – то около 250 мг. К счастью, железо из разрушенных эритроцитов в значительной мере возвращается к месту синтеза, а потому суточная потребность здорового человека в железе не превышает 15 мг. Это количество полностью покрывается за счет пищи. «Поджелезивать» пищу подобно тому, как ее подсаливают, здоровому человеку нет необходимости.

Обмен железа в организме включает следующие процессы (этапы):

– всасывание (абсорбцию) железа в кишечнике;

– транспорт железа в организме;

– утилизацию и депонирование железа в организме;

– экскрецию и потери.

Абсорбция железа

Всасывание железа характеризуется следующим:
• местом всасывания является двенадцатиперстная кишка, а также проксимальная часть тощей кишки;
• происходит в два этапа: из просвета кишечника в энтероцит, из энтероцита – в плазму;
• уменьшением степени абсорбции (усвояемости) в ряду: гемовое железо > Fe(II) > Fe(III).

Доказано, что около 90% железа всасывается в двенадцатиперстной кишке, остальное – в самых верхних отделах тощей кишки. Желудок, ободочная и толстая кишки в этом процессе практически не участвуют. В кишечнике взрослого человека всасывается приблизительно 1-2 мг железа в сутки.

Общеизвестно, что железо в продуктах содержится в разных формах: окисной (Fe³⁺) и закисной (Fe²⁺). Всасывание железа происходит в 2 формах – гемовой (10%) и негемовой (90%) через щеточную кайму кишечника, однако механизмы всасывания этих двух типов железа различаются.

Установлено, что лучше всего всасывается и усваивается железо в форме гема. Биодоступность (всасывание) гемового железа из продуктов животного происхождения выше, чем из негемовых соединений, и составляет в среднем 17-22%. Гемовый комплекс всасывается клетками слизистой оболочки кишечника целиком в виде интактного металлопорфирина, без предварительного освобождения связанного с ним железа. Всасывание гемовых форм железа мало зависит от влияния разных пищевых и секреторных факторов. Большая усвояемость гемового железа является причиной лучшей утилизации его из продуктов животного происхождения в сравнении с растительными.

В то же время доказано, что трехвалентная форма солей железа (а именно в этой форме железо содержится в растительной пище) практически не способна всасываться. Попадая в желудочно-кишечный тракт, трехвалентное железо в просвете кишечника переводится в двухвалентную (закисную) форму и в таком виде достигает мембраны кишечных микроворсинок, т. е. необходимым условием его всасывания является перевод в растворимую форму и восстановление двухвалентного состояния, в котором железо способно проходить через клеточную мембрану слизистой оболочки кишечника. Именно здесь оно вновь переводится в окисное железо, которое в последующем и подвергается метаболизму. На поверхности микроворсинок энтероцитов интестинальной слизистой оболочки закисное железо связывается с С071-рецептором трансферрина. Путем эндоцитоза комплекса Fe²⁺-С071 железо поступает в цитоплазму энтероцита, где передается на другой белок-носитель мобилферрин, который рециркулирует в цитоплазме. В случае необходимости железо из мобилферрина передается на трансферрин и далее – на ферритин с противоположной стороны энтероцита, прилегающей к капилляру кровеносного русла, откуда затем при участии С071-рецептора передается на трансферрин плазмы крови. При этом каждый этап передачи железа от одного белка другому сопровождается сменой валентности, т. е. окислительно-восстановительными реакциями. В свободной ионной форме в энтероците железо практически не появляется.

Примечательно, что дальнейшая судьба железа, находящегося в микроворсинках щеточной каймы слизистой кишечника, зависит от содержания железа в организме. Если его запасы избыточны, то железо задерживается в эпителиальных клетках слизистой оболочки тонкой кишки в соединении с ферритином, а затем вместе со слущивающимся эпителием кишечника удаляется из организма. При наличии сидеропении (дефицита железа в организме) абсорбционная поверхность кишечника и скорость всасывания железа увеличиваются. При этом большая часть железа поступает в кровоток и соединяется там с трансферрином.

Как известно, большая часть поступающего с пищей железа представлена негемовой его формой. В растительных продуктах, особенно зерновых, большая часть железа находится в тяжело усваиваемой форме (из пищи растительного происхождения всасывается лишь до 1-3% железа), т. к. представлено его солями и комплексами с белками и органическими кислотами. Поэтому такие, на первый взгляд, богатые железом продукты, как печень, почки, легкие не могут быть рекомендованы для коррекции питания больных железодефицитной анемией, поскольку содержат железо в виде депонированных (ферри-) форм.

Абсорбция железа, не связанного с гемом, зависит от состава компонентов еды и особенностей секреции пищеварительного тракта. Желудочный секрет и соляная кислота облегчают абсорбцию негемового железа, но не влияют на всасывание гемового железа и Fe (II).

На степень усвоения пищевого железа влияют присутствующие в продуктах питания вещества (таблица), которые зачастую образуют с Fe (II) нерастворимые соединения и выводятся с калом.

Как следует из таблицы, связывающие железо анионы, которые содержатся в пищевых продуктах (например, этилендиаминтетрауксусная кислота, использующаяся как консервант; танины, содержащиеся в чае; карбонаты, оксалаты, фосфаты и др.) угнетают абсорбцию железа; фитиновая кислота и фосфаты, образуя с железом нерастворимые соли, препятствуют его всасыванию. В связи с этим железо продуктов растительной пищи (злаки, богатые фитиновой кислотой и фосфором) малодоступно для усвоения организмом. Тормозят усвоение железа также циклические антибиотики, соли кальция, меди, антацидные препараты и др.

Имеются также сведения о неблагоприятном влиянии на абсорбцию железа пищевых волокон, которыми богаты крупы, свежие овощи, фрукты. В кишечнике пищевые волокна практически не перевариваются, железо фиксируется на их поверхности и выводится с калом.

В то же время всасывание негемовых форм железа улучшают яблочная, лимонная, янтарная кислоты, аминокислоты, ряд микроэлементов, фруктоза, которые действуют как синергисты в процессе его всасывания. Повышают биодоступность железа аскорбиновая кислота, животный белок (мясо, рыба), который увеличивает абсорбцию микроэлемента. Однако механизм такого повышения, называемый «meat factor», до настоящего времени не выяснен.

Транспорт железа в организме

После всасывания большая часть железа поступает в кровоток и соединяется там с транспортным белком – трансферрином, который осуществляет транспорт железа, всосавшегося в кишечнике и поступившего из других источников в кровь. Трансферрин (сидерофиллин) – это особый белок, вырабатываемый клетками печени и относящийся к классу β-глобулинов. В норме концентрация трансферрина в плазме составляет около 250 мг/дл, что позволяет плазме связывать 250-400 мкг железа на 100 мл плазмы. Эта так называемая общая железосвязывающая способность сыворотки может существенно возрастать при повышении потребности организма в железе, например, у женщин во время беременности, а также при железодефицитной анемии. При повышенной потребности в железе уровень трансферрина увеличивается, однако весь трансферрин может связать лишь до 10 мг железа.

В норме примерно лишь 20-25% трансферрина насыщено железом, остальной хранится в виде апотрансферрина. Железо трансферрина очень прочно связано и не входит в клетку пассивно.

Депонирование железа и его утилизация

Большая часть железа, утилизируемого организмом, потребляется в костном мозге, где используется для биосинтеза гемоглобина вновь образуемых эритроцитов. Ежесуточно в организме обновляется 0,8% эритроцитарной массы, на что расходуется 15-30 мг железа. Это значительно превосходит количество железа, поступающего с пищей. Основная часть железа, используемого для синтеза гемоглобина вновь образуемых эритроцитов, извлекается из тканевых депо. Помимо этого используется также железо, освободившееся при распаде гемоглобина разрушившихся эритроцитов.

Железо, доставленное трансферрином в костный мозг связывается с поверхностными рецепторами эритрокариоцитов, после чего начинается эндоцитоз: железо остается связанным с митохондриями нормобластов. Там происходит взаимодействие железа с протопорфирином и образование гема. Соединение гема с полипептидными цепями глобина приводит к синтезу гемоглобина в нормобластах. В то же время трансферрин без железа, уже в форме апотрансферрина, возвращается в сосудистое русло. Помимо непосредственной транспортной функции трансферрин, связывая железо, предохраняет клетки от токсического действия дериватов кислорода (Н₂О₂, супероксидных и гидроксильных радикалов) и от развития инфекционных процессов, лишая некоторые микроорганизмы возможности использовать железо для метаболических целей. Трансферрин синтезируется в гепатоцитах в количествах, соответствующих потребностям организма в железе. В ответ на недостаток уровня железа образование трансферрина повышается, напротив, при нормализации уровня железа синтез его снижается.

В случае необходимости железо может быстро высвобождаться из ферритина и гемосидерина и использоваться для эритропоэза (при возникновении дефицита железа наблюдается исчезновение железосодержащих гранул из макрофагов). При этом скорость утилизации железа из гемосидерина значительно ниже. Уровень ферритина является показателем содержания железа в организме: уменьшение его уровня свидетельствует о снижении запасов железа.

Экскреция и потери

В естественных условиях железо выделяется с калом, мочой, потом, а также теряется с волосами и ногтями. Количество выводимого из организма железа ограничено, и в норме соответствует его количес­тву, всасываемому в кишечнике. Выше упоминалось, что в случае достаточных запасов железа в организме ферритиновая фракция железа энтероцитов утрачивается при слущивании эпителия слизистой оболочки кишечника. Выделение железа у мужчин составляет в среднем 0,6-1 мг в сутки; у женщин – в два раза больше, что связано с кровопотерями во время менструаций и родов, выделением железа с молоком в период лактации. Так, потери железа в период менструации составляют 16-32 мг, ежедневная дополнительная потеря в период лактации – 0,5 мг в сутки. Физиологические потери железа у детей составляют 0,1-0,3 мг в сутки.

Схематично обмен железа в организме можно представить следующим образом (рисунок).

Регуляция обмена железа

Баланс железа в организме человека определяется тремя факторами:
• его количеством, поступающим с пищей и усваивающимся из желудочно-кишечного тракта;
• потребностью обеспечения синтеза железосодержащих соединений и их деятельности (прежде всего гемоглобина);
• потерями гемоглобина, обусловленными физиологическими или патологическими процессами.

Важно помнить, что постоянный уровень железа поддерживается за счет регуляции всасывания, а не выделения. Доказано, что степень абсорбции железа зависит как от его количества в употребляемой пище, так и от биодоступности. Этот процесс регулируется специфичными рецепторами слизистой оболочки пищеварительного тракта, которые ответственны за накопление железа в организме. Когда потребность в нем увеличивается в результате истощения запасов при быстром росте, беременности, менструальных или патологических кровопотерях, эффективность абсорбции увеличивается на 10-20%. И наоборот, при перегрузке депо железа его абсорбция в кишечнике существенно снижается. Факторами развития дефицита железа (при условии достаточного его количества в пище) являются ахилия, атрофические изменения слизистой пищеварительного тракта, агастральные и анэнтеральные состояния, энтериты, сопровождающиеся ускоренным прохождением химуса в полости кишечника. Абсорбция железа в пищеварительном тракте является обратно пропорциональной его запасам и повышается при дефиците. При беременности абсорбция железа повышается до 4 мг/сутки.

Механизм регуляции процесса всасывания железа в организме осуществляется также посредством сигнальной системы костный мозг (эритроидный росток) – энтероциты двенадцатиперстной кишки. Эта связь осуществляется с помощью белков – регуляторов эритропоэза, находящихся в плазме крови. Сигналы в эритроидный росток костного мозга поступают от тканей, находящихся в условиях гипоксии, или непосредственно от самих эритроцитов, в результате чего абсорбция железа в кишечнике усиливается. Роль молекулярного посредника между клетками – потребителями кислорода и клетками костного мозга – продуцентами гемоглобинсодержащих клеток эритрона, играет эритропоэтин, вырабатывающийся в почках. Однако при анемии около 10-15% эритропоэтина синтезируется дополнительно в печени. Именно эритропоэтин обеспечивает гуморальную регуляцию эритропоэза. Эритропоэтин поддерживает пул эритроидных предшественников, способствует их дифференцировке, ускоряет освобождение ретикулоцитов из костного мозга. Имеются сведения о стимулирующем влиянии эритропоэтина на процессы синтеза гемоглобина.

Регуляторные механизмы, поддерживающие гомео­стаз железа, действуют в каждой клетке. Впервые D. Haile, M. Hentze, T. Rouault (1997) и другие исследователи идентифицировали IRE (iron response element) – железочувствительные элементы, которым отводится ведущая роль в регуляции метаболизма железа как в норме, так и при патологии. Особое значение имеет открытие IRE-опосредованного механизма в понимании патогенеза целого ряда железодефицитных состояний, при которых имеется адекватный или даже повышенный внеклеточный уровень железа, но сниженное его содержание внутри клетки. Согласно последним данным, на участке инициации трансляции мРНК фермента ALA-синтетазы имеется шпилечная петля – IRE. При низком уровне железа в эритроците IRE-связывающий белок присоединяется к IRE и предотвращает трансляцию. Нарушения гомеостаза железа проявляются в преобладающем большинстве случаев в форме дефицита железа.

Доказано, что на уровень железа в организме оказывают влияние такие процессы, как:
воспаление (гипоферремия за счет накопления железа в клетках ретикулоэндотелиальной системы; ее биологический смысл – торможение железо-зависимого деления бактерий);
• рахит, при котором имеет место перераспределение железа из всех депо в кости (компенсация недостатка солей Са);
• паренхиматозные поражения печени, при которых развитие гиперсидеремии обусловлено нарушением депонирующей функции печени (пораженный или погибающий гепатоцит отдает железо в кровь).

Особенности обмена железа в организме плода и ребенка

Доказано, что во внутриутробном периоде существует положительный баланс железа. В основных механизмах, обеспечивающих положительный баланс железа у плода, задействованы:

– плацента: активный захват железа из кровотока матери; утилизация железа из гемоглобина материнских эритроцитов; активный перенос железа (однонаправленный) – из кровотока матери в кровоток плода;

– фетальный трансферрин: интенсивное насыщение железом за счет высокой активности трансферрина;

– плацентарный ферритин: создание резервного фонда железа; адекватное снабжение плода железом при сидеропении у матери;

– фетальный ферритин: более медленная его биотрансформация способствует максимальному сохранению фетальных запасов железа.

Благодаря этим механизмам количество железа, получаемого ребенком антенатально, не зависит от содержания железа в организме беременной. Имеются многочисленные и убедительные данные о том, что плод получает достаточное количество железа даже в тех случаях, когда у матери в период беременности отмечается железодефицитная анемия, т. е. передача железа от матери к плоду осуществляется даже тогда, когда его концентрация в крови беременной меньше, чем в крови ребенка. Это объясняется тем, что плоду обязательно необходимо взять «свое» количество железа. Таким образом природа заботится о будущем полноценного человека.

При неосложненном течении беременности женщина передает плоду около 300 мг железа. Этот процесс происходит на протяжении всей беременности, но наиболее активно – начиная с 28-32-й недель гестации. Установлено, что интенсивность переноса железа от матери к ребенку растет параллельно сроку беременности и массе плода. Уже после 37-й недели гестации уровень сывороточного железа у плода выше, чем у матери. Специальный транспортный белок плода – трансферрин – связывает железо матери и переносит его в костный мозг плода, а также в ткани. Железо, доставленное к плаценте материнским трансферрином, взаимодействует со специфическими рецепторами щеточной каймы микроворсинок с последующим трансмембранным его переносом. После поступления железа в плаценту часть его депонируется в составе плацентарного ферритина, а другая часть связывается с фетальным трансферрином и непосредственно поступает в кровоток плода. Трансферрин плода «доставляет» железо в костный мозг, где происходит синтез гемоглобина, в то же время в тканях происходит образование ферментных систем, которые необходимы для нормального роста клеток. Избыток железа переносится в печень и мышцы, где создается своеобразный его запас или «депо» в виде ферритина.

Таким образом, первоначальные запасы железа у ребенка создаются благодаря антенатальному его поступлению через плаценту от матери. Исследования показали, что как доношенные, так и недоношенные дети при рождении имеют по 70-75 мг железа на 1 кг массы, в абсолютных цифрах это выглядит следующим ообразом: в организме доношенного ребенка содержится около 300-400 мг железа, недоношенного – всего 100-200 мг.

Решающую роль в процессах антенатального поступления железа в организм плода играют состояние маточно-плацентарного кровотока и функциональный статус плаценты.

Патологическое течение беременности (токсикозы, угроза прерывания и перенашивание беременности, гипоксический синдром, острые соматические и инфекционные заболевания или их обострение и др.), сопровождающееся нарушением маточно-плацентарного кровотока и плацентарной недостаточностью, приводит к уменьшению поступления железа в организм плода. Недостаточное антенатальное накопление железа отмечается при фетоматеринских и фетоплацентарных кровотечениях, внутриутробной мелене. Еще одной из причин недополучения плодом железа является многоплодная беременность: в таких условиях происходит перераспределение всего запаса железа между несколькими плодами.

Сразу же после рождения запасы железа, полученные от матери, пополняются за счет утилизации гемоглобина при распаде «лишних» эритроцитов, содержащих фетальный гемоглобин. Неонатальное (материнское и эритроцитарное) железо расходуется на синтез гемоглобина, миоглобина, железосодержащих ферментов, необходимых для поддержания нормального обмена веществ и гомеостаза, а также на компенсацию естественных потерь (с калом, мочой, потом), регенерацию клеток кожи, слизистых оболочек и т. д.

В последующем источником железа для организма ребенка становится поступление его из пищевых продуктов, а также использование запасов, которые были созданы во время внутриутробного периода.

Хотя в женском молоке содержание железа незначительно (0,2-1,5 мг на 1 л молока), существуют специальные механизмы для его эффективного усвоения: до 50% его (0,25 мг) всасывается в кишечнике с помощью специального белка лактоферрина. Однако уже к 5-6 мес. у доношенного и к 3-4 мес. у недоношенного ребенка потребность в железе, составляющая 1 мг/сут, удовлетворяется за счет указанных источников только на 1/4. При этом искусственное вскармливание коровьим молоком, употребление сыра, яиц, чая, оксалатов, фосфатов замедляет всасывание железа.

В связи с высокой интенсивностью метаболических процессов в постнатальном периоде антенатальные запасы железа быстро истощаются: у недоношенных новорожденных к трехмесячному возрасту, а у доношенных к 5-6-му месяцу. При этом у недоношенных малышей депо используется быстрее, чем у доношенных, в виду очень интенсивного роста преждевременно рожденных детей. Развитию сидеропении, особенно у недоношенных, способствуют также низкая активность процессов реутилизации эндогенного железа и отсутствие полного покрытия физиологических потребностей в этом микроэлементе алиментарными факторами. Если профилактическая терапия сидеропении не проводится, то уже к 3-му месяцу жизни у недоношенных и к 5-6-му месяцу у доношенных детей, даже при естественном вскармливании, есть все предпосылки к развитию железодефицитной анемии.

Физиологическая потребность детей раннего возраста в железе складывается из необходимости:

– компенсировать текущие естественные потери железа с калом, мочой, потом и др.;

– расходовать железо для синтеза гемоглобина, мио­глобина, различных железосодержащих энзимов, обязательных для нормального обмена веществ и поддержания гомеостаза в условиях интенсивного анаболического метаболизма растущего детского организма;

– поддерживать резервы железа для продолжающегося развития и роста организма.

То есть естественная потребность в железе у детей не исчерпывается покрытием только физиологических его потерь, а направлена на поддержание положительного баланса железа и создание дополнительных метаболических его запасов.

Таким образом, к особенностями обмена железа у детей относят:
трансплацентарный транспорт железа – отсутствие железодефицита у плода;
• ежедневная физиологическая потребность в железе на 1-2-м году жизни составляет 0,7 мг/кг/сутки, в более старшем возрасте – 0,5-1,2 мг/сутки;
• железо в женском молоке содержится в составе белка лактоферрина, за счет которого обеспечивается усвоение в кишечнике ребенка 40-50% железа. Лактоферрин, кроме того, является неспецифическим фактором защиты. Насыщение лактоферрина ионами Fe3+ катализирует медьсодержащий белок молока лактокупреин;
• ни грудное, ни коровье молоко не может удовлетворить потребности в железе детей 1-го года жизни: полное истощение депо наступает на 5-6-м месяце;
• у недоношенных в периоде новорожденности не происходит реутилизации железа из разрушенных эритроцитов, что приводит к исчезновению депо уже ко 2-му месяцу жизни;
• содержание железа в организме составляет около 0,01%: у доношенного новорожденного – 300-400 мг, у взрослого 5-7 г;
• баланс железа у детей – положительный (у недоношенных – отрицательный), у взрослых мужчин – равновесный;
степень абсорбции(всасываемость) пищевого железа у детей выше, чем у взрослых. Однако при дефиците железа у детей раннего возраста, в отличие от взрослых, его всасывание не увеличивается, а уменьшается, т. к. для усвоения железа из молока требуются ферменты кишечника, в состав которых также входит железо.