Železo
UPOZORNĚNÍ
Informace na této stránce mají pouze informační charakter a nekladou si nárok na úplnost. Autor rovněž neručí za event. nepřesnosti či neaktuálnosti v textu, popř. dostupnost externích odkazů. Revidováno 3/2024.
Železo v organismu
Železo je životně důležitý prvek. V lidském organismu se vyskytuje především jako součást hemu a jako zásobní železo uložené v bílkovině feritinu; jen malá část železa cirkuluje vázaná v krvi na transportní bílkovinu transferin. V organismu jsou cca 3 až 4 gramy železa, z toho cca 2,5 g v krevním barvivu hemoglobinu v červených krvinkách, cca 1 g je železo zásobní (převážně v játrech a rovněž v makrofázích), dále je železo ve svalové bílkovině myoglobinu a v mnoha dalších hemoproteinech prakticky ve všech buňkách a orgánech. Pouze asi 4 mg jsou v krvi, nicméně toto množství se za den asi 5× „otočí“.
Železo v těchto sloučeninách vystupuje jako dvojmocné (ferroforma, Fe2+) nebo trojmocné (ferriforma Fe3+). Přechod mezi těmi formami je někdy součástí funkce železa či je nutné k jeho transportu či distribuci, někdy je nežádoucí. Existují enzymy, které železo redukují (tj. z Fe3+ na 2+) a oxidují (tj. z Fe2+ na 3+). Volné, nevázané dvojmocné železo je toxické.
Množství železa v organismu, jeho vstřebávání a distribuce musejí být pečlivě regulovány; na těchto procesech se podílí řada proteinů, z nichž většina byla objevena až v posledních deseti letech (tj. cca od r. 1996). Naopak transferin či feritin jsou známy několik desetiletí. Feritin objevil v 30. letech dvacátého století profesor fyziologie na pražské lékařské fakultě Vilém Laufberger.
Funkce železa
Železo je součástí mnoha látek, které mají klíčové funkce v oxidativním metabolismu, syntéze, metabolismu i degradaci životně důležitých látek, množení buněk atd. Zdaleka nejvíce je ho vázáno v hemu, a to v krevním barvivu hemoglobinu, kde se podílí na přenosu kyslíku. Existují desítky dalších hemoproteinů a enzymů (myoglobin, cytochromy dýchacího řetězce i enzymy podílející se m.j. na detoxikaci v játrech – P450, četné další enzymy aj.), které hem, resp. železo obsahují či vyžadují ke své funkci. Funkce má i železo nehemové, např. je důležité je i pro syntézu DNA (funkce v ribonukleotidreduktáze), čili pro dělení buněk.
Toxicita železa
Železo je potenciálně nebezpečný prvek. Je schopno katalyzovat vznik volných radikálů (Fentonova reakce), které poškozují buňky a jejich struktury. Nadbytek železa v organismu či jeho špatná místní distribuce (přítomnost volného dvojmocného železa) jsou proto nežádoucí; i proto musí být metabolismus železa efektivně regulován na úrovni buněk i organismu.
Vstřebávání železa
Železo se vstřebává v počáteční části tenkého střeva (dvanáctníku – duodenu). Nejlépe a v našich podmínkách nejvíce se vstřebává železo vázané v hemu (tj. např. jako součást masa). V potravě přijímáme denně zhruba 10 mg železa, z nichž se vstřebá asi 10 %. Protože lidské tělo nemá mechanismus, kterým by bylo schopno nadbytečné železo odstranit, je množství železa v organismu regulováno na úrovni jeho vstřebávání. Při nedostatku železa či jeho zvýšené potřebě (růst, těhotenství apod.) se procento resorpce zvýší, při nadbytku se sníží. Porucha těchto regulačních mechanismů vede k patologickým změnám množství železa v organismu – k jeho nedostatku či nadbytku.
Vstřebávání železa zvyšují vitamin C (askorbová kyselina) a dostatečná kyselost žaludku. Snižují ho např. čaj, káva, některé látky v zelenině (oxaláty, fytáty), vápník.
Na buněčné a molekulární úrovni jsou prozkoumány mechanismy resorpce dvojmocného nehemového železa (je znám transportér DMT1 i enzym redukující železo z častější trojmocné formy), ne zcela vyjasněn je transport železa hemového. Železo těmito transportéry vstoupí do střevní buňky (enterocytu); musí však dosáhnout jejího druhého pólu, na němž by mohlo vstoupit do krve. Vystupuje přitom jediným známým exportérem železa z buňky – ferroportinem. Železo, které z enterocytu nevystoupí do krve, se po několika dnech ztrácí společně s buňkami, které se pravidelně ze střevní sliznice odlupují a jsou nahrazovány novými.
Zdroje železa v potravě: maso, játra, žloutek, zelená zelenina, cereálie aj.
Ztráty železa
Denně se ztrácí cca 1-2 mg železa (z přibližně 4000 mg) a tyto ztráty se průběžně doplňují vstřebáním z potravy. Železo se ztrácí odlupováním buněk z povrchu těla a ze sliznice trávicího ústrojí, u žen jsou ztráty výraznější při menstruaci, těhotenství a porodu a při kojení. K větším, popř. nefyziologickým ztrátám dochází i při jakémkoliv krvácení. Nerovnováha mezi ztrátami a příjmem vede k nedostatku, resp. nadbytku železa v organismu.
Distribuce železa
Organismus železo přijímá potravou, ale
se železem, které se již v těle nachází, hospodaří velmi hospodárně. Většinu
železa recykluje, popř. ukládá do zásoby.
Po vstřebání ve střevě se železo váže v krvi na transportní
protein transferin. Jedna molekula transferinu je schopna přenášet
dva atomy železa v trojmocné formě. Obvykle je nasycena cca jedna třetina této
transportní kapacity. Při výstupu ze střevní buňky (enterocytu) ferroportinem
se železo musí s ohledem na vazbu na transferin oxidovat na trojmocnou formu;
tuto oxidaci zajišťuje hephaestin – protein v membráně
enterocytu. Nicméně větší část železa pro krytí denní potřeby (cca 20 mg ve
srovnání s 1 až 2 mg železa nově vstřebaného) pochází ze zanikajících
stárnoucích červených krvinek, které jsou odstraněny z krve pohlcením
makrofágy. Tento děj probíhá především ve slezině. Železo se v makrofázích
uvolňuje z hemoglobinu a může v nich být uskladněno či vystupuje ferroportinem
do krve, kde se váže rovněž na transferin. Jeho oxidaci zajišťuje plasmatický
protein ceruloplasmin, který je analogem hephaestinu. Tento proces
představuje recyklaci železa, zatímco vstřebávání v podstatě
doplňuje železo z organismu ztracené.
Železo v krvi navázané na transferin může směřovat k buňkám, které je požadují
a které na své membráně mají pro transferin receptor (transferinový receptor 1,
TfR1). Čím více železa buňka potřebuje, tím více má na svém povrchu těchto
receptorů; velký počet mají vyzrávající červené krvinky v kostní dřeni.
Transferin se váže na receptor, společně s ním je pohlcen endocytózou do malých
dutinek v buňce ohraničených buněčnou membránou (endosomů), kde se díky
okyselení železo uvolní z transferinu a projde přes membránu (transportérem je
DMT1 obdobně jako ve střevě) do vnitřku buňky. Transferinový receptor a
transferin recyklují zpět (TfR na povrch buňky, transferin do krve).
V buňkách pak může být železo zabudováno do hemu v
mitochondriích (enzym katalyzující vložení železa do protoporfyrinu IX za
vzniku hemu je ferrochelatáza). Zejména procesy vstupu železa do mitochondrií a
jeho dalšího osudu v této organele nejsou dosud zcela prozkoumané. Jinou
možností je uložení železa do zásobní bílkoviny feritinu. Tato
velká bílkovina může skladovat až 4000 atomů železa v trojmocné formě (její
těžký řetězec je sám schopen železo oxidovat). Při velkém nadbytku železa v
buňkách může vznikat v buňkách z feritinu pigment hemosiderin, z
něhož na rozdíl od feritinu není železo mobilizovatelné v případě potřeby.
Regulace metabolismu železa
Regulace metabolismu železa je důležitá
jak s ohledem na jeho zásadní význam, tak kvůli jeho toxicitě. Regulují se
resorpce a distribuce železa. Není znám žádný mechanismus, kterým by organismus
mohl železo regulovaně ztrácet. V regulaci metabolismu železa se na
úrovni organismu má klíčovou roli peptid hepcidin a
další molekuly, které ovlivňují jeho tvorbu (expresi); patří k nim zejm. HFE, hemojuvelin (HJV)
a transferinový receptor 2 (TfR2). Vyskytují se především
v játrech, která jsou i místem tvorby hepcidinu a která jsou tak
orgánem z hlediska železa nejen zásobním, ale i regulačním. Kromě jater jsou z
orgánů důležité i kostní dřeň (a intenzita v ní probíhající
červené krvetvorby – erytropoézy), tenké střevo (duodenum), kde se
železo vstřebává, a makrofágový systém zapojený do recyklace železa.
Z hlediska buněk má pro regulaci železa význam intenzita
tvorby proteinů, které železo do buněk přenášejí (např. transferinový receptor)
nebo ho naopak skladují (feritin) či využívají (ve vyzrávajících červených
krvinkách zejm. erytroidní forma syntázy kyseliny delta-aminolevulové, eALAS).
Bylo by zcela neefektivní, kdyby buňka trpící nedostatkem železa tvořila
zásobní feritin, a je logické, že naopak bude tvořit transferinový receptor,
jehož prostřednictvím železo může získat. Míra syntézy těchto proteinů je
regulována na úrovni stability jejich mRNA pomocí tzv. IRE/IRP (iron-responsive
elements, resp. proteins). Díky nim se při nedostatku železa stabilizují mRNA
pro transferinový receptor, přinášející železo do buněk, a naopak degradují
mRNA pro proteiny skladovací (feritin) a utilizující železo (eALAS). V případě
nadbytku železa je tomu právě naopak.
Hepcidin
Regulace metabolismu železa je důležitá
jak s ohledem na jeho zásadní význam, tak kvůli jeho toxicitě. Regulují se
resorpce a distribuce železa. Není znám žádný mechanismus, kterým by organismus
mohl železo regulovaně ztrácet. V regulaci metabolismu železa se na
úrovni organismu má klíčovou roli peptid hepcidin a
další molekuly, které ovlivňují jeho tvorbu (expresi); patří k nim zejm. HFE, hemojuvelin (HJV)
a transferinový receptor 2 (TfR2). Vyskytují se především
v játrech, která jsou i místem tvorby hepcidinu a která jsou tak
orgánem z hlediska železa nejen zásobním, ale i regulačním. Kromě jater jsou z
orgánů důležité i kostní dřeň (a intenzita v ní probíhající
červené krvetvorby – erytropoézy), tenké střevo (duodenum), kde se
železo vstřebává, a makrofágový systém zapojený do recyklace železa.
Z hlediska buněk má pro regulaci železa význam intenzita
tvorby proteinů, které železo do buněk přenášejí (např. transferinový receptor)
nebo ho naopak skladují (feritin) či využívají (ve vyzrávajících červených
krvinkách zejm. erytroidní forma syntázy kyseliny delta-aminolevulové, eALAS).
Bylo by zcela neefektivní, kdyby buňka trpící nedostatkem železa tvořila
zásobní feritin, a je logické, že naopak bude tvořit transferinový receptor,
jehož prostřednictvím železo může získat. Míra syntézy těchto proteinů je
regulována na úrovni stability jejich mRNA pomocí tzv. IRE/IRP (iron-responsive
elements, resp. proteins). Díky nim se při nedostatku železa stabilizují mRNA
pro transferinový receptor, přinášející železo do buněk, a naopak degradují
mRNA pro proteiny skladovací (feritin) a utilizující železo (eALAS). V případě
nadbytku železa je tomu právě naopak.
Metody stanovení jsou protilátkou (ELISA), spíše pro experimentální
účely se hodí hmotnostní spektrometrie, která může rozlišit i různé izoformy
(22, 23 či 24 aminokyselin).
Nedostatek železa (sideropenie)
Nedostatek železa vzniká z důvodu nedostatečného
příjmu (např. při špatné výživě), špatného vstřebávání (při
nemocech trávicího systému) či nadměrných ztrát (krvácení).
Nejprve dochází k vyčerpání zásob železa v organismu, poté vznikají projevy
jeho nedostatku. Nejvýraznějším je nedostatek červených krvinek – anemie –
se zvýšenou únavností, bledostí, v těžších případech dušností. Anemie má
ráz mikrocytární (krvinky jsou menší) a hypochromní (obsahují
méně krevního barviva hemoglobinu). Přítomny jsou i změny na kůži, v
ústních koutcích, ne nehtech, sliznicích.
Léčba se provádí dodáváním (suplementací) železa; dle potřeby v
tabletách či injekčně (zejm. v tomto případě je třeba dbát, aby nedošlo k
přetížení organismu železem).
Nadbytek železa
Nadbytek železa je škodlivý. Železo se
ukládá v některých orgánech a poškozuje je. Dochází k poškození jater (cirhóza), slinivky
břišní (může vzniknout diabetes mellitus – cukrovka), srdce (kardiomyopatie
s poruchami srdečního rytmu a srdečním selháním), kloubů, žláz s vnitřní
sekrecí s různými projevy aj. Typické je někdy zbarvení kůže (bronzové, proto
se v kombinaci s cukrovkou někdy hovoří o bronzovém diabetu). K
nadbytku železa vedou stavy geneticky podmíněné a získané.
Kromě zvýšeného příjmu či přívodu, resp. vstřebávání se
na něm může podílet i nedostatečná utilizace (využití) železa.
Hereditární (genetická) hemochromatóza je dědičné onemocnění s
nadměrným a trvalým zvýšeným vstřebáváním železa ve střevě. Má několik forem
podmíněných mutacemi některých proteinů zúčastněných v regulaci metabolismu a
vstřebávání železa. Nejč. je forma podmíněná mutací HFE; patří k
mírným formám s projevy vznikajícími většinou až ve středním věku, častěji u
mužů. Mutace HFE je nejčastější mutací u evropské, zejm. severské populace –
ovšem jen část jejích nositelů onemocní. Dále může být způsobena mutací
transferinového receptoru 2, hemojuvelinu, hepcidinu (velmi vzácně). Poslední
dvě formy patří k těžkým, s projevy vznikajícími již v mládí (juvenilní hemochromatóza).
U všech těchto forem je zřejmě nedostatečná tvorba hepcidinu, na jehož regulaci
se výše uvedené molekuly dosud ne zcela jasným způsobem podílejí. Poněkud
odlišná forma je způsobena mutací ferroportinu. Onemocnění se léčí zejména
opakovanými odběry krve (venepunkcemi), které vedou k snižování obsahu
železa v organismu.
K získanému nadbytku železa vedou např. některé anemie
ze zvýšeného rozpadu červených krvinek (tzv. hemolytické anemie) a
stavy s nadměrným podáváním transfuzí v situacích, kdy železo,
které se takto dostane do těla, nemůže být dále využito (např. u stavů s útlumem
kostní dřeně, talasemie, myelodysplastického syndromu).
V takových případech se v léčbě uplatňují léky, které železo vyvazují a
následně se s ním vylučují z těla (chelátory železa).
Laboratorní vyšetření železa
K posouzení množství železa v těle se
standardně používají některé laboratorní metody. Základní metodou
je měření sérové koncentrace železa (S-Fe), která je o něco
vyšší u mužů. Může kolísat a je ovlivněna i potravou. Nemusí odrážet jen
množství železa v těle, ale i změny jeho distribuce. Pro posouzení zásob železa
v těle je vhodné vyšetření sérového feritinu (S-feritin). Při
nedostatku železa se jeho koncentrace snižuje, při nadbytku zvyšuje. Určitým
problémem je, že jeho koncentrace stoupá i při zánětech. Důležité proto může
proto být i vyšetření sérové koncentrace transferinu (S-Tf),
(jeho) celkové vazebné kapacity pro železo (CVK, angl. TIBC –
total iron binding capacity) a saturace transferinu (sat Tf).
Při nedostatku železa je obvykle snížená koncentrace sérového železa a
feritinu, koncentrace transferinu a CVK se zvyšují, saturace transferinu klesá.
Při nadbytku železa je je obraz více méně zrcadlový (vzestup S-Fe, pokles S-Tf
a CVK, vysoká, někdy až 100%ní saturace Tf).
Speciálním problémem jsou změny metabolismu železa při anemii chronických
chorob: S-Fe je sníženo, S-feritin je ale obvykle zvýšen, S-Tf či CVK sníženy,
saturace se nemusí výrazně měnit.
Další metody: Za určitých okolností je možné se o množství železa
přesvědčit při punkci kostní dřeně (při nedostatku vymizí nezralé červené
krvinky s barvitelným železem – sideroblasty), event. biopsií jater či pomocí
zobrazovacích metod (množství železa v orgánech).
Léčba poruch metabolismu železa
Nedostatek železa se léčí jeho
dostatečným podáváním či přívodem. Někdy stačí zlepšit složení stravy (více
masa apod.). Při větším nedostatku se podávají různé přípravy obsahující
železo, většinou ve formě tablet (perorálně). Injekční –
nitrosvalové či nitrožilní (parenterální) podání je vyhrazeno spíše pro
speciální případy.
Nadbytek železa se léčí dvěma způsoby. U hemochromatózy to jsou
většinou pravidelné odběry krve (venepunkce). Účelem je snížit množství
hemoglobinu a postupně i zásob železa v těle, které se využívají pro tvorbu
nových krvinek. Je to léčba účinná a ačkoliv „pouštění žilou“ může znít
strašidelně či obskurně, je to léčba zcela přiměřená a vlastně i bezpečná. V
případě, že ji není možné použít (např. u případů, kdy je nadbytek železa
způsoben podáváním transfuzí, takže by bylo nesmyslné krev opět odebírat), se
používají speciální léky, které z těla železo vyvazují a to je potom vylučování
(močí, resp. žlučí a stolicí). Tyto léky se nazývají chelátory železa.
V každém případě snížení nadměrného množství železa může předejít těžkým
komplikacím, z nichž některé vedou až k smrti.
Více o železe…
Vědecké články – k vyhledání přes PubMed či jiné vyhledavače. Autoři vynikajících přehledových vědeckých článků (review) jsou zejm. Tomas Ganz či Martina Muckenthaler.
Železo a lidský organismus: Článek o metabolismu železa vyšel v časopise 21. století v září 2011.
Poměrně zajímavá je kapitola Železné zdraví z knihy Zdraví zabíjí, autor Sharon Moalem, české vydání nakl. Dokořán, 2008. Je zde popsána genetika hereditární hemochromatózy a vztah železa k infekcím.
Výukové materiály na Ústavu patologické fyziologie.
Slovníček
Uvedena pouze některá základní slova,
zejm. taková, která byla použita v předchozím textu bez podrobnějšího
vysvětlení.
anemie – chudokrevnost, nedostatek červených krvinek
duodenum – dvanáctník, počáteční část tenkého střeva
erytrocyt – červená krvinka
ferro- – označuje dvojmocnou formu železa
ferri- – označuje trojmocnou formu železa
feritin – zásobní bílkovina železa; vyskytuje se v malém množství i
v krvi a její měření má význam pro stanovení zásob železa v těle
hem – chemická sloučenina obsahující železo a tvořící součást mnoha
bílkovin a enzymů včetně hemoglobinu
hemoglobin – krevní barvivo v červených krvinkách, přenáší kyslík
hemochromatóza – onemocnění s nadbytkem železa v organismu
hemolýza – rozpad červených krvinek
makrofág – buňka schopná fagocytózy (pohlcování), m.j. i starých
červených krvinek
sidero- – týkající se železa
sideropenie – nedostatek železa
transferin – transportní bílkovina pro železo v krvi
Více a podrobněji na www.slovniky.cz (web provozovaný nakladatelstvím Maxdorf).
Výzkum železa na Ústavu patologické fyziologie
Na Ústavu patologické fyziologie 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy v Praze se v současnosti zabýváme především regulací hepcidinu vlivy erytropoézy a zánětu. Dále jsme stanovovali hepcidin u některých onemocnění. Spolupracujeme též na vývoji a testování nových chelátorů železa.