Кіріспе
Адам организміндегі темір метаболизмі – жүйелік және жасушалық деңгейде темірге қатысты гомеостазды қамтамасыз ететін химиялық реакциялар жиынтығы. Темір организм үшін қажетті, бірақ сонымен бірге оны улануы мүмкін. Организмдегі темір деңгейін бақылау – адам денсаулығының және аурулардың көптеген жайттары үшін өте маңызды. Гематологтар жүйелік темір метаболизміне ерекше назар аударады, себебі темірдің көп бөлігі адам организміндегі қызыл қан жасушаларында жинақталған. Темір метаболизмін түсіну, темірдің артық болуынан туындайтын, мысалы, тұқым қуалайтын гемохроматоз, және темір тапшылығынан туындайтын, мысалы, темір тапшылығы анемиясы сияқты ауруларды түсіну үшін де маңызды.
Human iron metabolism is the set of chemical reactions that maintain human homeostasis of iron at the systemic and cellular level. Iron is both necessary to the body and potentially toxic. Controlling iron levels in the body is a critically important part of many aspects of human health and disease. Hematologists have been especially interested in systemic iron metabolism, because iron is essential for red blood cells, where most of the human body's iron is contained. Understanding iron metabolism is also important for understanding diseases of iron overload, such as hereditary hemochromatosis, and iron deficiency, such as iron deficiency anemia.
Темірді реттеудің маңызы
Темір – бактериялардан бастап сүтқоректілерге дейінгі тіршілік нысандарының көпшілігі үшін қажетті биоэлемент. Оның маңыздылығы электронды тасымалдауды (электрон алмасуды) жүзеге асыру қабілетінде. Темір(II) күйде (Fe2+) темір электрон доноры, ал темір(III) күйде (Fe3+) электрон қабылдағышы болып табылады. Осылайша, темір электронды тасымалдауға қатысқан (тотығу және тотықсыздану, тотығу-тотықсыздану) ферменттік реакциялардың катализінде маңызды рөл атқарады. Ақуыздар темірдің құрамында әртүрлі кофакторлардың бөлігі ретінде болуы мүмкін, мысалы, темір-күкірт кластерлері (Fe S) және гемалық топтар, олардың екеуі де митохондрияда құрастырылады.
Ұяшықтардың тыныс алуы
Адам жасушалары энергияны АТФ түрінде алу үшін, жасушалық тыныс алу деп аталатын көп қадамды процестен, әсіресе митохондриялық кристалардағы тотығу фосфорилирлеуден темірді қажет етеді. Темір электрон тасымалдау тізбегінің темір-күкірт кластерлері мен гемалық топтарында кездеседі, бұл протон градиентін тудырады, ол АТФ синтетазасына АТФ синтездеуге мүмкіндік береді (химиосмоз). Гемалық топтар гемоглобиннің құрамына кіреді, ол қан қызылшаларында табылса, өкпеден басқа тіндерге оттекті тасымалдауға қызмет етеді. Гемалық топтар сондай-ақ бұлшық жасушаларында оттекті сақтау және тарату үшін миоглобинде де кездеседі.
Қысқылтегін тасымалдау
Адам ағзасына оттегі тасымалдауы үшін темір қажет. Оттегі (O2) дерлік барлық жасуша түрлерінің жұмыс істеуі және тіршілік етуі үшін қажет. Оттегі өкпеден дененің қалған бөліктеріне қызыл қан жасушаларындағы гемоглобиннің гема тобымен байланысып тасымалданады. Бұлшықет жасушаларында темір миоглобинмен оттегіге байланысады, ол оның босатылуын реттейді.
Уыттылық
Темірдің де уытты әсері болуы мүмкін. Оның электрондарды беру және қабылдау қабілеті сутек пероксидінің еркін радикалдарға айналуын катализдей алады. Еркін радикалдар жасуша құрылымдарының көптеген түрлеріне зақым келтіріп, нәтижесінде жасушаның өліміне әкелуі мүмкін. Ақуыздарға немесе гема сияқты кофакторларға байланысқан темір қауіпсіз. Сонымен қатар, жасушада еркін темір иондары дерлік жоқ, себебі олар органикалық молекулалармен оңай кешендер құрайды. Дегенмен, жасуша ішіндегі темірдің бір бөлігі төмен байланысқан кешендерге байланысқан және лабильді темір немесе "еркін" темір деп аталады. Мұндай кешендегі темір жоғарыда сипатталғандай зақымдануға себеп болуы мүмкін. Мұндай зақымданудың алдын алу үшін темірді пайдаланатын барлық тірі организмдер темір атомдарын ақуыздарға байланыстырады. Бұл байланыс жасушаларға темірдің пайдасын алуға және оның зиянды әсерін шектеуге мүмкіндік береді. Бактериялардағы жасуша ішіндегі лабильді темірдің концентрациясы 10-20 микромолярды құрайды, бірақ анаэробтық ортада 10 есе жоғары болуы мүмкін, онда еркін радикалдар мен реактивті оттегі түрлері аз. Сүтқоректілердің жасушаларындағы жасуша ішіндегі лабильді темірдің концентрациясы әдетте 1 микромолярдан кем, бұл жасушалық темірдің 5 пайызынан аз. Бұл механизм қысқа мерзімді бактериялық инфекцияға тиімді жауап болғанымен, ол ұзаққа созылса, организмнің қызыл қан жасушаларын жасау үшін қажетті темірден айырылуына әкелуі мүмкін. Қабыну цитокиндері бауырдың темір метаболизмін реттейтін гепцидин өндірісін ынталандырады, бұл қолда бар темірдің мөлшерін азайтады. Егер гепцидин деңгейі бактериялық емес қабыну көздерінен, мысалы, вирустық инфекция, қатерлі ісік, аутоиммундық аурулар немесе басқа да созылмалы аурулар салдарынан артатын болса, онда созылмалы аурудың анемиясы дамуы мүмкін. Бұл жағдайда темірдің жетіспеуі гемоглобин құрамына кіретін қызыл қан жасушаларының жеткілікті мөлшерде өндірілуіне кедергі келтіреді. Оның шамамен 2,5 граммы қанда оттегі тасымалдауға қажетті гемоглобинде (әр мл қанға шамамен 0,5 мг темір), ал қалғаны (еңбекке жарамды ерлерде шамамен 2 грамм, бала тудыру жасындағы әйелдерде аздап кем) барлық жасушаларда кездесетін, бірақ сүйек миында, бауырда және көкбауырда жиі кездесетін ферритин кешендерінде сақталады. Ферритиннің бауырдағы қоры организмдегі темір қорының негізгі физиологиялық көзі болып табылады. Дамысқан елдерде темір қоры бала тудыру жасындағы балалар мен әйелдерде ерлер мен қарт адамдарға қарағанда төмендеу болады. Етеккір, жүктілік немесе бала емізу кезінде жоғалған темірді толықтыруға мұқтаж әйелдердің гемоглобин емес денедегі қоры төмендеуі мүмкін, ол 500 грам немесе одан да аз болуы мүмкін. Денедегі темірдің жалпы мөлшерінің шамамен 400 граммы маңызды жасушалық процестер үшін темірді пайдаланатын жасушалық ақуыздарға арналған, мысалы, оттегіні сақтау (миоглобин) немесе энергия өндіретін редокс реакцияларын жүзеге асыру (цитохромдар). Оның салыстырмалы түрде аз мөлшері (3-4 мг) трансферринмен байланысқан плазмада айналады. Уыттылығына байланысты еркін ерітілген темірдің денедегі концентрациясы төмен ұсталады. Темір тапшылығы алдымен денедегі темірдің сақталуына әсер етеді, ал осы қорлардың азаюы салыстырмалы түрде симптомсыз деп есептеледі, бірақ онымен байланысты белгісіз және ерекше емес белгілер де болуы мүмкін. Темірдің гемоглобин үшін бірінші кезекте қажеттілігіне байланысты, темір тапшылығы анемиясы темір тапшылығының негізгі клиникалық көрінісі болып табылады. Темір жетіспейтін адамдар жасушаларындағы электрондық тасымалдау сияқты жасуша ішіндегі процестерге қажетті темірден айырылғаннан кейін ағзаларының зақымдануынан немесе өлуінен зардап шегеді. Ретикулоэндотелиялық жүйенің макрофагтары гемоглобинді ыдыратып, өңдеу процесінің бір бөлігі ретінде темірді сақтайды. Темір сондай-ақ гемосидерин деп аталатын пигмент түрінде сақталады, бұл макрофагтарда артық темірдің болуына байланысты жергілікті немесе жүйелі түрде пайда болатын ақуыз бен темірдің дұрыс анықталмаған жиынтығы, мысалы, жиі қан жасушаларының жойылуынан және олардың жағдайына қажетті трансфузиялардан темірдің артық жүктемесі бар адамдарда. Егер жүйелік темірдің артық жүктемесі түзетілсе, уақыт өте келе гемосидерин макрофагтармен баяу сіңіріледі.
Темірді реттеу механизмдері
Адамның темір гомеостазы екі деңгейде реттеледі. Жүйелік темір деңгейі, ішек ішкі жағын қаптаған энтероциттер арқылы тамақтан алынған темірдің бақыланатын сіңуімен, сондай-ақ эпителий қабыршақтануынан, терлеуден, жарақаттардан және қан жоғалтудан болатын бақылаусыз темір жоғалтуымен теңдестіріледі. Бұған қоса, жүйелік темір үздіріліссіз қайта пайдаланылады. Жасушалық темір деңгейі әртүрлі жасуша түрлерінде, темірді реттейтін және тасымалдайтын нақты ақуыздардың экспрессиясына байланысты әртүрліше реттеледі.
Азық-түліктегі темірді қабылдау
Азық-түліктегі темірдің сіңірілуі өзгермелі және динамикалық процесс болып табылады. Ішетін темірге қарағанда сіңетін темір мөлшері әдетте аз, бірақ жағдайларға және темірдің түріне байланысты 5%-дан 35%-ға дейін болуы мүмкін. Темірдің сіңу тиімділігі көзіне байланысты әр түрлі болады. Жалпы алғанда, темірдің ең жақсы сіңетін түрлері жануарлар өнімдерінен келеді. Азық-түлікте темірдің темір тұзы түрінде сіңуі (көптеген қоспалардағыдай) дененің темірге деген қажеттілігіне байланысты біршама өзгереді және әдетте темірдің 10%-дан 20%-ға дейін болады. Жануарлар өнімдерінен және кейбір өсімдік өнімдерінен темірді сіңіру гема темір түрінде болады және тиімдірек, сіңіруді 15%-дан 35%-ға дейін жетуге мүмкіндік береді. Жануарларда гема темірі қаннан және ет пен митохондриядағы гема құрамындағы ақуыздардан алынады, ал өсімдіктерде гема темірі тыныс алу үшін оттегі пайдаланатын барлық жасушалардағы митохондрияда болады. Көптеген минералды қоректік заттар сияқты, сіңген тамақтан немесе қоспалардан сіңген темірдің көп бөлігі он екі елі ішекте он екі елі ішектің энтероциттері арқылы сіңіп кетеді. Бұл жасушаларда темірді денеге жеткізуге мүмкіндік беретін арнайы молекулалар бар. Сіңу үшін азық-түліктегі темір гема протеині сияқты ақуыздың бір бөлігі ретінде сіңірілуі мүмкін немесе темір оның темірлі Fe2+ түрінде болуы керек. Энтероциттердің қылқалам шекарасындағы фермент – темір редуктазасы, он екі елі цитохром B (Dcytb) темір Fe3+ - ті Fe2+ - ге дейін азайтады. Бірнеше екілік металдарды плазмалық мембрана арқылы тасымалдауға қабілетті 1 (DMT1) деп аталатын протеин, содан кейін темірді энтероциттің жасушалық мембранасы арқылы жасушаға тасымалдайды. Егер темір гемамен байланысса, оның орнына гема тасымалдаушы белок 1 (HCP1) арқылы апикальды мембрана арқылы тасымалданады. Кейін гема микросомальды гема оксигеназамен биливердинге катаболизделіп, Fe2+ бөлінеді. Осы ішек қабықшасы жасушалары темірді ферритин түрінде сақтай алады, бұл апоферритинге Fe2+ байланысу арқылы жүзеге асырылады (бұл жағдайда темір жасуша өлгенде денеден шығып, нәжіске айналады), немесе жасуша оны ағзаға сүтқоректілердегі жалғыз темір экспорттаушы ферропорттин арқылы шығарады. Fe2+ - ті Fe3+ - ге оксидтей алатын ферроксидаза, негізінен жұқа ішекте кездеседі, ферропорттин ішек жасушаларының базальтеральды шетінен темірді тасымалдауға көмектеседі. Қанға түскеннен кейін Fe3+ трансферринмен байланысып, тіндерге таралады. Керісінше, ферропорттинді 25 аминқышқылдық пептидті гормон гепцидин трансляциялық репрессиядан кейін жасайды. Дене осы қадамдардың әрқайсысын реттей отырып, темір деңгейін реттейді. Мысалы, энтероциттер темір жетіспеушілігі анемиясына жауап ретінде көбірек Dcytb, DMT1 және ферропорттинді синтездейді. Азық-түліктегі темірді сіңіру С витаминімен күшейеді, ал кальций, мырыш немесе марганецтің артық болуымен төмендейді. Адамның темірді сіңіру жылдамдығы әртүрлі факторларға байланысты болады, мысалы, темірдің жалпы қоры, сүйек миының жаңа қызыл қан клеткаларын қаншалықты көп өндіретіндігі, қандағы гемоглобиннің мөлшері және қандағы оттегі мөлшері. Организм қабыну кезінде бактерияларды темірден айыру үшін темірді аз сіңіреді. Соңғы зерттеулер ферропортиннің гепцидиндік реттелуі созылмалы аурудың анемия синдромына себепші екенін дәлелдеді.
Темірді қайта өңдеу және жоғалту
Денедегі темірдің көп бөлігі ретикулоэндотелиялық жүйе арқылы жинақталып, қайта пайдаланылады, ол ескірген қызыл қан жасушаларын ыдыратады. Темірді сіңіру және қайта пайдаланудан өзгеше, темірді шығару үшін физиологиялық реттеу механизмі жоқ. Адамдар аз, бірақ тұрақты мөлшерде асқазан-ішек жолынан қан жоғалту, терлеу және тері жасушаларын, сондай-ақ асқазан-ішек жолының шырышты қабығын жаңарту арқылы темірді жоғалтады. Дамыған елдердегі сау адамдардың күндік темір жоғалтуы шамамен ерлер үшін 1 мг, ал менструальді циклдары реттелген әйелдер үшін 1,5–2 мг құрайды. Дамушы елдерде жиі кездесетін асқазан-ішек паразиттік инфекцияларына шалдыққан адамдар көбірек темір жоғалтады.
Темір импорты
Көптеген жасушалар темірді негізінен рецептор арқылы жүретін эндоцитоз арқылы трансферрин рецепторы 1 (TFR1), трансферрин рецепторы 2 (TFR2) және GAPDH арқылы сіңіреді. TFR1 трансферринмен байланысқан темірге TFR2-ге қарағанда 30 есе жоғары сәйкес келеді және осы процесте басты рөл атқарады. Жоғары реттік, көп функциялы гликолиттік фермент глицеральдегид-3-фосфат дегидрогеназасы (GAPDH) де трансферрин рецепторы ретінде әрекет етеді. Трансферринге байланысқан темір бұл трансферрин рецепторларымен танылады, бұл конформациялық өзгеріске алып келеді, нәтижесінде эндоцитоз жүреді. Содан кейін темір эндосомадан цитоплазмаға DMT1 импортері арқылы өтеді, алдымен STEAP отбасылық редуктазасымен темір (II) күйіне дейін тотығып, түседі. Басқа жағдайда, темір DMT1 және ZIP14 (Zrt Irt сияқты 14 белок) сияқты плазмалық мембраналық дивалентті катион импортерлері арқылы тікелей жасушаға енуі мүмкін. Тағы да, темір цитоплазмаға темір (II) күйінде енеді, алдымен клеткадан тыс кеңістікте STEAP2, STEAP3 (қызыл қан жасушаларында), Dcytb (энтероциттерде) және SDR2 сияқты редуктазамен тотығып, түседі. ЭМТ имплантация сияқты физиологиялық процестерде маңызды рөл атқарады, онда ол ұрықтың эндометрийге енуіне мүмкіндік береді, бұл плацентаның бекітілуін жеңілдетеді, ал оның бұзылуы ісіктердің қатерлі таралуына себеп болып, оларды қоршаған тіндерге енуге және алыс метастаздарды құруға ықпал етеді. Бұл қоймада темір пептидтер, карбоксилаттар және фосфаттар сияқты төмен молекулалық салмақты қосылыстармен байланысқан деп есептеледі, бірақ кейбіреулері бос, гидратацияланған түрде (су иондары) болуы мүмкін. Атап айтқанда, поли(С) байланыстырушы белоктар PCBP1 және PCBP2 бос темірдің ферритинге (сақтау үшін) және гемалық емес темір ферменттеріне (катализ үшін) берілуін қамтамасыз етеді. Лабильді темір қоймасы темірдің реактивті оттегі түрлерін тудыру қабілетіне байланысты потенциалды түрде улы. Бұл қоймадан алынған темір митохондрияларға митоферрин арқылы сіңіріліп, Fe-S кластерлері мен гемалық топтарды синтездеуге қатысады. Дисфункционалды ферритин гемосидерин ретінде жиналуы мүмкін, бұл темірдің артық жүктелуі жағдайында проблема тудыруы мүмкін. Ферритинде сақталатын темір қоймасы лабильді темір қоймасынан әлдеқайда үлкен, концентрациясы 0,7 мМ-ден 3,6 мМ-ге дейін жетеді. Ол темірді жасушадан шығарады, көбінесе церулоплазмин және/немесе гефестин (көбінесе энтероциттерде) көмегімен, олар темірді темір (III) күйіне тотықтырады, осылайша ол жасушадан тыс ортада ферритинмен байланыса алады. Ферропорттиннің жасушалық темір экспортын жүзеге асыруға көмектесетін тағы бір фактор – GAPDH. GAPDH-ның посттрансляциялық түрленген изоформасы темірге толы жасушалардың бетіне тартылады, онда ол ферропортинге жақын жерде апотрансферринді тез келаттау үшін тартады. Гепцидиннің экспрессиясы, гепатоциттер сияқты белгілі бір жасушаларда ғана болатын, транскрипциялық деңгейде қатаң түрде бақыланады және гепцидиннің энтероциттерден организмнің қалған бөлігіне темірдің шығуының "қақпашысы" ретіндегі рөліне байланысты жасушалық және жүйелік темір гомеостазы арасындағы байланысты білдіреді.
Ұяшықтық темірдің трансляциялық бақылауы
Транскрипциялық деңгейде белгілі бір бақылау болғанымен, жасушалық темір деңгейін реттеу түпкілікті түрде трансляциялық деңгейде IRP1 және әсіресе IRP2 темірге жауап беретін элементтерді байланыстыратын ақуыздармен бақыланады. Темір деңгейі төмен болған кезде, бұл ақуыздар темірге жауап беретін элементтерге (IRE) байлана алады. IRE – мРНҚ-ның аударылмаған аймақтарындағы (UTR) сақина тәрізді құрылымдар. Қосымшалардан немесе сүт өнімдерінен алынған кальций, сондай-ақ шайдан алынған таниндер, бірақ осы үш зерттеуде де әсері шағын болды. Қымыз бен шайға қатысты зерттеулердің авторлары, әсері көбінесе темірдің көп бөлігі өсімдіктерден алынған кезде ғана байқалатынын атап өтті. Қышқылдықты азайтатын дәрілер: Бұл дәрілер тамақтан алынған темірдің сіңуін азайтады. Олар гастрит, асқазан-ішек рефлюксі және жара ауруларын емдеу үшін қолданылады. Протондық сорғы ингибиторлары (ПСИ), H2 антигистаминдері және антиацидтер темір метаболизмін төмендетеді. Ішек қабыршасының зақымдануы. Мұндай зақымданудың себептеріне он екі елі ішекті хирургиялық араласу немесе Крон ауруы немесе целиакия сияқты сіңіруге арналған беттік аумақты қатты азайтатын аурулар жатады. Helicobacter pylori инфекциясы да темірдің қолжетімділігін азайтады. Гепцидиннің әсерінен энтероциттерден темірдің босауы шектеледі (жоғарыда қараңыз). Бұл жүкті әйелдерде және дұрыс тамақтанудың жетіспеуінен жасөспірімдерде де жиі кездеседі. Жедел қан жоғалтуы немесе бауыр циррозы трансферриннің жетіспеушілігіне алып келеді, соның салдарынан темір организмнен шығарылады.
Темірдің артық жүктемесі
Организм ішек қабықшасы арқылы сіңіретін темір мөлшерін айтарлықтай азайта алады. Бірақ темір тасымалдау процесін толығымен тоқтатуға шамасы жетпейді. Сонымен қатар, артық темір ішек қабығының өзіне зақым келтіретін жағдайларда (мысалы, балалар ересектерге арналған темір таблеткаларын көп мөлшерде жегенде), одан да көп темір қан ағынына өтіп, темірдің артық жүктемесінен туындайтын, қауіпті синдромға әкелуі мүмкін. Қан айналымындағы еркін темірдің көп мөлшері бауыр, жүрек және басқа да метаболизмдік белсенді органдардың маңызды жасушаларына зақым келтіреді. Темірдің уыттануы, айналымдағы темірдің мөлшері оны байланыстыруға қолжетімді трансферриннің мөлшерінен асып кеткенде пайда болады, бірақ организм темірді сіңіруді қатаң түрде реттей алады. Сондықтан, тамақпен сіңген темірдің уыттануы көбінесе диетадағы өзгерістерге қарағанда, темір таблеткаларын тым көп тұтыну сияқты ерекше жағдайлардың салдары болып табылады. Темірді жұту арқылы туындайтын жедел уыттану асқазан-ішек жолының шырышты қабығына ауыр зақым келтіреді, басқа да проблемалармен қатар. Темірдің артық мөлшері ауру мен өлім-жітімнің жоғары деңгейімен байланысты. Мысалы, ферропортин экспрессиясы төмен (ішкі темірдің жоғары концентрациясына әкелетін) сүт безі қанайнасының пациенттері орташа есеппен аз өмір сүреді, ал ферропортин экспрессиясы жоғары пациенттерде 10 жылдық өмір сүру көрсеткіші 90% құрайды. Сол сияқты, темір тасымалдаушы гендердегі генетикалық өзгерістер, қан сарысуындағы темір деңгейін арттырады, сонымен қатар өмір сүру ұзақтығын және жақсы денсаулықпен өткізген жылдар санын қысқартады. Темір сіңіруді арттыратын мутациялар, мысалы, гемохроматозға себеп болатын (төменде қараңыз) неолит дәуірінде таңдалған, себебі олар темір тапшылығы анемиясына қарсы селективті артықшылық берді. Жүйелік темір деңгейінің артуы қарт жаста патологиялық болады, бұл антагонистік плейотропия немесе "гиперфункция" адамның қартаюына ықпал етеді деген пікірді қолдайды. немесе гепцидин (HAMP). Желілік артудың генетикалық ауруларының көп бөлігін құрайтын ересектердегі гемохроматоздың әртүрлі формаларының нақты механизмдері әлі де анықталған жоқ. Сондықтан, зерттеушілер ересектерде гемохроматоздың бірнеше түрін тудыратын генетикалық мутацияларды анықтауға қол жеткізсе, енді олар назарларын осы мутацияланған гендердің қалыпты функциясына аударуы керек.