06章-铁的吸收

第六章铁的吸收、转运及储备铁是生物体必需的微量元素，也是人体中含量最丰富的过渡金属元素。在生物体中铁是如何被吸收、转运以及储备的呢？长期的生物进化使不同的生物体拥有不同的维持铁离子动态平衡的吸收、转运和储备系统，使生物体吸收的铁以金属酶、金属蛋白或小分子配合物的形式存在于生物体内，既可以通过铁(II)/铁(III)的转化而在维持细胞功能(如氧的输运、电子转移、固氮作用)等方面发挥作用，又可以将铁(III)适时而准确地转运到需铁(III)部位。第一节铁载体第二节运铁蛋白第三节运铁蛋白受体第四节储铁蛋白第五节铁的生物学调控第一节铁载体植物、微生物的生存，要求环境中铁浓度足够高，方能满足其DNA合成、血红素生成所需要的铁。为了能与氢氧根等有效地竞争铁离子，细菌、真菌和植物种子会分泌一些对铁(III)具有高度亲和力的复杂有机物，使难溶的铁活化。这些有机物可与铁(III)形成非常稳定的八面体配合物。铁载体就是分子量较低、对铁(III)有专一性螯合作用，微生物和植物用以由环境中吸收铁的复杂有机物的总称。根据其分泌的种属，铁载体有微生物铁载体和植物铁载体两大类。铁载体可分为三类：氧肟酸盐型、邻苯二酚型和柠檬酸－氧肟酸盐型。它们均可与铁(III)形成稳定的低电荷配合物，有利于高电荷的铁(III)离子跨过亲脂性膜，实现铁(III)的吸收、输运过程。氧肟酸盐型铁载体又可分为高铁环六肽化合物、铁草铵和其他化合物。高铁环六肽是克莱因水玉霉菌、需土金杆菌和谷氨酸微球菌的生长因子。所有的青霉菌、许多真菌和细菌都分泌高铁环六肽型铁载体。肠杆菌素是邻苯二酚型铁载体的代表，一般产生于肠细菌，如大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌等。肠杆菌素的三个邻苯二酚基的六个酚羟基氧与铁(III)配位形成八面体型配合物，其中肠杆菌素采取分子外部疏水、内部亲水适合包囊铁(III)的构象。第二节运铁蛋白与微生物不同，哺乳动物可以吸收的铁有两类：血红素铁和非血红素铁。由于肠绒毛有血红素受体，血红素可以直接进入肠黏膜，在黏膜内血红素氧化酶使血红素以铁(II)形式释放。因此血红素铁因其高生物利用度而成为从食物中吸收铁的重要来源。进入肠道的非血红素铁多为铁(III)，肠道内的黏液可以避免铁(III)的水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素C、肠微绒毛细胞膜上的铁还原酶等将铁(III)还原为铁(II)。然后通过存在于肠绒毛细胞绒毛一侧的二价金属离子转运蛋白使铁(II)进入小肠上皮细胞。进入细胞的铁(II)与胞浆内的配体如肝褐质或蛋白质结合形成配合物，或与储铁蛋白结合后以铁(III)储备。铁(II)也可通过存在于绒毛细胞中靠近血液一侧的另一种转运蛋白进入血液。由于多铜还原酶使铁(II)氧化，进入血液中的铁为铁(III)。血液中铁(III)与运铁蛋白结合形成非常稳定的配合物。成年人的铁含量为4.5～5.5mg/kg，其中60%～70%以血红蛋白的形式存在；10%以肌红蛋白、细胞色素、含铁酶等存在；储铁蛋白形式的铁为铁总量的20%～30%；以运铁蛋白形式存在的铁仅为0.1%(3mg)。人体的成熟红细胞寿命约为120天，衰老的红细胞在血红素氧化酶作用下，血红素分解代谢的铁(III)进入血浆。血浆中运铁蛋白与铁(III)结合，并通过血液循环将铁(III)输运到需铁部位（组织细胞），输运率达30mg/24h。因此尽管运铁蛋白含铁量很少，但在铁的调控中它是最重要的铁源。通过运铁蛋白每天有近24mg的血浆铁(III)被运到骨骼中用于血红蛋白的合成，有约5mg的血浆铁(III)被运送到非血红细胞组织（如肝脏），有近1mg血浆铁(III)损失。因此人体要保持微量元素铁的平衡，每天应吸收1mg的铁。大量实验研究表明，血清运铁蛋白、运铁蛋白受体和储铁蛋白等在哺乳动物的铁利用调控体系中起重要作用。运铁蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据运铁蛋白的来源不同，可分为：血清运铁蛋白、伴清蛋白、乳铁蛋白、黑素运铁蛋白四大类。运铁蛋白的基本功能是通过结合、输运及解离铁(III)以控制铁(III)在体液中的含量，并可避免铁(III)的沉降从而维持铁(III)的可利用性；同时，运铁蛋白与铁(III)的紧密结合可阻止铁(III)对自由基形成的催化作用及细菌与铁(III)的结合，从而起到抗毒与抗菌的作用。一、运铁蛋白结构运铁蛋白为单肽链糖蛋白，分子质量约8000Da，含680～700个残基，可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着N端叶片和C端叶片，两个球形叶片由一短肽链连接。FeFe运铁蛋白的每个叶片可分为两个大小相似的结构域，分别由α螺旋和β折叠交替出现而形成。两个结构域之间存在一狭缝以结合铁(III)。二、运铁蛋白的金属离子结合性能在生理条件下，CO32-为伴阴离子时，人血清运铁蛋白可逆地结合两个铁(III)离子。多种实验方法表明，铁(III)结合位点存在于匹配结构域（N端的两个结构域互为匹配，C端的两个结构域互为匹配）形成的狭缝中。运铁蛋白中两个铁(III)离子均与酪氨酸残基的酚羟基氧、天门冬氨酸残基的羧基氧、组氨酸残基的咪唑氮以及通过氢键与蛋白质相连的CO32-的两个氧配位，铁为畸变八面体构型。其中，伴阴离子CO32-对金属键合至关重要。三、运铁蛋白构象变化构象变化是运铁蛋白结合和释放金属过程中伴随的重要特征之一。金属结合，运铁蛋白金属键合狭缝由开放到关闭变化；相反，金属释放，狭缝由关闭到开放变化。诱发蛋白质构象变化的因素有很多，其中pH、盐桥以及第二配位层等因素比较重要。第三节运铁蛋白受体血清运铁蛋白的主要功能是经血液循环由小肠、肝及网状细胞等部位将铁转运到生长和发育需铁的组织，运铁蛋白受体在运铁蛋白定向释放铁(III)的过程中起关键作用。一、运铁蛋白受体结构特征20世纪70年代末期，从网织红细胞膜分离出第一个运铁蛋白受体，随后由胎盘培养的细胞等体系中也分离到运铁蛋白受体。人运铁蛋白受体是由两个二硫键连接的跨细胞膜二聚糖蛋白。每个亚基分子质量为84910Da，含有760个氨基酸残基，其中位于细胞外的C端结构域有671个氨基酸残基，位于细胞内的N端结构域有61个氨基酸残基。运铁蛋白受体的每个亚基可结合一个运铁蛋白分子，即一个运铁蛋白受体可与两个运铁蛋白结合。运铁蛋白受体位于细胞内的N端结构域是细胞对运铁蛋白－运铁蛋白受体复合物内吞作用的关键控制部分。二、铁(III)的输运过程双铁(III)运铁蛋白进入细胞并释放铁(III)是由运铁蛋白受体介导的复杂生物学过程，可以分为五个步骤：1、在pH为7.4、CO32-的协同下脱铁运铁蛋白与Fe(III)结合，此时运铁蛋白的构象变成能够为运铁蛋白受体识别的构象，并在细胞表面与运铁蛋白受体结合；2、含有运铁蛋白－运铁蛋白受体的小泡形成并进入细胞；3、小泡酸性增加使铁(III)由运铁蛋白释放，而脱铁运铁蛋白与运铁蛋白受体仍结合；4、铁(III)被还原为稳定的铁(II)，并通过特定的蛋白跨过小泡膜进入细胞而用于代谢功能或储存于储铁蛋白中；5、与运铁蛋白受体结合的脱铁运铁蛋白返回细胞表面并由细胞解离，进入血液循环。第四节储铁蛋白高等植物、微生物、哺乳动物的各种细胞中都含有储铁蛋白，细胞类型不同储铁蛋白的铁储存功能也有所不同。哺乳动物储铁蛋白主要有两个功能：一、在铁的循环使用中起铁(III)储备作用，如胚胎红细胞中储铁蛋白的短期铁(III)储备，成人肝细胞中储铁蛋白的长期铁(III)储备；二、对进入细胞内的铁进行管理，既可为含铁蛋白（细胞色素、血红蛋白、肌红蛋白等）和含铁酶（固氮酶等）的合成储备铁，又可防止进入细胞的过量铁水解、聚合、沉淀而起解毒作用。一、储铁蛋白结构储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有一个直径约为13nm、壳厚约为2.5nm的蛋白质外壳，质量约为450000Da的蛋白质外壳由24个亚基组装而成。储铁蛋白的24个亚基分别由不同颜色表示2、疏水性通道。六个四重轴通道由多个亲脂性氨基酸残基排列形成疏水性通道。储铁蛋白外壳存在两类通道：1、亲水性通道。沿三、四重轴方向的通道使蛋白质壳内与外部联系，其中八个三重轴通道由亲水性氨基酸残基排列形成亲水性通道；无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，蛋白质外壳的大小及亚基的排列方式基本不变。储铁蛋白每个亚基的三级结构有两对反平行的α螺旋、一个较短的螺旋和一个连接螺旋的环组成。在储铁蛋白的壳内，存在一个无机物复合体的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为0～4500个铁(III)不等，铁(III)以多聚体的形式存在，即由基本单位分子式为[(FeOOH)8(FeOOPO3H2)]的铁(III)的碱式磷酸盐微晶排列而形成铁核。二、储铁蛋白的功能储铁蛋白的主要生理功能是铁的储备，即机体或细胞铁过剩时可吸收、而缺少时又可释放。研究表明，铁积聚于储铁蛋白的初始阶段包括铁(II)通过三重轴方向的亲水性通道进入蛋白质内壳，在氧的存在下，铁(II)被氧化为铁(III)，铁(III)水解形成铁核，该氧化、成核过程随吸收铁的增加而变化。在成核的初期，铁(II)的结合与氧化发生在蛋白壳的内表面，铁核一旦形成，铁(II)的氧化、水解及核生长均发生于无机铁核。介质中的铁及阴离子直接决定铁核的性质。脱铁储铁蛋白在铁核成核的初期，铁(II)的结合与氧化即双核亚铁氧化酶的活性位点位于亚基的α螺旋束中。在还原剂的存在下，储铁蛋白可将铁(III)以铁(II)的形式向外释放，这一过程受介质组成、酸度等的影响。研究证明，储铁蛋白最先释放的铁对应于成核时最后结合的铁，表明铁的释放过程也是高度有序的化学反应。第五节铁的生物学调控对于哺乳动物，铁(III)被食物中的还原剂及肠绒毛细胞上的铁(III)还原酶还原为铁(II)，经二价金属离子转运蛋白使铁(II)进入小肠上皮细胞，由多铜氧化酶将其氧化为铁(III)后与血液中的运铁蛋白结合形成稳定的金属蛋白配合物，血液循环使双铁(III)运铁蛋白在运铁蛋白受体介导下经细胞内吞过程将铁(III)定向地输运到需铁组织细胞，有盈余时以储铁蛋白的形式存储下来。一、铁(III)的生物学调控脱铁运铁蛋白、运铁蛋白受体、储铁蛋白的量对于铁的吸收与利用有非常大的影响。研究表明，需铁(III)多的组织或细胞具有高密度的运铁蛋白受体，而易受过量铁(III)沉淀影响的细胞和组织具有很少的运铁蛋白受体。可见，运铁蛋白受体是铁(III)进入细胞的守门者。大量增殖非红细胞研究表明，当细胞内铁充分时运铁蛋白受体的表达减小而储铁蛋白的表达增加；当细胞内铁短缺时运铁蛋白受体的表达增加而储铁蛋白的表达减少。运铁蛋白受体、储铁蛋白的表达受同一基因调控体系的调控。二、铁(III)的生物学调控与疾病运铁蛋白、运铁蛋白受体、储铁蛋白的mRNA中除运铁蛋白、运铁蛋白受体、储铁蛋白的编码外，还有一些调节元件，在这些调节元件的作用下，使运铁蛋白、运铁蛋白受体、储铁蛋白的表达过程能应答各种生理信号，适应生理环境的变化。即运铁蛋白、运铁蛋白受体、储铁蛋白的量是生理环境状态的反映。研究表明，血浆中含有少量的可溶性运铁蛋白受体。患有地中海贫血病、溶血性贫血、红细胞增多的病人，其血浆中可溶性运铁蛋白受体增加，而患有再障贫血、慢性肾衰竭的病人，其血浆中可溶性运铁蛋白受体减少。缺铁性贫血患者的血浆储铁蛋白含量一般偏低，但若同时患有炎症时其血浆储铁蛋白含量又非常高。因此，血清运铁蛋白受体的测定在缺铁性贫血、慢性病贫血等的诊断中是非常有用的。遗传性血色病是一种铁代谢紊乱、导致不相宜的自饮食中铁吸收增多或过载性疾病，其特点是铁吸收调控异常，铁沉积于重要器官（如肝脏、心脏、胰脏、关节、垂体等）并引起器官损害。本章小结：本章介绍了铁载体、运铁蛋白、运铁蛋白受体及储铁蛋白在铁的吸收、转运及储备中的作用。总之，铁调控体系使生物体的铁含量维持在基本恒定的生理限度内，若储存铁减少，则吸收增多，若储存铁增多，则吸收减少。