人類鐵代謝
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鐵質(zhì)是人體必需的營養(yǎng)素，由于需要量以毫克（mg）計，故稱為微量礦物質(zhì)營養(yǎng)素。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，缺鐵[1]是目前世界上最普遍的營養(yǎng)缺乏問題，不僅盛行于開發(fā)中國家，也仍是已開發(fā)國家的公共衛(wèi)生問題。
目錄 |
缺鐵盛行率
嚴(yán)重缺鐵會導(dǎo)致貧血。世界各地區(qū)的缺鐵與缺鐵貧血盛行率[2]如下：
| 地區(qū) | 人口 (百萬) | 貧血人口 (百萬) | 貧血盛行率 (%) |
|---|---|---|---|
| 非洲 | 535 | 244 | 46 |
| 美洲 | 742 | 141 | 19 |
| 東南亞 | 1364 | 779 | 57 |
| 歐洲 | 860 | 84 | 10 |
| 地中海東部 | 408 | 184 | 45 |
| 西太平洋地區(qū) | 1574 | 598 | 38 |
| 全球 | 5491 | 2030 | 37 |
需要量和建議攝取量
鐵的需要量因性別而異。生育年齡女性因為月經(jīng)血造成大量鐵的流失，所以每日約需要1.4毫克；男性每日需要0.9毫克。由于各國的飲食組成不同，鐵的可用率差異很大，因此各國的建議攝取量不盡相同。
吸收與流失[3]
飲食中的鐵分為血基質(zhì)鐵和非血基質(zhì)鐵（nonheme iron）兩種。食物中的非血基質(zhì)鐵主要是三價鐵（Fe3+），在小腸細(xì)胞的刷狀緣(Brush border)上的鐵離子還原酶(ferric reductase)還原為二價亞鐵離子（Fe2+），然后在小腸前段（十二指腸）吸收，而空腸及回腸因堿性胰液注入，鐵的溶解度降低，所以吸收極少。含鐵較多的食物有：紅色肉類、動物內(nèi)臟、綠色蔬菜(如菠菜)、芝麻、蠔、蛤等。
小腸有三種負(fù)責(zé)吸收鐵的分子：
1.原紅素攜帶蛋白(Heme carrier protein 1): 主要在小腸前段，越往末端含量越少，負(fù)責(zé)吸收食物中的血基質(zhì)鐵。食物中的血紅素（hemoglobin）、肌紅素（myoglobin）在腸道中經(jīng)蛋白質(zhì)酶分解釋出血基質(zhì)鐵，經(jīng)由原血紅素攜帶蛋白進入小腸細(xì)胞后，會被酵素水解成無機鐵離子與吡喀紫質(zhì)（Protoporphyrin），無機鐵離子便可與其他蛋白質(zhì)結(jié)合進入循環(huán)。
2.DMT-1（Divalent Cation/Metal Transporter-1，也可稱DCT-1): 位于小腸的腸上皮細(xì)胞（Enterocyte）膜上，是小腸吸收鐵的運輸蛋白，由561個胺基酸組成，含有12個穿膜區(qū)。由于DMT-1只接受二價金屬離子，所以腸道內(nèi)游離的Fe3+須經(jīng)Dcytb (duodenal cytochrome b reductase)還原成Fe2+，才能夠被DMT-1運輸?shù)侥c上皮細(xì)胞內(nèi)。DMT-1不只對鐵有專一性，也對Zn2+、 Mn2+、 Cu2+、 Co2+、Ni2+有活性，甚至是對人體有毒的Pb2+和Cd2+，由于Zn2+和Fe2+使用同一種運輸?shù)鞍?，故在腸道內(nèi)兩者會競爭，影響鐵吸收。
3.穿膜蛋白(Intergrin): 在小腸絨毛細(xì)胞上的一種穿膜蛋白可與腸道內(nèi)游離的鐵離子結(jié)合而運送到絨毛細(xì)胞內(nèi)，然后鐵離子會被多種還原劑如：flavin-dependent ferrireductase、NADPH-dependent ferrireductase、維他命C(vitamin C)還原成亞鐵離子，再和多種配體(ligand)結(jié)合以增加其穩(wěn)定性，這些配體可能是胺基酸─組胺酸(histidine)或半胱胺酸(cysteine)─或蛋白質(zhì)結(jié)合。
飲食的鐵只有10~30%會被吸收。鐵易被吸收的因素有：血基質(zhì)鐵，缺鐵或在生長發(fā)育中的兒童、孕婦，維生素C與肉類；不利鐵吸收的因素有：非血基質(zhì)鐵，胃部切除導(dǎo)致胃酸缺乏或分泌量減少，腹瀉、粥樣瀉等消化道疾病、草酸（oxalate）、磷酸（phosphate）、及植酸（phytate）會與鐵形成不溶的鹽類、纖維素(cellulose)、、單寧(tannin)。所以攝取鐵時，應(yīng)注意食物搭配以增加吸收效率。
成人會因細(xì)胞脫落而流失鐵，每日經(jīng)尿液流失鐵0.1微克，消化道流失0.3~0.5毫克，汗液排失0.05~1.0毫克；生育年齡婦女因月經(jīng)流失的鐵量很多，平均每日超過0.5毫克。
儲存[4]
身體中鐵離子主要存在于肝臟、脾臟及骨髓之中。運鐵蛋白（transferrin）會將鐵離子送到肝臟，此處存有身體60％的鐵離子；剩下的40％則在肝臟、脾臟及骨髓的網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞（reticuloendothelial cell, RE）。大部分存在網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞的鐵離子，是紅血球胞噬作用，血紅素降解所產(chǎn)生。
主要在細(xì)胞中儲存鐵的是儲鐵蛋白。組織中的儲鐵蛋白會和血清中的儲鐵蛋白達成平衡，因此血清中的儲鐵蛋白為身體內(nèi)儲鐵量的指標(biāo)：每一毫升血清中含有1奈克的儲鐵蛋白等于身體中有10毫克的儲鐵量。正常成年人血清儲鐵蛋白的濃度應(yīng)超過12ng/ml（奈克/毫升）。然而其并非身體內(nèi)儲鐵量的有效指標(biāo)，因儲鐵蛋白本身是急性期蛋白（acute phase protein, APP），會因發(fā)炎反應(yīng)而上升，時間甚至持續(xù)數(shù)周。
鐵循環(huán)與恒定
雖然從飲食中攝取鐵對于維持體內(nèi)鐵含量很重要，但最主要的鐵供應(yīng)源，是身體中鐵離子的循環(huán)。
大部分藉運鐵蛋白輸送而進入細(xì)胞質(zhì)中的鐵離子是來自血紅素、儲鐵蛋白及血鐵質(zhì)的降解。主要發(fā)生在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的胞噬作用是血紅素，而存于儲鐵蛋白及血鐵質(zhì)的鐵則在肝臟、脾臟及骨髓中被降解。
簡單來說，老舊的紅血球會在脾臟中被巨噬細(xì)胞吞噬，而肝臟及骨髓中則分別由網(wǎng)狀內(nèi)皮巨噬細(xì)胞（reticuloendothelial cell macrophages）及庫佛式細(xì)胞所分解。在血紅素的降解過程中，血基質(zhì)會經(jīng)由血基質(zhì)氧化酶轉(zhuǎn)換成膽綠素再轉(zhuǎn)成膽紅素，而后分泌至膽汁中排出體外，使血基質(zhì)中的鐵離子恢復(fù)至游離態(tài)。血基質(zhì)的降解使每日約有20～25毫克的鐵離子可供使用。Ferroportin是另一種促進小腸吸收鐵質(zhì)的蛋白質(zhì)，它會使鐵離子離開巨噬細(xì)胞，使鐵質(zhì)可被重復(fù)利用。
雖然大部分的紅血球是在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中被分解，但仍有約10％的分解是發(fā)生在血液中。反應(yīng)后形成含鐵的化合物則被送到肝臟中，繼續(xù)進行分解以利鐵的循環(huán)利用。
為什么需要與鐵結(jié)合的蛋白質(zhì)
鐵是具有高氧化力的元素，舉例來說，游離的二價鐵離子會與過氧化氫作用，形成氫氧離子(hydroxyl radical OH-)。氫氧離子有很高的活性，會傷害細(xì)胞。因此我們需要運鐵蛋白、儲鐵蛋白等等蛋白質(zhì)來穩(wěn)定鐵離子。此外，人體中的如果有細(xì)菌感染，這些細(xì)菌會利用游離的鐵離子，而生長、增殖。因此把鐵與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起可以確保，沒有細(xì)菌可以利用鐵，具有免疫上的重要意義。
運送與利用[5]
吸收之鐵與血漿中的運鐵蛋白攜帶輸送到造血組織與全身細(xì)胞。每分子運鐵蛋白可以攜帶兩個三價鐵離子。健康者的運鐵蛋白大約有30~40%為與鐵結(jié)合，其余60~70%則未攜鐵，可以接受任何來源的鐵質(zhì)。 血漿中可供利用的鐵有三種來源：
- 由腸道吸收的飲食中的鐵質(zhì)，每日約有0.5~2.0毫克；
- 身體內(nèi)儲存的鐵質(zhì)；
- 老化紅血球在脾臟網(wǎng)狀內(nèi)皮細(xì)胞分解而回收之鐵，此來源供應(yīng)最多，每日約有20~25毫克。
約1公克的鐵平均分配到身體每個細(xì)胞，作為酵素與含鐵蛋白的構(gòu)成分。超過需求之鐵會儲存在肝臟、脾臟及骨髓。男性儲存鐵量約0.5~1.5公克，女性儲存鐵量通常較低約0.3~1.0公克。細(xì)胞中儲存鐵的蛋白質(zhì)是鐵蛋白與血鐵質(zhì)；血鐵質(zhì)含鐵達35%，但較不易釋出利用。
細(xì)胞攝鐵與恒定機制
鐵營養(yǎng)在體內(nèi)的運輸需要靠運鐵蛋白，但必須要從二價離子氧化成三價才能與運鐵蛋白結(jié)合。在人體內(nèi)，由兩種蛋白質(zhì)完成這件工作，分別是在小腸細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的希菲斯特蛋白Hephaestin( Hephaestus是希臘火神的名字 )，與全身都有的血漿銅藍蛋白。
運鐵蛋白與三價鐵離子的結(jié)合力非常高(1023 M-1 在 pH 7.4下)，但當(dāng)酸堿值(pH值)下降時，親和力就會降低。因此當(dāng)帶有兩個鐵離子的運鐵蛋白(又稱飽和運鐵蛋白)與細(xì)胞膜上之運鐵蛋白受器結(jié)合后，細(xì)胞膜形成囊泡以胞飲作用送到細(xì)胞質(zhì)中，囊泡膜上氫離子幫浦會以主動運輸將氫離子輸入，使泡內(nèi)pH值降到5.5，以利鐵離子脫離運鐵蛋白。再經(jīng)由囊泡膜上的DMT1運輸?shù)鞍着c鐵離子運輸刺激因子中以供利用。
細(xì)胞上運鐵蛋白受器及其內(nèi)儲鐵蛋白的數(shù)量，會受細(xì)胞內(nèi)含鐵量的調(diào)控。當(dāng)鐵含量減少時，運鐵蛋白受器的數(shù)量增多，自細(xì)胞外運入更多的鐵離子；同時儲鐵蛋白的數(shù)量降低，減少細(xì)胞內(nèi)鐵的儲存。
含鐵量需透過鐵反應(yīng)蛋白中烏頭酸酶的活性；但當(dāng)含鐵量低時，鐵反應(yīng)蛋白便會和鐵反應(yīng)單位，當(dāng)與鐵反應(yīng)蛋白結(jié)合后，會使帶有這段序列的mRNA更容易或更不易轉(zhuǎn)譯出蛋白質(zhì)。在運鐵蛋白受器的mRNA，及儲鐵蛋白mRNA的5'端未轉(zhuǎn)譯區(qū)(5'-untranslated region, 5'-UTR)上，均具有鐵反應(yīng)單位。當(dāng)鐵反應(yīng)蛋白與運鐵蛋白受體mRNA上的鐵反應(yīng)單位結(jié)合后，可穩(wěn)定這段mRNA，使其可轉(zhuǎn)譯出更多的運鐵蛋白受器；然而若鐵反應(yīng)蛋白與儲鐵蛋白mRNA上的鐵反應(yīng)單位結(jié)合，則會抑制這段mRNA表現(xiàn)而減少儲鐵蛋白的轉(zhuǎn)譯。這種經(jīng)由影響mRNA的穩(wěn)定性，以控制蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)譯量多寡的方式，稱為后轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)(Post-transcriptional regulation)，即調(diào)節(jié)在mRNA轉(zhuǎn)錄后進行。細(xì)胞借由這種方式，便得以根據(jù)其內(nèi)鐵含量的多寡，調(diào)控相關(guān)蛋白質(zhì)的表現(xiàn)以符合所需。
生化功能與含鐵蛋白質(zhì)
血紅素
血紅素（hemoglobin）由4個原血紅素(heme）和4條多肽鏈（polypeptide）組成，存在紅血球中，負(fù)責(zé)攜帶血液中98.5%的氧氣。鐵存在原血紅素的中央，負(fù)責(zé)與氧分子結(jié)合。血紅素是每一條多肽鏈和一個原血紅素分子相連。原血紅素是含鐵的吡喀紫質(zhì)衍生物。吡喀紫質(zhì)是環(huán)狀化合物，由四個乙甲基橋（methenyl bridge，—CH—）連接的吡咯環(huán)（pyrrole ring）所組成。鐵與每個吡咯環(huán)上的氮原子形成鍵結(jié)之外，還有兩個配位鍵，一個與蛋白質(zhì)中組胺酸的氮原子鍵結(jié)，另一個與氧分子結(jié)合。血紅素與氧的親合力受血中氧分壓與pH值之影響，氧壓高時親合力大，故在肺部與氧結(jié)合；氧壓小時親合力小，故可在組織釋出氧以供利用。
肌紅素
肌紅素的組成與血紅素（hemoglobin）類似，不過只含一條肽鏈與一個原血紅素。存在肌肉細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，可以加速氧分子擴散到肌肉細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞質(zhì)與粒線體的速率。
細(xì)胞色素
細(xì)胞色素是以原血紅素為輔基的酵素，催化氧化還原反應(yīng)。電子傳遞鏈中有細(xì)胞色素b和細(xì)胞色素c，負(fù)責(zé)傳遞單個電子，利用鐵的氧化態(tài)改變，接受并釋出電子，使氧分子還原成水。其他細(xì)胞色素還有細(xì)胞色素b5、細(xì)胞色素P450家族等。
鐵硫蛋白
鐵硫蛋白以鐵硫聚基為輔基，催化氧化還原反應(yīng)，也參與電子傳遞。電子傳遞煉中的鐵硫蛋白有：NADH脫氫酶、琥珀酸脫氫酶、輔酶Q-細(xì)胞色素c還原酶，或稱細(xì)胞色素復(fù)合物bc1，cytochrome bc1 complex，或復(fù)合體III）。在這些酵素中，鐵都扮演著攜帶氧氣和轉(zhuǎn)移電子的角色。
血鐵質(zhì)
血鐵質(zhì)( hemosiderin )是另外一種儲存鐵的蛋白質(zhì)。血鐵質(zhì)被認(rèn)為是儲鐵蛋白被分解后的最終產(chǎn)物：隨著時間，儲鐵蛋白會聚集在一起，最后被溶小體胞噬而分解。血鐵質(zhì)由不定形且變性的的蛋白質(zhì)與脂質(zhì)所組成，其中散布著氧化的鐵分子。在累積過多鐵離子的細(xì)胞中，溶小體所累積的大量血鐵質(zhì)可被普魯士藍染色所觀察到。盡管這是鐵細(xì)胞儲存的最終階段，其仍能與可溶的鐵離子平衡，最高血鐵質(zhì)可以含50%的鐵于其中，惟其釋出速度，較儲鐵蛋白慢。
缺乏與過量
缺鐵性貧血
缺鐵性貧血是最為人熟知的鐵缺乏癥，由于血紅素濃度降低，而且紅血球細(xì)胞體積變小且形狀不規(guī)則，又稱為低色素小球性貧血。癥狀包括：面色蒼白、胃口不佳、頭暈、疲倦、畏寒等。貧血發(fā)生時，表示缺鐵已經(jīng)有一段時間了，必須由醫(yī)生開立高劑量之鐵補充劑予以治療。缺鐵風(fēng)險高的族群主要是生育年齡婦女、孕婦、嬰幼兒、青春期少年。預(yù)防貧血應(yīng)該攝取含鐵豐富的食物。貧血的標(biāo)準(zhǔn)通常采用世界衛(wèi)生組織的建議：
| 年齡性別 | 血紅素濃度(g/100 ml)) |
| 兒童0.5歲到6歲 | 11 |
| 兒童6-14歲 | 12 |
| 成年男性 | 13 |
| 成年女性 | 12 |
| 成年孕婦 | 11 |
血鐵沉積癥
血鐵沉積癥是一種遺傳性疾病，白人的發(fā)生率約每300-400人有一位，亞洲人則很少。患者的小腸鐵吸收調(diào)節(jié)異常，鐵吸收率比一般人高，隨著年紀(jì)增長，體內(nèi)鐵會快速累積在肝臟、骨髓、胰臟等組織。早期病征類似風(fēng)濕，嚴(yán)重后傷及組織而有多種并發(fā)癥，包括肝臟纖維化、硬化、甚至肝癌，胰臟無法分泌胰島素而成糖尿病。目前仍缺乏預(yù)防性的篩檢方法，治療方式為定期放血及服藥排鐵。
參考文獻
- ↑ http://www.who.int/nutrition/topics/ida/en/index.html
- ↑ http://www.who.int/vmnis/anaemia/prevalence/anaemia_data_status_prevalence/en/index.html
- ↑ 蕭寧馨（2006）《食品營養(yǎng)概論》，時新出版有限公司，ISBN 957-29424-0-9 。
- ↑ Advanced Nutrition And Human Metabolism, 5th ed. Gropper, Smith, Groff
- ↑ Gropper SS, Groff JL, et al. （2005）Advanced Nutrition and Human Metabolism, 4th ed., pp. 419-436. Wardswirth, ISBN 0-534-55986-7
外部連結(jié)
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