Żelazo w organizmie

Żelazo to jeden z dziesięciu pierwiastków śladowych, niezbędny w diecie ludzi i zwierząt i najczęściej występujący w organizmie człowieka. Rekomendowana wartość spożycia dla wszystkich grup wiekowych mężczyzn i kobiet w okresie pomenopauzalnym wynosi 8 mg/dzień, w okresie przedmenopazuzalnym zaś 18 mg/dzień. Średnie dzienne spożycie wynosi około 16 – 18 mg/dzień dla mężczyzn i 12 mg/dzień dla kobiet [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Około 65% żelaza związanych jest z hemoglobiną, 10% wchodzi w skład mioglobiny, cytochromów i enzymów zawierających żelazo, a 25% związanych jest z białkami zawierającym żelazo zapasowe, ferrytyną i homosyderyną. Około 0,1% żelaza znajdującego się w organizmie krąży w osoczu jako pula wymienna, przede wszystkim całkowicie związana z transferryną [Jomova, Valko, 2011].

52

Dorosły, 75 kg mężczyzna, zawiera około 4 g żelaza (50 mg/kg), podczas gdy kobieta w trakcie menstruacji posiada około 40 mg/kg tego pierwiastka, co spowodowane jest mniejszą masą erytrocytów i przechowywaniem żelaza [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Zawartość żelaza w organizmie jest zazwyczaj utrzymywana na stałym poziomie. Wynika to z bilansu pierwiastka, który występuje w równowadze. Niewielkie straty żelaza mają miejsce z moczem, potem i śliną. W przypadku braku krwawienia (w tym również miesiączkowego u kobiet), czy ciąży, straty pierwiastka w ciągu dnia są niewielkie. Ubytki równoważone są przyjmowaniem żelaza z pożywieniem [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001; Seńczuk, 2006].

Ludzie spożywają około 12 – 18 mg/dzień zawartego w spożywanych pokarmach, z których tylko 1 – 2 mg jest przyswajalnych [Nadadur et al., 2008].

Dorosły mężczyzna potrzebuje przyswoić około 1 mg/dzień Fe, aby utrzymać równowagę w bilansie żelaza. U kobiety w okresie menstruacji ilość ta jest zwiększona i wynosi około 1,5 mg/dzień. Niewielki odsetek kobiet musi przyswoić około 3,4 mg/dzień. Pod koniec ciąży ilość absorbowanego żelaza powinna wzrosnąć do 4 – 5 mg/dzień, aby zachować równowagę żelaza w organizmie. Zapotrzebowania na ten pierwiastek są również większe w okresie wzmożonego wzrostu we wczesnym dzieciństwie (6 – 24 miesięcy) oraz u nastolatków [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Żelazo pochodzące z diety jest zazwyczaj absorbowane w proksymalnym jelicie cienkim, w pobliżu połączenia żołądka z dwunastnicą [Nadadur et al., 2008].

Za rozprowadzanie żelaza do szpiku kostnego, wątroby, mięśni i innych tkanek odpowiedzialna jest transferryna [Seńczuk, 2006]. Pierwiastek ten przechowywany jest w formie ferrytyny lub hemosyderyny (produkt degradacji ferrytyny). Zazwyczaj wszystkie komórki są zdolne do przechowywania żelaza, ale podstawowym miejscem, gdzie jest ono magazynowane są komórki wątroby, śledziony i szpik kostny [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Żelazo wydalane jest z organizmu w małych ilościach (poza okresem krwawienia i ciąży). Dzienne, podstawowe utraty żelaza ograniczają się do wartości pomiędzy 0,90 i 1,02 mg/dzień u kobiet niemiesiączkujących. Większość wchłoniętego żelaza wydalana jest z kałem. Dzienne utraty żelaza z moczem, skórą i z przewodu pokarmowego wynoszą odpowiednio około 0,08, 0,2 – 0,3 i 0,6 mg/dzień [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Żelazo jest niezbędnym składnikiem odżywczym. Stanowi składnik hemoglobiny i mioglobiny, których celem jest transportowanie i magazynowanie tlenu w mięśniach i tkankach. Żelazo jest również składnikiem enzymów niezbędnych do przemiany energii

53

w organizmie, metabolizmu białek i nukleotydów oraz syntezy białek, tkanek niektórych hormonów i neurotransmiterów [Iron and Health, 2010].

2.3.5.3. Diagnostyka zaburzeń

Stężenie żelaza w tkankach ciała powinno być ściśle regulowane, ponieważ nadmiar tego pierwiastka prowadzi do uszkodzenia tkanek na skutek powstawania wolnych rodników. Zaburzenia metabolizmu żelaza są jednymi z najczęstszych chorób występujących u ludzi, obejmują szerokie spektrum chorób objawiających się różnymi objawami klinicznymi – od niedokrwistości do nadmiaru żelaza i być może schorzeń neurodegeneracyjnych [Gurzau et al., 2003]. Przewlekły stres oksydacyjny może regulować wchłanianie i magazynowanie żelaza, co prowadzi do samopodtrzymującej się i wciąż wzrastającej spirali cytotoksycznych i mutagennych zdarzeń [Gurzau et al., 2003].

Zawartość żelaza w organizmie regulowana jest przede wszystkim przez poziom jego absorpcji, ponieważ ludzie nie posiadają mechanizmów zdolnych do eliminacji nadmiaru tego pierwiastka z organizmu. Wiele zmiennych ma wpływ na wchłanianie tego pierwistka, m.in. zawartość diety, dawki żelaza czy styl życia [Gurzau et al., 2003]. Nadmiar żelaza może wywoływać efekty bardzo toksyczne. Toksyczność ta dotyczy dużej ilości narządów, prowadzi do wielu poważnych schorzeń, takich jak schorzenia wątroby, płuc, serca, ale także do cukrzycy, zaburzeń hormonalnych i zaburzonej pracy systemu odpornościowego [Gurzau et al., 2003].

Ostra toksyczność spowodowana nadmiarem żelaza występuje w wyniku przypadkowego spożycia leków zawierających pierwiastek i najczęściej występuje u dzieci. Przewlekła toksyczność lub przeładowanie żelazem to powszechne problemy występujące u osób dorosłych [Gurzau et al., 2003].

Istnieją trzy podstawowe sytuacje, w czasie których duże ilości żelaza mogą kumulować się w organizmie. Pierwsza z nich dotyczy występowania idiopatycznej hemochromatozy, druga przeładowania żelazem przyjmowanym z dietą, a trzecia może pojawić się z powodu transfuzji krwi spowodowanej pewnymi formami niedokrwistości, zwana syderozą wtórną [Gurzau et al., 2003].

Zbyt duże nagromadzenie żelaza może być związane z wrodzonymi wadami metabolizmu tego pierwiastka (np. hemochromatoza) lub innymi czynnikami (wtórne lub nabyte przeciążanie żelazem). Stan ten prowadzi do postępującego przeładowania żelazem i niewydolności wielonarządowej [Cairo et al., 2006].

Wyróżnić możemy hemochromatozę pierwotną, która jest dziedziczną chorobą metaboliczną, oraz hemochromatozę wtórną (syderozę), która jest stanem patologicznym, charakteryzującym się inną niż mutacja genetyczna przyczyną nadmiaru żelaza w organizmie [Cairo et al., 2006].

Obciążenie żelazem komórek parenchymalnych wątroby, trzustki, serca i innych organów w hemochromatozie upośledza funkcję i uszkadza strukturę tych organów, co prowadzi do marskości i nowotworów wątroby, chorób serca i cukrzycy. Hemochromatoza pierwotna spowodowana jest mutacjami w genach kodujących białka, które regulują lub przeprowadzają jelitowe wchłanianie żelaza z diety [Cairo et al., 2006].

54

Podwyższone poziomy żelaza mogą wiązać się z podatnością wystąpienia choroby wieńcowej i zawału serca [Jomova, Valko, 2011]. Nadciśnienie jest głównym czynnikiem ryzyka chorób układu krążenia, związanym z zespołem metabolicznym i otyłością, przede wszystkim spowodowanym podwyższonym poziomem reaktywnych form tlenu, w których żelazo odgrywa kluczową rolę [Jomova, Valko, 2011].

Po ostrym zatruciu żelazem może dojść do prowadzącej do śmierci hepatotoksyczności. Rozwija się ona u pacjentów w ciągu 24 - 48 godzin i jej efekty są prawdopodobnie zależne od dawki. Badania potwierdzające, czy uszkodzenia wątroby związkami żelaza były zależne od jego dawki, przeprowadzili Robertson i Tenenbein [Robertson, Tenenbein, 2005]. Wśród 73 pacjentów zatrutych związkami żelaza, 60 osób nie wykazało objawów hepatotoksyczności, u czterech wystąpiła łagodna hepatotoksyczność, natomiast u dziewięciu chorych pojawiła się ostra hepatotoksyczność. Autorzy doszli do wniosku, że klinicznie istotne uszkodzenie wątroby występuje przy wartości powyżej 1000 mcg/dl [Robertson, Tenenbein, 2005].

Prawidłowy stan gospodarki żelazowej jest istotny dla prawidłowej produkcji krwinek czerwonych i ogólnego stanu zdrowia. Niedobór żelaza może powodować zaprzestanie syntezy hemoglobiny w komórkach erytroidalnych i indukcję apoptozy zarówno w komórkach erytroidalnych jak i nieerytroidalnych [Cairo et al., 2006].

Niedobór żelaza spowodowany jest zazwyczaj jego nieodpowiednią podażą z diety (lub wadliwego wychwytu) lub istniejącej utraty krwi, co objawia się niedokrwistością. Poważniejszym problemem od samej anemii są niedobory żelaza w tkankach prowadzące do zaburzeń rozwoju psychomotorycznego i funkcji poznawczych w okresie dzieciństwa, zaburzenia zdolności pracy u osób dorosłych i zwiększona możliwość przedwczesnego porodu [Cairo et al., 2006].

W przypadku wystąpienia ciężkiej niedokrwistości, zauważona została zwiększona śmiertelność okołoporodowa matek. Niezrozumiałe są mechanizmy, które prowadzą do śmierci kobiet spowodowanej anemią w tym okresie. Możliwe przyczyny to niewydolność serca, krwotoki i infekcje [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

Żelazo może wpływać na powstawanie wolnych rodników, które powodują przerwanie podwójnej nici DNA i aktywację onkogenu [Gurzau et al., 2003]. Żelazo może również sprzyjać powstawaniu komórek nowotworowych i wzrostowi patogenów. Komórki nowotworowe gruczołu sutkowego wykazują na przykład 5 – 15 razy więcej receptorów transferryny niż prawidłowa tkanka. Przenosząca żelazo transferryna jest w rzeczywistości czynnikiem wzrostu [Gurzau et al., 2003].

Nadmiar żelaza w różnych tkankach organizmu jest związany ze zwiększonym ryzykiem wystąpienia nowotworu w miejscu osadzania się metali. Tym samym osoby wdychające nadmiar żelaza i których makrofagi pęcherzykowe są przeciążone tym metalem, są narażone na zwiększone ryzyko rozwinięcia się nowotworów oskrzeli, płuc, krtani i śródpiersia [Gurzau et al., 2003].

Zaobserwowano istnienie zależności pomiędzy zwiększeniem ryzyka powstania nowotworu jelita grubego przy wyższych ilościach spożywanego żelaza [Iron and Health, 2010].

55

Zwiększone ryzyko powstania nowotworu wątrobowokomórkowego u osób z dziedziczną hemochromatozą i marskością wątroby zostało wielokrotnie udowodnione [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].

2.3.6. Mangan

2.3.6.1. Ogólna charakterystyka

Mangan należy do grupy 7 układu okresowego. Pod względem rozpowszechnienia zajmuje 12 miejsce, stanowi 0,095% skorupy ziemskiej. Po żelazie jest najbardziej rozpowszechnionym metalem ciężkim. Jego masa atomowa wynosi 54,9380, temperatura topnienia 1517 [K] [Bielański, 2012]. Występuje na różnych stopniach utlenienia – od –I do +VII.

Tworzy liczne minerały, ale tylko część z nich ma znaczenie praktyczne. Najważniejszymi jego rudami są braunit, manganit, piroluzyt, hausmanit i rodochrozyt. Związki manganu stanowią zazwyczaj zanieczyszczenie rud żelaza [Bielański, 2012]. Główne ilości rud manganu przerabia się bezpośrednio na żelazomangan (stop z żelazem), który zawiera 30 – 90% Mn i stosuje się go w hutnictwie żelaza [Bielański, 2012]. Mangan jest pierwiastkiem szarobiałym, bardzo kruchym i twardszym od żelaza. Przeważnie służy do wytwarzania stopów oraz jest używany jako utleniacz w procesach metalurgicznych. Stosuje się go także w przemyśle ceramicznym, chemicznym, włókienniczym, do wyrobów barwników, produkcji preparatów ochrony roślin, nawozów sztucznych oraz do wyrobu elektrod spawalniczych [Seńczuk, 2006].

Czysty mangan otrzymuje się za pomocą elektrolizy wodnych roztworów soli manganu lub przeprowadzając redukcję tlenków metodą aluminotermiczną [Bielański, 2012]. Źródłem manganu w pożywieniu są produkty zbożowe, które stanowią 37% zapotrzebowania na ten pierwiastek z diety, napoje (herbata) oraz warzywa, stanowiące odpowiednio 20% i 18% w diecie osób dorosłych [DRI Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc, 2001].