吸收与流失
饮食中的铁分为血基质铁(heme iron)和非血基质铁(nonheme iron)两种。食物中的非
血基质铁主要是三价铁(Fe3+),在小肠细胞的刷状缘(Brush border)上的铁离子还原酶
(ferric reductase)还原为二价亚铁离子(Fe2+),然后在小肠前段(十二指肠)吸收,而空
肠及回肠因碱性胰液注入,铁的溶解度降低,所以吸收极少。含铁较多的食物有:红色肉
类、动物内脏、绿色蔬菜(如菠菜)、芝麻、蚝、蛤等。
小肠有三种负责吸收铁的分子:
1.原红素携带蛋白(Heme carrier protein 1): 主要在小肠前段,越往末端含量越少,负责吸收
食物中的血基质铁。食物中的血红素(hemoglobin)、肌红素(myoglobin)在肠道中经蛋白
质酶分解释出血基质铁,经由原血红素携带蛋白进入小肠细胞后,会被酵素水解成无机铁离
子与吡喀紫质(Protoporphyrin),无机铁离子便可与其他蛋白质结合进入循环。
2.DMT-1(Divalent Cation/Metal Transporter-1,也可称DCT-1): 位于小肠的肠上皮细胞
(Enterocyte)膜上,是小肠吸收铁的运输蛋白,由561个氨基酸组成,含有12个穿膜区。
由于DMT-1只接受二价金属离子,所以肠道内游离的Fe3+须经Dcytb (duodenal cytochrome
b reductase)还原成Fe2+,才能够被DMT-1运输到肠上皮细胞内。DMT-1不只对铁有专一性,
也对Zn2+、 Mn2+、 Cu2+、 Co2+、Ni2+有活性,甚至是对人体有毒的Pb2+和Cd2+,由
于Zn2+和Fe2+使用同一种运输蛋白,故在肠道内两者会竞争,影响铁吸收。
3.穿膜蛋白(Intergrin): 在小肠绒毛细胞上的一种穿膜蛋白可与肠道内游离的铁离子结合而
运送到绒毛细胞内,然后铁离子会被多种还原剂如:flavin-dependent ferrireductase、
NADPH-dependent ferrireductase、维他命C(vitamin C)还原成亚铁离子,再和多种配体(ligand)
结合以增加其稳定性,这些配体可能是氨基酸─组胺酸(histidine)或半胱胺酸(cysteine)─或
蛋白质结合。
饮食的铁只有10~30%会被吸收。铁易被吸收的因素有:血基质铁,缺铁或在生长发育中的
儿童、孕妇,维生素C与肉类;不利铁吸收的因素有:非血基质铁,胃部切除导致胃酸缺
乏或分泌量减少,腹泻、粥样泻等消化道疾病、草酸(oxalate)、磷酸(phosphate)、及植
酸(phytate)会与铁形成不溶的盐类、纤维素(cellulose)、、单宁(tannin)。所以摄取铁时,
应注意食物搭配以增加吸收效率。
成人会因细胞脱落而流失铁,每日经尿液流失铁0.1微克,消化道流失0.3~0.5毫克,汗液
排失0.05~1.0毫克;生育年龄妇女因月经流失的铁量很多,平均每日超过0.5毫克。
储存
身体中铁离子主要存在于肝脏、脾脏及骨髓之中。运铁蛋白(transferrin)会将铁离子送到
肝脏,此处存有身体60%的铁离子;剩下的40%则在肝脏、脾脏及骨髓的网状内皮细胞
(reticuloendothelial cell, RE)。大部分存在网状内皮细胞的铁离子,是红血球胞噬作用
(phagocytosis),血红素(hemoglobin)降解所产生。
主要在细胞中储存铁的是储铁蛋白(ferritin)。组织中的储铁蛋白会和血清中的储铁蛋白达
成平衡,因此血清中的储铁蛋白为身体内储铁量的指标:每一毫升血清中含有1纳克的储
铁蛋白等于身体中有10毫克的储铁量。正常成年人血清储铁蛋白的浓度应超过12ng/ml(纳
克/毫升)。然而其并非身体内储铁量的有效指标,因储铁蛋白本身是急性期蛋白(acute phase
protein, APP),会因发炎反应而上升,时间甚至持续数周。
铁循环与恒定
虽然从饮食中摄取铁对于维持体内铁含量很重要,但最主要的铁供应源,是身体中铁离子
的循环。
大部分藉运铁蛋白输送而进入细胞质中的铁离子是来自血红素(hemoglobin)、储铁蛋白及
血铁营养的降解。主要发生在网状内皮系统的胞噬作用是血红素,而存于储铁蛋白及血铁营
养的铁则在肝脏、脾脏及骨髓中被降解。
简单来说,老旧的红血球会在脾脏中被巨噬细胞吞噬,而肝脏及骨髓中则分别由网状内皮巨
噬细胞(reticuloendothelial cell macrophages)及库佛式细胞(Kupffer cell)所分解。在血红
素的降解过程中,血基质(heme)会经由血基质氧化酶(heme oxygenase)转换成胆绿素
(biliverdin)再转成胆红素(bilirubin),而后分泌至胆汁中排出体外,使血基质中的铁离子
恢复至游离态。血基质的降解使每日约有20~25毫克的铁离子可供使用。Ferroportin是另
一种促进小肠吸收铁营养的蛋白质,它会使铁离子离开巨噬细胞,使铁营养可被重复利用。
虽然大部分的红血球是在网状内皮系统中被分解,但仍有约10%的分解是发生在血液中。
反应后形成含铁的化合物则被送到肝脏中,继续进行分解以利铁的循环利用。
为什么需要与铁结合的蛋白质
铁是具有高氧化力的元素,举例来说,游离的二价铁离子会与过氧化氢作用,形成氢氧离子
(hydroxyl radical OH-)。氢氧离子有很高的活性,会伤害细胞。因此我们需要运铁蛋白、储
铁蛋白等等蛋白质来稳定铁离子。此外,人体中的如果有细菌感染,这些细菌会利用游离的
铁离子,而生长、增殖。因此把铁与蛋白质结合在一起可以确保,没有细菌可以利用铁,具
有免疫上的重要意义。
运送与利用
吸收之铁与血浆中的运铁蛋白携带输送到造血组织与全身细胞。每分子运铁蛋白可以携带两
个三价铁离子。健康者的运铁蛋白大约有30~40%为与铁结合,其余60~70%则未携铁,可
以接受任何来源的铁营养。 血浆中可供利用的铁有三种来源:
1.由肠道吸收的饮食中的铁营养,每日约有0.5~2.0毫克;
2.身体内储存的铁营养;
3.老化红血球在脾脏网状内皮细胞分解而回收之铁,此来源供应最多,每日约有20~25毫克。
约1公克的铁平均分配到身体每个细胞,作为酵素与含铁蛋白的构成分。超过需求之铁会储
存在肝脏、脾脏及骨髓。男性储存铁量约0.5~1.5公克,女性储存铁量通常较低约0.3~1.0
公克。细胞中储存铁的蛋白质是铁蛋白(ferritin)与血铁营养(hemosiderin);血铁营养含
铁达35%,但较不易释出利用。
细胞摄铁与恒定机制
铁营养在体内的运输需要靠运铁蛋白,但必须要从二价离子氧化成三价才能与运铁蛋白结
合。在人体内,由两种蛋白质完成这件工作,分别是在小肠细胞中发现的希菲斯特蛋白
Hephaestin( Hephaestus是希腊火神的名字 ),与全身都有的血浆铜蓝蛋白(ceruloplasmin)。
细胞摄铁机制
运铁蛋白与三价铁离子的结合力非常高(1023 M-1 在 pH 7.4下),但当酸碱值(pH值)下降时,
亲和力就会降低。因此当带有两个铁离子的运铁蛋白(又称饱和运铁蛋白)与细胞膜上之运铁
蛋白受器(Transferrin receptor)结合后,细胞膜形成囊泡以胞饮作用(Pinocytosis)送到细
胞质中,囊泡膜上氢离子帮浦(Proton pump)会以主动运输将氢离子输入,使泡内pH值降
到5.5,以利铁离子脱离运铁蛋白。再经由囊泡膜上的DMT1运输蛋白与铁离子运输刺激因
子(Stimulator of Fe Transport,SFT)送出到细胞质中,暂时储存于储铁蛋白(ferritin)中
以供利用。
细胞上运铁蛋白受器及其内储铁蛋白的数量,会受细胞内含铁量的调控。当铁含量减少时,
运铁蛋白受器的数量增多,自细胞外运入更多的铁离子;同时储铁蛋白的数量降低,减少细
胞内铁的储存。
含铁量需透过铁反应蛋白(Iron response protein, IRP)作用,调控运铁蛋白受器及储铁蛋白的
数量。细胞内含铁量会影响铁反应蛋白的功能,使其可参与不同的生理作用。当含铁量高时,
铁反应蛋白具有作为柠檬酸循环(Citrate acid cycle)中乌头酸酶(Aconitase)的活性;但当含铁
量低时,铁反应蛋白便会和铁反应单位(Iron response element, IRE)结合。
铁反应单位
铁反应单位是一段特别的mRNA序列,具二级结构(Secondary structure),当与铁反应蛋白结
合后,会使带有这段序列的mRNA更容易或更不易转译出蛋白质。在运铁蛋白受器的
mRNA,及储铁蛋白mRNA的5'端未转译区(5'-untranslated region, 5'-UTR)上,均具有铁反
应单位。当铁反应蛋白与运铁蛋白受体mRNA上的铁反应单位结合后,可稳定这段mRNA,
使其可转译出更多的运铁蛋白受器;然而若铁反应蛋白与储铁蛋白mRNA上的铁反应单位
结合,则会抑制这段mRNA表现而减少储铁蛋白的转译。这种经由影响mRNA的稳定性,
以控制蛋白质转译量多寡的方式,称为后转录调节(Post-transcriptional regulation),即调节在
mRNA转录后进行。细胞借由这种方式,便得以根据其内铁含量的多寡,调控相关蛋白质
的表现以符合所需。
吸收与流失
饮食中的铁分为血基质铁(heme iron)和非血基质铁(nonheme iron)两种。食物中的非
血基质铁主要是三价铁(Fe3+),在小肠细胞的刷状缘(Brush border)上的铁离子还原酶
(ferric reductase)还原为二价亚铁离子(Fe2+),然后在小肠前段(十二指肠)吸收,而空
肠及回肠因碱性胰液注入,铁的溶解度降低,所以吸收极少。含铁较多的食物有:红色肉
类、动物内脏、绿色蔬菜(如菠菜)、芝麻、蚝、蛤等。
小肠有三种负责吸收铁的分子:
1.原红素携带蛋白(Heme carrier protein 1): 主要在小肠前段,越往末端含量越少,负责吸收
食物中的血基质铁。食物中的血红素(hemoglobin)、肌红素(myoglobin)在肠道中经蛋白
质酶分解释出血基质铁,经由原血红素携带蛋白进入小肠细胞后,会被酵素水解成无机铁离
子与吡喀紫质(Protoporphyrin),无机铁离子便可与其他蛋白质结合进入循环。
2.DMT-1(Divalent Cation/Metal Transporter-1,也可称DCT-1): 位于小肠的肠上皮细胞
(Enterocyte)膜上,是小肠吸收铁的运输蛋白,由561个氨基酸组成,含有12个穿膜区。
由于DMT-1只接受二价金属离子,所以肠道内游离的Fe3+须经Dcytb (duodenal cytochrome
b reductase)还原成Fe2+,才能够被DMT-1运输到肠上皮细胞内。DMT-1不只对铁有专一性,
也对Zn2+、 Mn2+、 Cu2+、 Co2+、Ni2+有活性,甚至是对人体有毒的Pb2+和Cd2+,由
于Zn2+和Fe2+使用同一种运输蛋白,故在肠道内两者会竞争,影响铁吸收。
3.穿膜蛋白(Intergrin): 在小肠绒毛细胞上的一种穿膜蛋白可与肠道内游离的铁离子结合而
运送到绒毛细胞内,然后铁离子会被多种还原剂如:flavin-dependent ferrireductase、
NADPH-dependent ferrireductase、维他命C(vitamin C)还原成亚铁离子,再和多种配体(ligand)
结合以增加其稳定性,这些配体可能是氨基酸─组胺酸(histidine)或半胱胺酸(cysteine)─或
蛋白质结合。
饮食的铁只有10~30%会被吸收。铁易被吸收的因素有:血基质铁,缺铁或在生长发育中的
儿童、孕妇,维生素C与肉类;不利铁吸收的因素有:非血基质铁,胃部切除导致胃酸缺
乏或分泌量减少,腹泻、粥样泻等消化道疾病、草酸(oxalate)、磷酸(phosphate)、及植
酸(phytate)会与铁形成不溶的盐类、纤维素(cellulose)、、单宁(tannin)。所以摄取铁时,
应注意食物搭配以增加吸收效率。
成人会因细胞脱落而流失铁,每日经尿液流失铁0.1微克,消化道流失0.3~0.5毫克,汗液
排失0.05~1.0毫克;生育年龄妇女因月经流失的铁量很多,平均每日超过0.5毫克。
储存
身体中铁离子主要存在于肝脏、脾脏及骨髓之中。运铁蛋白(transferrin)会将铁离子送到
肝脏,此处存有身体60%的铁离子;剩下的40%则在肝脏、脾脏及骨髓的网状内皮细胞
(reticuloendothelial cell, RE)。大部分存在网状内皮细胞的铁离子,是红血球胞噬作用
(phagocytosis),血红素(hemoglobin)降解所产生。
主要在细胞中储存铁的是储铁蛋白(ferritin)。组织中的储铁蛋白会和血清中的储铁蛋白达
成平衡,因此血清中的储铁蛋白为身体内储铁量的指标:每一毫升血清中含有1纳克的储
铁蛋白等于身体中有10毫克的储铁量。正常成年人血清储铁蛋白的浓度应超过12ng/ml(纳
克/毫升)。然而其并非身体内储铁量的有效指标,因储铁蛋白本身是急性期蛋白(acute phase
protein, APP),会因发炎反应而上升,时间甚至持续数周。
铁循环与恒定
虽然从饮食中摄取铁对于维持体内铁含量很重要,但最主要的铁供应源,是身体中铁离子
的循环。
大部分藉运铁蛋白输送而进入细胞质中的铁离子是来自血红素(hemoglobin)、储铁蛋白及
血铁营养的降解。主要发生在网状内皮系统的胞噬作用是血红素,而存于储铁蛋白及血铁营
养的铁则在肝脏、脾脏及骨髓中被降解。
简单来说,老旧的红血球会在脾脏中被巨噬细胞吞噬,而肝脏及骨髓中则分别由网状内皮巨
噬细胞(reticuloendothelial cell macrophages)及库佛式细胞(Kupffer cell)所分解。在血红
素的降解过程中,血基质(heme)会经由血基质氧化酶(heme oxygenase)转换成胆绿素
(biliverdin)再转成胆红素(bilirubin),而后分泌至胆汁中排出体外,使血基质中的铁离子
恢复至游离态。血基质的降解使每日约有20~25毫克的铁离子可供使用。Ferroportin是另
一种促进小肠吸收铁营养的蛋白质,它会使铁离子离开巨噬细胞,使铁营养可被重复利用。
虽然大部分的红血球是在网状内皮系统中被分解,但仍有约10%的分解是发生在血液中。
反应后形成含铁的化合物则被送到肝脏中,继续进行分解以利铁的循环利用。
为什么需要与铁结合的蛋白质
铁是具有高氧化力的元素,举例来说,游离的二价铁离子会与过氧化氢作用,形成氢氧离子
(hydroxyl radical OH-)。氢氧离子有很高的活性,会伤害细胞。因此我们需要运铁蛋白、储
铁蛋白等等蛋白质来稳定铁离子。此外,人体中的如果有细菌感染,这些细菌会利用游离的
铁离子,而生长、增殖。因此把铁与蛋白质结合在一起可以确保,没有细菌可以利用铁,具
有免疫上的重要意义。
运送与利用
吸收之铁与血浆中的运铁蛋白携带输送到造血组织与全身细胞。每分子运铁蛋白可以携带两
个三价铁离子。健康者的运铁蛋白大约有30~40%为与铁结合,其余60~70%则未携铁,可
以接受任何来源的铁营养。 血浆中可供利用的铁有三种来源:
1.由肠道吸收的饮食中的铁营养,每日约有0.5~2.0毫克;
2.身体内储存的铁营养;
3.老化红血球在脾脏网状内皮细胞分解而回收之铁,此来源供应最多,每日约有20~25毫克。
约1公克的铁平均分配到身体每个细胞,作为酵素与含铁蛋白的构成分。超过需求之铁会储
存在肝脏、脾脏及骨髓。男性储存铁量约0.5~1.5公克,女性储存铁量通常较低约0.3~1.0
公克。细胞中储存铁的蛋白质是铁蛋白(ferritin)与血铁营养(hemosiderin);血铁营养含
铁达35%,但较不易释出利用。
细胞摄铁与恒定机制
铁营养在体内的运输需要靠运铁蛋白,但必须要从二价离子氧化成三价才能与运铁蛋白结
合。在人体内,由两种蛋白质完成这件工作,分别是在小肠细胞中发现的希菲斯特蛋白
Hephaestin( Hephaestus是希腊火神的名字 ),与全身都有的血浆铜蓝蛋白(ceruloplasmin)。
细胞摄铁机制
运铁蛋白与三价铁离子的结合力非常高(1023 M-1 在 pH 7.4下),但当酸碱值(pH值)下降时,
亲和力就会降低。因此当带有两个铁离子的运铁蛋白(又称饱和运铁蛋白)与细胞膜上之运铁
蛋白受器(Transferrin receptor)结合后,细胞膜形成囊泡以胞饮作用(Pinocytosis)送到细
胞质中,囊泡膜上氢离子帮浦(Proton pump)会以主动运输将氢离子输入,使泡内pH值降
到5.5,以利铁离子脱离运铁蛋白。再经由囊泡膜上的DMT1运输蛋白与铁离子运输刺激因
子(Stimulator of Fe Transport,SFT)送出到细胞质中,暂时储存于储铁蛋白(ferritin)中
以供利用。
细胞上运铁蛋白受器及其内储铁蛋白的数量,会受细胞内含铁量的调控。当铁含量减少时,
运铁蛋白受器的数量增多,自细胞外运入更多的铁离子;同时储铁蛋白的数量降低,减少细
胞内铁的储存。
含铁量需透过铁反应蛋白(Iron response protein, IRP)作用,调控运铁蛋白受器及储铁蛋白的
数量。细胞内含铁量会影响铁反应蛋白的功能,使其可参与不同的生理作用。当含铁量高时,
铁反应蛋白具有作为柠檬酸循环(Citrate acid cycle)中乌头酸酶(Aconitase)的活性;但当含铁
量低时,铁反应蛋白便会和铁反应单位(Iron response element, IRE)结合。
铁反应单位
铁反应单位是一段特别的mRNA序列,具二级结构(Secondary structure),当与铁反应蛋白结
合后,会使带有这段序列的mRNA更容易或更不易转译出蛋白质。在运铁蛋白受器的
mRNA,及储铁蛋白mRNA的5'端未转译区(5'-untranslated region, 5'-UTR)上,均具有铁反
应单位。当铁反应蛋白与运铁蛋白受体mRNA上的铁反应单位结合后,可稳定这段mRNA,
使其可转译出更多的运铁蛋白受器;然而若铁反应蛋白与储铁蛋白mRNA上的铁反应单位
结合,则会抑制这段mRNA表现而减少储铁蛋白的转译。这种经由影响mRNA的稳定性,
以控制蛋白质转译量多寡的方式,称为后转录调节(Post-transcriptional regulation),即调节在
mRNA转录后进行。细胞借由这种方式,便得以根据其内铁含量的多寡,调控相关蛋白质
的表现以符合所需。