Железо

Железо (лат. – Ferrum, Fe) относят к биогенным микроэлементам. Это значит, что в организме оно содержится в относительно небольшом количестве. Тем не менее, без него протекание жизненно-важных процессов невозможно. Этот металл входит в состав гемоглобина крови. Кроме того, оно регулирует функцию многих других органов и тканей.

История открытия

Железо – один из немногих металлов, известных человечеству издревле. Возможно, первое с которым столкнулись наши далекие предки, было неземного происхождения. Ведь железные метеориты – не редкость, и места их падения располагаются практически повсеместно.

Человек по достоинству оценил прочность и пластичность найденного металла. Но по мере развития цивилизации его явно не хватало. И наши предки научились разрабатывать железные руды, и извлекать из них металл.

В результате на смену бронзовому веку пришел железный. Из него начали изготавливать орудия труда, оружие. Это нашло свое отображение даже в античной мифологии. Согласно тогдашним представлениям, покровителем железа был бог войны Марс, и одноименная красная планета обеспечивала его образование в земной коре.

В течение последующих столетий способы добычи и обработки металла лишь совершенствовались. Была разработана технология изготовления сплавов углерода с железом (чугуна, стали), а также сплавов с другими металлами (ферросплавов), отличающимися повышенной прочностью и устойчивостью к коррозии.

Свойства

Fe в периодической системе элементов Менделеева располагается в VIII группе IV периода, и значится под №26.

Его атомная масса составляет 56. Внешне это серебристо-белый металл. Он легко поддается различным способам обработки: ковке, резке, прокатке, шлифованию. А еще оно обладает магнитными свойствами.

Металл довольно тяжел, его плотность составляет 7,87г/см3. Температуры плавления и кипения высоки, и составляют 1538,85⁰С, и 2861⁰С соответственно.

Примечательно, что нагревание до высоких температур сопровождается изменением кристаллической структуры железа, его магнетизма, и прочих свойств. В нормальных условиях оно обладает переменной валентностью, которая составляет II или III, но может повышаться до VI.

Металл обладает высокой реакционной способностью, и легко вступает во взаимодействие с другими соединениями, в частности, с кислородом, образуя с ним окиси. Данные окиси – это не что иное как ржавчина. Она покрывает металл, но из-за своей рыхлости не предотвращает его дальнейшую коррозию. Однако, если нагреть металл до высоких температур, он покрывается плотной защитной оксидной пленкой.

В чистом кислороде оно горит. Помимо кислорода металл реагирует с галогенами, некоторыми сильными кислотами, образуя соли. Чистого железа в природе мало, и, как правило, оно метеоритного происхождения. В основном металл представлен соединениями. Многие железосодержащие соединения имеют характерный желтый, красный или коричневый окрас.

Содержание его в земной коре составляет около 4,45% от его массы. Таким образом, по распространенности оно занимает четвертое место среди всех элементов, и второе среди металлов, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. Находящееся в земном ядре железо формирует магнитные полюса Земли.

Но оно присутствует не только в неорганической материи. Это важнейший элемент всего живого мира. У млекопитающих и представителей других классов животных железо включено в состав гемоглобина эритроцитов.

Растения используют его для образования зеленого хлорофилла, необходимого для фотосинтеза. А морской и океанический планктон потребляет ежегодно до полумиллиарда тонн железа – примерно столько, сколько его выплавляют все металлургические заводы планеты в течение года.

Физиологическое значение

Оно входит в состав гема, и этим в значительной степени обусловлена его биологическая ценность. Гем – это небелковый компонент, или простетическая группа комплексных белковых соединений, гемопротеинов. Представлен гем порфирином, соединением со сложной пространственной структурой, и ионом двухвалентного железа, Fe (II).

Гемоглобин эритроцитов представляет собой комплекс гема и высокомолекулярного плазменного белка глобина. Общеизвестна способность гемоглобина транспортировать кислород к тканям, и углекислоту в обратном направлении. И эта способность возможна только благодаря наличию железа.

Железо, входящее в состав гемоглобина, по принципу обратной связи стимулирует образование эритропоэтина, соединения класса гликопротеидов, печенью и почками. Эритропоэтин, в свою очередь, обеспечивает образование эритроцитов из их предшественников, ретикулоцитов, находящихся в красном костном мозге.

Еще один гемопротеин – миоглобин. Функция этого мышечного белка сходна с таковой гемоглобина. Миоглобин обеспечивает кислородом мышечную ткань. Со стороны скелетных мышц это сопровождается повышением физической выносливости. Мышцы становятся менее чувствительными к гипоксии (дефициту кислорода).

Аналогично действует миоглобин в сердечной мышце. Благодаря этому железосодержащему белку миокард сокращается с большей силой, и сердце лучше справляется со своей насосной функцией. Это дополнительно улучшает кровоснабжение тканей.

Есть еще один фактор, улучшающий тканевое дыхание. Оно входит в состав цитохромов. Эти гемопротеины наряду с другими соединениями участвуют в серии окислительно-восстановительных процессов, образно именуемых дыхательной цепью. В ходе этих процессов при участии кислорода происходит утилизация глюкозы и жирных кислот с образованием АТФ.

Все железо, входящее в состав гемопротеинов, называют гемовым. Наш организм включает и негемовое, которое входит в состав различных ферментов, и также участвует в различных физиологических процессах.

Заметно позитивное влияние на центральную нервную систему (ЦНС). До определенного времени полагали, что это влияние связано с улучшением доставки кислорода. Однако впоследствии выяснили, что оно непосредственно влияет на мозговые структуры.

Этот металл повышает чувствительность нейронов к медиатору допамину. Кроме того, железо включено в состав миелиновой оболочки, обеспечивающей полноценное проведение импульсов по нейронам.

В итоге под влиянием Ау повышается интеллект, улучшается способность к восприятию, обработке и запоминанию новой информации. Все эти функции головного мозга именуют когнитивными. Металл позитивно влияет и на эмоционально-волевую сферу: улучшается настроение, появляется вера в собственные силы.

Оно является естественным иммуностимулятором. Под его действием усиливается продукция нейтрофильных лейкоцитов, лимфоцитов, которые формируют клеточный иммунитет. А еще оно способствует образованию белков интерферонов, которые формируют противовирусную защиту.

По имеющимся данным оно нормализует холестериновый обмен, препятствует образованию низкоплотного холестерина, и тем самым предотвращает развитие атеросклеротических бляшек. Данный микроэлемент оптимизирует гормонпродуцирующую функцию щитовидной железы. Он влияет на метаболизм углеводов, и снижает вероятность развития сахарного диабета.

Также участвует во многих окислительно-восстановительных реакциях, и косвенно выполняет терморегуляционную функцию, способствует поддержанию температуры тела в физиологических рамках.

Кроме того, оно помогает печени обезвредить токсические соединения, и затем вывести их с желчью. Входит в состав ферментов, обеспечивающих синтез ДНК, и тем самым способствует передаче генетической информации от клетки к клетке.

Данное вещество позитивно влияет на состояние кожи и ее придатков, ногтей и волос. Особо важную роль железо играет во время беременности. Это состояние требует полноценной доставки кислорода от матери к плоду. К тому же роды, даже нормальные, физиологические, сопровождаются потерей определенного объема крови.

Поэтому количество гемоглобина при беременности увеличивается. Кроме того, Fe обеспечивает дифференцировку и рост тканей, формирование органов у плода.

Метаболизм

Всасывание его осуществляется в начальных отделах тонкого кишечника, в 12-перстной и тощей кишке. Хотя при некоторыхсостояниях, например, при дефиците поступления Fe с пищей, всасывание может осуществляться и нижележащими отделами кишечника. До недавнего времени ученые-физиологи придерживались точки зрения, что процесс всасывания зависит от секреции желудочного сока.

Действительно кислая желудочная среда способствует переходу трехвалентного железа, Fe (III) в двухвалентное, Fe (II). В этом виде оно лучше всасывается. Однако согласно мнению других ученых всасываемость Fe(II) очень низкая. По всей видимости, валентность – далеко не главный фактор, влияющий на метаболизм данного микроэлемента.

Всасывание и дальнейшее перераспределение зависит от того, какое оно, гемовое или негемовое. А это, в свою очередь, зависит от вида пищевых продуктов. Гемовое железо включено в состав животных продуктов – красного мяса, рыбы и мясных субпродуктов (печени, почек, сердца).

Усваиваемость гемового железа практически не зависит от желудочной секреции и от других компонентов пищи. Поэтому всасываемость этой разновидности составляет 20-30%. Особенно хорошо всасывается из мяса, из рыбы – хуже, и еще хуже из печени. Это обусловлено тем, что в печени оно связано с белками гемосидерином и ферритином.

В плане усваиваемости примечательно грудное молоко. Здесь содержание его минимально, зато всасываемость составляет 70%. К тому же грудное молоко улучшает его усваивание из других пищевых продуктов.

Источники негемового железа – растительные продукты, и всасывается оно хуже. Причем здесь фактор валентности играет определенную роль. Дело в том, что негемовое Fe в продуктах питания присутствует как в двухвалентной, так и в трехвалентной форме. Более удобной для всасывания является двухвалентная форма. Трансформация Fe(III) в Fe(II) осуществляется под действием ряда пищеварительных ферментов и других компонентов пищи.

Наличие в продуктах питания фитиновой кислоты, фосфатов, оксалатов, танина ухудшает всасывание железа. Fe(III) образует с ними нерастворимые соли, которые удаляются через кишечник. Панкреатические соки тоже ухудшают всасывание Fe. Поэтому у пациентов с заболеваниями поджелудочной железы всасывание Fe может быть усилено.

Кальций крайне негативно сказывается на его всасывании, как гемового, так и негемового. Другие минералы, в частности, медь, цинк, молибден, кобальт, напротив, способствуют всасыванию. То же самое касается вит. С и группы В, серы, фруктозы, сорбита, пировиноградной и янтарной кислот.

А вообще, при среднем потреблении 5-10 мг железа в сутки всасывается не более 1-2 мг. И в этом есть некий смысл – организм выработал физиологические механизмы, препятствующие избыточному насыщению этим микроэлементом. Прежде, чем проникнуть в кровь, оно поступает в энтероциты, клетки слизистой оболочки тонкого кишечника.

Скорость поступления из энтероцитов в кровь может быть различной. Чем больше потребность организма в железе (анемия, кровопотеря, беременность, период бурного роста), тем оно всасывается быстрее. Однако если потребность снижается, скорость всасывания замедляется. Невсосавшееся железо скапливается в энтероцитах, и затем удаляется через кишечник по мере их слущивания.

Следует заметить, что само по себе железо очень токсично, и вызывает свободнорадикальное окисление. Однако в плазме крови оно в трехвалентной форме связывается с белками-переносчиками трансферринами, и теряет свою токсичность. Эти белки-переносчики вырабатываются печенью.

В комплексе с трансферринами железо транспортируется по органам и тканям. В тканях оно освобождается, и трансферрины возвращаются в плазму. В митохондриях клеток красного костного мозга осуществляется синтез гема. В составе гемоглобина железо двухвалентное. Сам по себе гемоглобин также токсичен, но в эритроцитах он тоже теряет свою токсичность.

Время жизни эритроцитов составляет около 3-4 мес. По истечению этого срока наступает их разрушение, гемолиз. Этот процесс осуществляется в селезенке, которую образно называют кладбищем эритроцитов. При гемолизе эритроцитов и разрушении гемоглобина образуется железосодержащий белок гемосидерин.

Этот белок выступает в роли естественного депо железа – из него Fe расходуется на различные нужды, в т.ч. и на синтез нового гемоглобина. Оно в составе гемосидерина депонируется в печени и в селезенке.

Гемосидерин является составной частью другого белка, ферритина, который тоже депонирует его. Этот белок содержится практически во всех клетках тканей. Больше всего в клетках костного мозга и в тканевых макрофагах. На долю ферритина приходится большее количество железа, чем на долю гемосидерина.

Удаление железа осуществляется с биологическими жидкостями (кровь, моча, слюна, пот), а также со слущившимися клетками кишечника, с калом. Количество ежедневно теряемого Fe невелико, и в норме равно количеству поступившего микроэлемента. Этому способствуют саморегулирующиеся процессы всасывания в кишечнике.

У женщин отмечается увеличение потери Fe с менструациями. У детей и у подростков высокая потребность связана с ростом организма. Поэтому у них поступление железа в норме должно превышать его выведение.

Содержание в организме и суточная потребность

В организме взрослого человека содержится 3-4 г железа. Из этого количества около 60% приходится на Fe гемоглобина эритроцитов. Еще 9% располагается в другом белке, миоглобине мышц. Примерно 30% приходится на ферритин, белок, выполняющий функцию внутриклеточного депо железа. Некоторое количество Fe депонируется в гемосидерине.

Следует заметить, что количество депонированного – величина непостоянная, и зависит от поступившего и израсходованного микроэлемента. И лишь 1% приходится на железосодержащие ферменты.

Распределение железа в организме выглядит так:

Категория	Концентрация, мг/кг
	Мужчины	Женщины
Всего	40	50
Гемоглобин	4	5
Миоглобин	4	8
Ферменты	2	2
Ферритин	4	8
Гемосидерин	2	4

 

Суточная потребность в железе зависит от пола и от возраста

Категория	Содержание, мг/100 г
Младенцы до 6 мес.	0-3
Младенцы 7-12 мес.	11
Дети 1-3 лет	7
Дети 3-13 лет	8-10
Подростки-мальчики	11
Подростки-девочки	15
Взрослые мужчины	8-10
Взрослые женщины до 50 лет	15-18
Взрослые женщины старше 50 лет	8-10
Беременные	25-27

 

Нетрудно заметить, что у девушек и у молодых женщин потребность в железе существенно выше, чем у мужчин. Это обусловлено потерей металла вместе с кровью во время менструаций. Потребность возрастает во время вынашивания у плода, а также в период роста и полового созревания у детей и у подростков.

В каких продукты содержится

Все минералы являются для нас незаменимыми, и железо – не исключение. Обеспечить потребность в Fe мы можем только с пищей. В качестве источников могут выступать как растительные, так и животные продукты.

Содержание железа в 100 г продуктов:

Продукт	Содержание, мг/100 г
Подсолнечная халва	33,2
Печень свиная	29,7
Печень говяжья	9
Почки говяжьи	7
Говядина	2,8
Баранина	3,1
Курица	1,5
Язык говяжий	5
Яблоки сушеные	15
Груши сушеные	13
Курага	12
Яичный желток	5,8
Мидии	6,8
Устрицы	6
Сельдь	1
Крупа овсяная	4.3
Крупа пшеничная	3,9
Крупа манная	1,6
Мука гречневая	3,2
Чернослив	13
Шиповник	11
Черная смородина	2,1
Слива	2,1
Абрикос	2,6
Малина	1,5
Картофель	1,2

 

Следует заметить, что оно в растительной и в животной пище существенно различается по своим свойствам. Гемовое железо животных продуктов лучше всасывается. К тому же оно термоустойчиво, т.е., не разрушается при кулинарной обработке продуктов. А еще гемовое облегчает всасывание негемового из растительных продуктов.

А вот негемовое термолабильно, т.е., разрушается при термической обработке. Поэтому желательно употреблять растительные продукты сырыми, разумеется, если это возможно. На всасывание гемового железа оно не оказывает никакого влияния, но само в немалой степени зависит от других пищевых ингредиентов.

Молоко, творог, и другие продукты, богатые кальцием, значительно ухудшают его всасывание. Зато витамины группы В, С, некоторые органические кислоты и серосодержащие соединения действуют с точностью до наоборот. Поэтому отвар шиповника, травяные приправы, капуста, зелень, лук и чеснок – все это способствует усваиванию из пищевых продуктов.

Бобовые, зерновые, орехи также содержат ингредиенты, способствующие усваиванию железа. Правда, здесь есть один нюанс. Эти продукты богаты фитиновой кислотой, которая с Fe (III) образует нерастворимые комплекс. Разумеется, обычный прием зерновых каш, хлеба, орехов не приведет к дефициту.

К тому же некоторая часть фитиновой кислоты в кишечнике разрушается ферментом фитиназой. Однако прием этих продуктов в больших количествах, их неправильное приготовление в сочетании с недостатком фитиназы при хронических кишечных заболеваниях с большой вероятностью приведет к дефициту этого микроэлемента.

Чай, кофе, хурма, виноград, и другие продукты, богатые дубильными веществами-танинами, также затрудняют всасывание. Алкоголь наоборот, ускоряет усваивание Fe.

Причины и признаки дефицита

Негативные изменения развиваются при суточном поступлении Fe менее 1 г. Типичное проявление дефицита железа – гипохромная анемия (малокровие, обусловленное низким уровнем гемоглобина).

А одна из основных причин железодефицитных гипохромных анемий – это кровопотеря (геморрагия), которая может быть острой и хронической. Острая кровопотеря – это следствие травм и оперативных вмешательств. Причины хронической кровопотери различны.

У женщин – это гинекологическая патология, сопровождающаяся обильными менструациями (меноррагиями) и кровотечениями в межменструальный период (метроррагиями). Беременность тоже предрасполагает к железодефициту. Считается, что на весь период вынашивания плода необходимо 1000 мг Fe. Особенно возрастает потребность в этом микроэлементе в III триместре.

Соответственно, в данный период возрастает риск анемии. Природа предусмотрела эту опасность, и в период вынашивания плода отмечается максимальная всасываемость железа. Но для этого нужно, чтобы микроэлемент поступал в достаточном количестве с пищей. В противном случае малокровие неизбежно.

Положение усугубляется последующими родами, сопровождающимися потерей крови. Объем теряемой крови при патологических родах может достигнуть шоковых значений (геморрагический шок), и принять угрожающий жизни характер.

Хроническая кровопотеря может быть обусловлена кровотечением из различных отделов ЖКТ (желудочно-кишечного тракта). Среди конкретных причин: кровоточащие язвенные дефекты желудка и кишечника, кровотечение при геморрое. Примечательно, что неполноценное лечение геморрагических состояний может усугубить анемию.

Например, если восполнять кровопотерю одними лишь растворами для внутривенных вливаний, снижается концентрация эритроцитов и гемоглобина в плазме крови. Ситуацию можно исправить гемотрансфузиями, переливаниями цельной донорской крови или эритроцитарной массы.

Хронические заболевания ЖКТ часто приводят к анемии, даже если они и не сопровождаются кровотечениями. Из-за воспалительных изменений ухудшается всасывательная способность слизистой оболочки тонкого кишечника. Гипоацидный атрофический гастрит, сопровождающийся сниженной кислотностью желудочного сока, тоже может сопровождаться анемией, хотя это отмечается и не всегда.

Риск анемий возрастает, если атрофический гастрит протекает на фоне инфекционных процессов, глистных инвазий. Хотя инфекции и гельминтозы сами по себе приводят к анемии.

Некоторые хронические интоксикации (лекарства, отравление солями тяжелых металлов, алкоголизм) также предрасполагают к железодефициту.

В последние годы возрастает роль пищевого фактора в развитии железодефицитных анемий. Уменьшение потребления натуральной пищи, богатой железом, особенно животного происхождение, вегетарианство, прием продуктов с синтетическими добавками – все это сопровождается недостаточным поступлением микроэлемента.

Достоверным критерием железодефицитных анемий являются изменения лабораторных показателей т.н. красной крови: снижение количества эритроцитов и гемоглобина, низкий гематокрит (соотношение объема форменных элементов к общему объему крови).

Правда, изменения красной крови отмечаются далеко не всегда. В начальных стадиях анемия носит скрытый, латентный, характер, и до определенного времени сопровождается нормальными величинами стандартных показателей.

Но уже на этой стадии появляются симптомы общей слабости, быстрой утомляемости. Ухудшается запоминание новой информации, появляется забывчивость, становится труднее подбирать слова и формулировать мысли.

Эти симптомы неспецифичны. И, поскольку общеклинические анализы крови нормальные, им находят другие объяснения. Диагностировать латентную анемию можно на основании снижения некоторых показателей: количества ферритина и трансферрина в сыворотке крови, и насыщения трансферрина железом. Но эти анализы сложные, дорогостоящие, и проводятся лишь в крупных диагностических центрах.

Когда анемия становится не латентной, а явной, то наряду с изменениями показателей красной крови появляются следующие признаки:

• бледность кожных покровов и видимых слизистых оболочек
• акроцианоз, синюшность периферических участков тела – пальцев, губ, ушных раковин
• учащенный пульс
• выслушиваемые сердечные шумы
• головокружение
• одышка и тахипное (учащение дыхательных движений), усиливающееся при малейших нагрузках.

Гипоксия и нарушения метаболических процессов при дефиците железа сопровождается негативными изменениями со стороны других тканей и систем органов. Нарушается пищеварение, и это усугубляет анемию. При запущенных процессах появляется геофагия, стремление есть землю, мел, и другие несъедобные предметы.

Снижается иммунитет, и, соответственно, повышается восприимчивость к инфекциям. В полости рта нередко возникают стоматиты. Ухудшается внешний вид: бледная кожа становится сухой, покрытой морщинами, а ногти – ломкими. Волосы седеют и выпадают. Повышается риск гипотиреоза (недостаточной функции щитовидной железы), сахарного диабета и злокачественных новообразований.

Интересные факты

До наших дней дошла полубыль-полулегенда о некоем химике. Молодой ученый, узнав, что эритроциты богаты железом, захотел сделать оригинальный подарок для своей невесты – железное кольцо из собственной крови. Исходный материал, кровь, для кольца он намеревался получать посредством кровопусканий. Бедняге не удалось порадовать свою возлюбленную, т.к. на определенном этапе своей работы он умер от железодефицитной анемии.

 

Взаимодействие с другими веществами

В небольших количествах медь и железо облегчают усваивание друг друга. Но при повышении доз? эта способность ухудшается. Оно ухудшает усваивание цинка. Ухудшает всасывание хрома. На всасывание негативно влияет витамин Е, кальций, фитиновая кислота, танины.

Янтарная кислота, сорбит, фруктоза, вит. С, сера, цинк, кобальт, молибден, облегчают всасывание Fe. То же самое касается витаминов группы В, в частности, вит. В₆, В₉ и В₁₂. В свою очередь, под действие железа активность витаминов группы В повышается. Витамин А способствует мобилизации железа из депо для последующего синтеза гемоглобина. Алкоголь усиливает его всасывание.

Признаки избытка

Избыток часто развивается вследствие бесконтрольного приема железосодержащих препаратов. Еще одна причина – массивное переливание крови. А еще повышенное содержание наблюдается при гемохроматозе. Данное заболевание может быть врожденным, первичным, и приобретенным, вторичным.

При первичном гемохроматозе из-за генетических дефектов происходит усиленное всасывание и поступление его в кровь, нарушаются физиологические механизмы регуляции этих процессов.

Вторичный гемохроматоз развивается при циррозе печени, когда нарушается синтез трансферрина, и оно скапливается в тканях. Вторичный гемохроматоз нередко отмечается у алкоголиков. Ведь спиртные напитки ускоряют его всасывание.

Избыточно содержащееся железо откладывается в тканях. Страдает сердце и печень. Ухудшается работа опорно-двигательного аппарата, теряется подвижность суставов. Кожа и видимые слизистые приобретают желтушный окрас.

Снижается иммунитет, возрастает риск сахарного диабета, инфекционных и опухолевых заболеваний. Лечение включает в себя гемосорбцию (очистку крови), прием препаратов, связывающих железо, и исключение из пищевого рациона продуктов, богатых этим микроэлементом.