Хімічний механізм біологічної ролі йонів Феруму в організмі людини

Залізо. Цей метал відіграє важливу роль як у технічній культурі людства, так і в організмі людини. Але в техніці використовується вільний метал або його сплави, а в організмі діють йони Феруму.

Природа економна. Створюючи складні комплексні сполуки металів, вона «пристосувала» їх для виконання різних біологічних функцій. Одна й та ж сполука Феруму здатна виконувати різні види роботи, залежно від того, з яким білком вона зв`язана і в якому валентному стані знаходиться йон металу. Тому комплексні сполуки Феруму необхідні і для нормальної діяльності ферментів, і для процесу кровотворення, і для перенесення кисню, і для організації руху електронів від однієї молекули до іншої в процесі обміну речовин (метаболізму). [7, с.347; 15; 17, с. 62].

Йони Феруму найчастіше в організмі зустрічаються у формі комплексних сполук з протопорфірином. Наприклад, у складі феропротопорфірину (гему) (Додаток А).

Йони Феруму з ступенем окиснення +2 займають внутрішню область протопорфірину, замістивши два атоми Гідрогену, які знаходяться в групах NH, а два других атоми Нітрогену сполучаються з йоном Феруму за рахунок вільних пар електронів Нітрогену. При цьому виникають складні електронні орбіталі, що охоплюють все кільце атомів C і N та оточують центральний йон. Дана сполука називається феропротопорфірин — гем. Це плоский макроцикл з йоном Fe⁺² в центрі. Гем входить до складу гемоглобіну. В гемоглобіні йон Fe²⁺ координований з чотирма атомами N пірольних кілець протопорфірину і з атомом N гістидину — складової частини білка глобіну. Тобто, гемоглобін — продукт приєднання гема до особливого білка глобіну, з яким він досить міцно з`єднаний (додаток А). Шосте координаційне місце займає молекула О₂, завдяки чому гемоглобін виконує роль переносчика кисню від легень до клітин. По суті гемоглобін являє собою дихальний пігмент крові. При сполученні всього комплексу з киснем утворюється нестійка сполука — оксигемоглобін. Вона утворюється у легенях при підвищеному тиску кисню в альвеолах. А в клітині, яка дихає, тиск кисню нижчий і оксигемоглобін розпадається, звільняючи кисень.

Схематичне рівняння цього оборотного процесу:

О₂ + гемоглобін оксигемоглобін.

Рівновага зміщується в легенях вправо, у клітинах — вліво .

Якщо бути зовсім точним, то перенесення кисню здійснює не гемоглобін і навіть не гем, а Ферум, який в ньому міститься, оскільки молекула кисню займає шосте координаційне місце атома Fe²⁺ .

Але гемоглобін не був би настільки дивною речовиною, якби не виконував ще одну функцію — виведення вуглекислого газу з місця окиснення (з клітини). Молекул гемоглобіну в одному еритроциті налічується до 280 млн. І кожен з них кисень вводить у клітину гемом, а вуглекислий газ транспортує звідти за допомогою своєї білкової частини — глобіну. [18; 23; 28, с. 138].

Подібна структура молекули зустрічається також в міоглобіні і більшості цитохромів. Залізопорфіриновий комплекс, який входить до складу білкової структури міоглобіну, виконує функцію збереження запасу кисню в м`язах. Як і гемоглобін він зворотньо зв`язує кисень.

Негемові протеїни (феритин, трансферин) відіграють в організмі роль «накопичувачів» Феруму для роботи різних ферментів, активним центром яких є Ферум (пероксидаза, каталаза). Феритин знаходиться в печінці, селезінці, кістковому мозку. Він запасає і мобілізує Ферум в організмі. Звільнення Феруму з феритину пов’язане з відновленням йонів Fe³⁺ до Fe²⁺. [17, с. 77; 18; 28].

Є ще в організмі і цитохроми. Це ферумовмісні дихальні білки, що містяться в особливих органоїдах клітини — мітохондріях, де проходить поетапне окиснення речовин з накопиченням енергії у зв`язках АТФ. Дякуючи цитохромам кисень не одразу, а поступово, ступінчасто окиснює органічні речовини з утворенням води, вуглекислого газу і АТФ з мінімальними енергетичними затратами.

В процесі окиснення утворюється побічний продукт пероксид водню. Захищає організм і кров від цього сильного окисника фермент каталаза, що складається з 4-ох субодиниць, кожна з яких містить гем, зв`язаний з поліпептидним білковим ланцюгом і має 4 атоми Феруму. Цей фермент розкладає пероксид водню на воду і кисень:

2 Н₂О₂ ^{каталаза} 2Н₂О + О₂

Але коли концентрація пероксиду водню стає незначною, каталаза починає каталізувати реакцію окиснення пероксидом водню спиртів, формальдегідів і нітратів. Ферменту «простоювати» не можна. [22, с. 53].

Є ще один фермент з вмістом Феруму, який також каталізує реакцію розкладу пероксиду водню. Це пероксидаза, яка міститься в слині, в сокові підшлункової залози, в печінці, в нирках і в лейкоцитах. [22, с.54].

З каталазою і пероксидазою пов`язуються надії на одержання високоефективних препаратів для лікування злоякісних пухлин, так як вчені вважають, що ці ферменти відіграють важливу роль у рості клітин, тобто Ферум приймає участь у побудові клітинного ядра (реплікація молекул ДНК). [26].

Ферум надходить в організм людини з їжею. Найбільш багаті Ферумом продукти тваринного походження: гав’ядина, баранина, свинина, печінка, в мен-шій мірі риба, куряче м`ясо, яйця. Багато Феруму містять овочі і фрукти: помідори, гарбузи, часник, цибуля, перець, столовий буряк, суниці, виноград, яблука, малина, чорна смородина і т.д. Але слід пам`ятати, що з м`ясної їжі засвоюється 20 — 90% Феруму, тоді як з рослинної лише 6 — 10%. Це зумовлено наявністю в рослинах більшої кількості демінералізуючих факторів, вказаних у пункті 1.3. даного розділу. [14, с. 168; 9].

В умовах звичайного помірного клімату здоровій людині потрібно в продуктах харчування 10 — 15 мг Феруму на добу. Цієї кількості достатньо, щоб покрити втрати його в організмі. Вона збільшується за інтенсивної м’язової ді-яльності, вагітності, грудному вигодовуванні дітей. У нашому тілі міститься від 2 до 5 мг Феруму в залежності від рівня гемоглобіну, ваги, статі і віку. Особливо багато його в гемоглобіні крові (2/3 всієї кількості), а решта запасається у внутрішніх органах, основним чином у печінці.

Ферум, що поступає з їжею, засвоюється в кишечнику і переноситься в кровоносні судини, де захоплюється особливим транспортним білком трансферином. Цей білок виконує функцію подібну до гемоглобіну, тільки переносить не кисень, а Ферум, причому тривалентний. Він транспортується в основному до кісткового мозку, а невелика частина потрапляє в печінку і селезінку, де зберігається як запасний фонд; незначна кількість витрачається на утворення міоглобіну і ферментів тканинного дихання. Ферум сприяє постійному оновленню клітин крові. В кістковому мозку проходить утворення гемоглобіну еритроцитів, які існують 4 місяці і розпадаються. [13].

В нормальних умовах «запасний» Ферум входить до складу червоно-ко-ричневого водорозчинного білка феритину.

Отже, основна частина Феруму циркулює у нашому організмі, частина на-копичується у феритині і зовсім незначна кількість осідає у вигляді нерозчинних гранул білка гемосидерину. В феритині і гемосидерині Ферум може зберігатися довго — до тих пір, поки він терміново буде потрібний організму, наприклад, при втраті крові. Тоді «запасний» Ферум використовується для синтезу гемоглобіну. [15].