细菌的代谢类型
江苏/柴志坚
细菌是单细胞的原核生物,是当前所了解的生物界最古老而且分布最广泛的类群。细菌有球菌、杆菌、螺旋菌(包括弧菌)三种形态。根据分裂后细胞的组成情况,可分为单球菌、双球菌、链球菌和葡萄球菌等几类。细菌的代谢类型是本节所学知识的疑难点之一。
依据新陈代谢同化作用方式来分,少数是自养型,多数是异养型 一、
1(自养型细菌可分为光能合成细菌和化能合成细菌。
光能合成细菌是指能利用光能合成有机物的细菌,已知有绿硫细菌、红硫细菌等。这些细菌的菌体内含有类似于绿色植物体内叶绿素那样的光合色素,这种光合色素叫做细菌叶绿素。有的光合细菌还含有大量的类胡萝卜素,从而使菌体呈现出红色。细菌光合作用是在无氧条件下,以硫化氢等无机物作为二氧化碳的还原剂,同时析出硫,但不产生氧气的反应,反应式可表示为:
光能612126COHSCHOSHO,,,,,,, 2261262细菌叶绿素
化能合成细菌能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量,以环境中的二氧化碳为碳的来源,来合成有机物,并且储存能量。例如硝化细菌能将土壤中的氨(NH)3氧化成亚硝酸(HNO)或硝酸(HNO),硫细菌能把硫化物(如HS)氧化成硫酸盐,232
铁细菌能够将硫酸亚铁氧化成硫酸铁。其中硝化细菌合成有机物的过程可表示为:
硝化细菌2322NHOHNOHO,,,,,,,,能量3222
硝化细菌 22HNOOHNO,,,,,,,能量223
能量COHOCHOO,,,,,,()2222
2(异养型细菌中分布最广的是腐生细菌,它们从动植物遗体或动物排泄物中获取有机物,使之分解成简单的小分子物质,对自然界中碳等元素的循环有重要的作用。异养型细菌中还有营寄生生活的细菌。许多寄生细菌能破坏寄主的细胞和组织,或它们的代谢产物对寄主有毒害作用,如白喉杆菌、肺结核杆菌、破伤风杆菌、霍乱弧菌等。寄生细菌中能引起寄主发病的又叫病原菌。
二、依据新陈代谢异化作用方式来分,可分为需氧型(好氧细菌)和厌氧型(厌氧细菌)
需氧型细菌是在有氧条件下生活的一类细菌,包括硝化细菌、枯草杆菌、黄色短杆菌、谷氨酸棒状杆菌等。一般在空气中正常生活的绝大多数细菌都是需氧型细菌。而某些腐生细菌、深层土壤细菌、破伤风杆菌、乳酸菌等少数细菌只有在无氧条件下才能生活,是厌氧型细菌。
三、从进化过程来分析
原始生命出现在还原性大气的环境中,代谢类型应属于异养厌氧型。自从出现了光合细菌和蓝藻以后,原始大气中有了氧气,才出现了兼性厌氧型细菌和需氧型细菌。
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细菌代谢类型的特点
细菌代谢类型的特点
钱留华(江苏省泰兴中学 225400)
细菌得代谢类型之多,代谢之强,分布范围之广,是其它类生物所不及的。 1 各种代谢类型俱全
1.1 异养需氧型 这类菌是细菌大家族中的主要成员,种类和数量最多,如枯草杆菌 (Bacillus subtilis),一般得病原菌等大多数细菌。从同化作用方面来看,跟据它们的栖息 场所和获取养料的方式而分为腐生和寄生两类。在腐生和寄生之间又存在着既可腐生又可 寄生的中间类型,例如食菌蛭弧菌(B. Bacteriouorus)的生活周期中有寄生和腐生两阶段。 从异化作用方面来看,这类菌为好气性细菌,必须在有氧环境中生活,产能代谢过程以分 子氧为最终电子受体,进行有氧呼吸。培养时需进行振荡,搅拌或同气,以供给充足的氧 气。
1.2 异养厌氧型 这类菌是地球上最早出现的细菌类型。也有腐生和寄生之分。它们在
无氧的环境中生活,故又称为嫌气性细菌,产能代谢过程以有机物中的氧为最终电子受 体。如能分解蛋白质,产生对人畜有毒害作用的烈性毒素的肉毒芽孢梭菌(C. Batulinum) 就属这一类型。
1.3 自养需氧型 细菌除大多数异养外也有少数是自养的,在这少数自养菌中,需氧
菌主要是指化能合成作用的细菌。它能够从无机物氧化中得到能量,并以CO
2作唯一的碳
源来制造有机养料。例如,硫细菌能将元素硫或还原态硫化物(包括H2S,硫代硫酸盐等)
氧化成硫酸或硫,并利用氧化过程中释放的能量。将CO2和H2O合成有机物营养自己。 1.4 自养厌氧型 主要指光合细菌。该类细菌具有类似于植物叶绿素a的光合色素,分子中含有镁卟啉环。由于这类吸菌只有一个光反应系统,不以H2O为供氢体,而是利用硫化氢等无机的还原剂,把CO2还原为有机物。例如奥庚氏红硫细菌(Chlorlbium okemii),尼生绿硫细菌(Chlorlbium limicola),它们大多不能运动,可以利用光能同化CO2,进行
光合作用。
6CO2+12H2S———C6H12O6+6H2O+12S
从反应式可以看出,细菌的光合作用是非放氧性的。也有不以二氧化碳为碳原的,如柴
明等报道的球形红假单菌(R. Sphueroides)在对碳源的利用上,对甘油,山梨醇,甘露醇
和酒石酸钠具有明显的利用性。这类细菌一般生活在接近水面光强度较高的厌气水层中,
也有不以二氧化碳为碳源的,如柴明等报道的球形红假单细菌(R. Sphueroides)在对碳源的利用上,对甘油,山梨醇,甘露醇和酒石酸纳具有明显的利用性。这类细菌一般生活在
接近水面光强度较高的厌气水层中,也能在池沼,水田,海洋和灌水的土壤中生长。光合
细菌具有净化高浓度有机废水的能力。据小林达治报道,光合细菌菌体含有大量蛋白质,
核酸,维生素,类胡萝卜素等,对植物的生长有促进作用。
2 中间过度类型的存在
细菌代谢类型的划分不是绝对的,在自养型和异养型之间过渡类型。
2.1 兼性自养型 是指既可进行自养生长又能进行异养生长的细菌。如嗜糖假单细
胞菌(Pseudomonas sac-charophila)等氢细菌在完全无机的环境中,利用氢的氧化以得
能量将CO
2还原而营自养生活;在环境中存在有机物时便直接利用有机物而营异养生活。
2.2 光能异养型 是介于自养菌和异养菌之间的类型。这类细菌利用光作能源,有
机物作为供氢体,还原CO2合成有机物。例如红螺细菌(Rhodospirillaceae)能利用异丙
醇作为供氢体进行光合作用,并积累丙酮:
以上反应式可以看出,这种光合作用不同于绿色植物的光合作用之间的类型。 2.3 兼性厌氧型 属于这一类型的细菌具有有氧呼吸和无氧呼吸的酶系,因此既
能在无氧条件下通过发酵(包栝无氧呼吸)获得能量,也能在无氧条件下进行有氧呼吸。
如伊氏螺菌(Spirillum icersonii),脱氮小球菌(Micrococcus denitrigeans)等反硝化细菌,
它们生活在土壤或水中,环境中有氧时则进行有氧呼吸,即反硝化作用。这一类型介于
需氧菌和厌氧菌逐步演变而来。
3 特殊类型的发现
3.1 光能固氮菌 通常的细菌或者只能进行光合作用,或只为植物固氮,美国波
斯汤普森研究所的植物生理学家发现的一种叫Phoiorhizobinm thompsonum 的细菌具有
“双功能”,既能从阳光中获得能量又能将氮转化给植物利用。
3.2 极限环境菌 在一些极限环境中发现的能顽强地生长和繁殖的生物大多为细
菌。例如包罗什(Baross)等分离到能在 2.68*10^Pa和250C的高温中生长的细菌 ,
这是迄今文献中所记录的生物生长的最高温度;日本微生物家在熊本地区土壤中发现了
可在甲苯中生长和繁殖的细菌,该菌能在70%的甲苯中生活,它也不怕其它有机溶剂, 例如二甲苯,乙基苯等;美国疾病中心分离的麦奇尼科夫氏弧菌(V.metschnikoun)能
在较高的盐溶液中生活等等。
铁的代谢
1、铁的吸收:食物中的铁主要以Fe2+的形式在十二指肠和空肠上段被吸收,进入肠粘膜细胞的Fe2+被氧化成Fe3+,其中一部分与细胞内的去铁蛋白结合形成铁蛋白暂时保存在肠粘膜细胞中,另一部分与胞浆中载体蛋白结合后移出肠粘膜细胞进入血液,与血浆中的转铁蛋白(Tf)结合,送往各个需要铁的组织被利用,未被利用的部分则与去铁蛋白结合而形成铁蛋白作为贮存备用铁,红细胞破坏后释放的铁也通过Tf结合运送。 2、铁的排泄:铁的排泄主要依靠肠细胞的脱落。
3、基本概念:正常情况下,血浆中的转铁蛋白仅1/3与铁结合,此结合的铁成为血清铁(SI),其余2/3的转铁蛋白仍具有与铁结合的能力,在体外加入一定量的铁可使其成饱和状态,所加入的铁量即为未饱和铁结合力。血清铁与未饱和铁结合力之和称之为血清总铁结合力(TIBC)。血清铁在总铁结合力中所占的百分比称之为转铁蛋白饱和度(TS)
然后问题解答:
缺铁性贫血,顾名思义,机体缺铁了(已经除外了能够提供足够的铁供机体消耗的情况),机体就会做出代偿性的反应,包括增加吸收、利用、减少排泄,机体会利用储存在各个地方的铁蛋白,让他们释放出贮备用铁,与此同时,机体也会增加转铁蛋白的量,被吸收和释放出来的铁只有与转铁蛋白结合才能被送到各个地方去利用,换言之能够结合铁的转铁蛋白总量是增加的即总铁结合力升高,转铁蛋白饱和度的分母相较于正常情况下是增加的。如果释放和吸收的铁能够满足机体的需要,则SI值正常,但是机体的铁蛋白降低(贮备被消耗),这时转铁饱和度的分子还是正常值,分子正常,分母增加,比值降低,转铁蛋白饱和度降低;如果释放和被吸收的铁已经不能满足机体的需要,则SI值已经降低,分子降低,分母增加,比值仍然降低,转铁蛋白饱和度降低。
铁的代谢
铁的代谢
铁的代谢包括了铁的吸收 , 在体内的运转分布,形成各种功能性铁蛋白发挥其重要生理 作用。 铁的储存, 铁蛋白分解后铁的再利用及排滞等一系列复杂的生理过程。 尽管历经上百 年的不懈探索, 人们已经了解了铁代谢的基本过程, 但科学的讲, 我们的铁在生理体内的许 多代谢细节和调控律还并不真正了解。 深入研究, 掌握铁的代谢规律依然是一个诱人而广阔 的研究领域。
1.铁的吸收
1938年、 McCane 和 Widdowson 通过口服和静脉注射铁剂后,观察铁的吸收及利用情 况。他们发现与其他微量元素不同,铁的排泄能力并不是一个恒定的数值,为此,他们认为 铁的吸收得到了肠道的调节 [1]。 McCane 和 widdowson 的工作是人们认识铁吸收规律的第一 项飞跃。此后一些工作证实了 McCane 等的认识。但对铁在机体的内稳态机制了解很少。 Granik 在 1946年提出了第一个铁吸收模式,认为铁有倡导粘膜细胞由肠道粘膜细胞吸收, 并与粘膜细胞中的储铁蛋白结合,然后根据生理需求,铁进入血液 [2]。这样, Granik 认为 肠道粘膜细胞中储铁蛋白库是铁吸收得到调节的原因。进入 60年代后,越来越多的研究结 果表明,铁似乎并不经过粘膜细胞中的铁库,而是直接被肠道吸收的 [3, 4]。另一些研究成 果则显示粘膜细胞储铁蛋白的含量与体内铁水平有一定相关性。 这样 Wheby 在 1966年提出 了新的铁吸收模式,即铁是直接吸收的,但其吸收水平则受到粘膜细胞中储铁蛋白的调节 [5]。现在看来,粘膜细胞中储铁蛋白的确对铁吸收的抑制和促进起着重要作用,不仅如此, 粘膜铁蛋白血液中的转运速度也是铁吸收的重要调节因素。
Cavill 等在 70年代中期发现铁吸收也受到血液中铁周转率 (p1asma iron turnover, PIT)的调节 [6],实验中他们观察到缺铁病人铁吸收的增加与 PIT 的增加有很好的相关性。另一 研究发现给动物输血引起 PIT 增加,进而引起铁吸收率的增加 [7]。这些研究结果形成了目 前还在使用的铁吸收的内稳态 (home stasis)模型, 这一模型的雏形最初由 Cannon 提出, 他也 是最早在铁吸收中使用内稳态的人 [8]。这一模型中铁的吸收受到多因素反馈调节。结果造 成肠道铁摄入量与废用血铁蛋白中铁的重新利用共同与铁排泌形成平衡。形成铁吸收 (包括 内源铁再利用 ) ,铁储存运输和生理活动用铁间的有机平衡内稳调控机制。从而保证生理过 程中铁的需求。
新近的一些生化研究结果表明,由 DNA 编码的储铁蛋白、运铁蛋白及其受体的合成过 程受到机体铁水平的调控, 从而使得铁缺乏时, 铁吸收率及内源铁使用率升高, 同时储铁减 少, 而膳食铁水平高时, 铁摄入量下降, 储铁水平升高, 形成功能性铁水平的相对稳定性 [9]。 食物中的铁在胃中解离为卟啉铁或铁离子, 并将 Fe3十还原为 Fe2十, 进而形成可溶或 不溶的铁复合物。 多数铁在胃粘膜蛋白的保护下进入十二指肠。 肠道绒毛细胞对铁复合物进 行吸收,已证明有些吸收过程是耗能的。铁通过肠细胞进入血液和胞间液的速度是很快的, 同位素 Fe 经口服用几分钟后即可在血中发现, 血中 Fe 同位素含量在 2小时左右达到最高峰, 以后逐渐下降 [10]。同位素标记研究还发现,大部分铁直接经十二指肠粘膜细胞吸收进入血 液,但也有一部分铁结合到了粘膜细胞的储铁蛋白中。 Conard 等认为肠粘膜细胞中的一种 跨膜蛋白—整合蛋白 (Integrin)对铁吸收有调节作用, 他们还发现一种可携铁从胞间质进入细 胞的蛋白—可运转储铁蛋白 (mobiliferrin),不仅是铁吸收重要调节因子,同时该蛋白还可与 Zn 、钴、铅等多种微量元素结合 [11, 12],这一发现解释了铁与这些物质存在的竞争性吸收 现象。 进而 Conard 提出了铁的粘膜蛋白→可运储铁蛋白→整合蛋白的铁吸收新模式。 当然, 这 一 模 式 仍 需 要 更 好 的 实 验 证 据 。 新 近 的 研 究 还 表 明 , 储 铁 蛋 白 、 脱 铁 运 铁 蛋 白
(Apotransferrin)对铁吸收的调节作用尚不能确定。从已有资料来看,铁的吸收机理并不完全 清楚,能够肯定的铁吸收代谢调控因素为:PIT 或红细胞形成及降解周转率以及机体储铁水 平。
2.铁的排泄
55Fe稳定性同位素标记研究表明,人体铁的日排出量为 0.95-1.02mg ,其中肠道排出 0. 6mg ,尿 o . 1mg ,皮肤损失 0. 2-o . 3mg 。女性失铁多而体存铁又较少是造成女性易贫 血的原因。体内储铁水平的变化对铁排出有一些影响。如铁缺乏可降低铁排泄量至 0. 5mg /d ,而铁过量者的铁排泄量可达到 1. 5mg/d。当然这一影响并不是很大。其他造成丢失的 原因有献血、寄生虫感染、慢性便血等 [9]。
3.铁的转运、利用和保存
运铁蛋白肠道吸收的铁和体内血红素分解的铁经血液转运至机体各部位, 与需铁组织细 胞膜上的运铁蛋白受体结合, 运铁蛋白受体的铁运入细胞内。 目前, 运铁蛋白及运铁蛋白受 体的三维结构, 铁结合部位以及其基因编码已研究的比较清楚, 这两种蛋白的合成均受到机 体铁水平的调控 [13]。红血球的合成在骨髓完成,作为颗粒球,单核细胞及血小板等细胞前 体的多能干细胞也是合成红血球的前体。铁卟啉的合成在骨髓细胞的线粒体及细胞质进行, 形成的铁卟啉与珠蛋白亚单位结合形成血红蛋白。正常情况下,约 80%与血浆转铁蛋白结 合 59Fe 进入骨髓中红血球细胞, 4— 6天后这些标记铁又再现于循环的红血球中。血红蛋白 与红血球形成的后期的网织红细胞结合,形成红细胞,并进入循环 [14]。铁卟啉的合成过程 由图 1示出。
体内过多的铁蛋白和铁血黄素形式储存。 铁蛋白中的铁被脱铁蛋白包围, 脱铁铁蛋白可 摄取 Fe2+,并将其氧化为 Fe3+沉淀在铁心体中。正常情况下, 1μg/L血清铁蛋白可储铁 10mg 。铁蛋白可被溶酶体尽噬并分解为铁血黄素,铁血黄素为蛋白质,脂类和铁的非特异 性结合物。 铁进入或离开铁蛋白是铁代谢调控方式, 而铁血黄素内的铁重新利用则缓慢而不 易调控 [15]。 铁蛋白的结构及基因编码和位点也已被研究了解, 其合成也受到铁水平的调节。 4. 影响铁吸收和利用的因素
影响铁吸收的主要因素有以下几个方面:(1)年龄,铁营养状况,健康状况; (2)胃 肠道内内环境; (3)摄入的铁量及化学形式; (4)膳食中其他有机和无机组分。图 2示出 铁代谢的综合示意图 [16],图中还列出了部分铁吸收的促进和抑制因素。
动物组织中的血红蛋白与肌红蛋白是膳食中血红素铁的主要来源, 其血红素部分在胃中 与蛋白质分离。 血红素在肠腔中不降解, 被小肠粘膜、 上皮细胞以卟啉复合物的形式直接摄 入,在细胞内血红素及加氧酶作用下,铁从卟啉环中解离出来,再转运入循环血液, 。因此, 血红素铁的吸收一般不受膳食因素影响, 也不受胃肠道分泌液与 PH 值的影响, 吸收率较高, 可达到 25%。血红素的吸收不受铁原子价数的影响。在肠道中,血红素处于溶解状态时, 血红素分子吡哆环中铁六价键中的两个游离价键与其他血红素分子的游离价键通过氧化物 或桥键形成高分子量聚合体。 这种聚合作用降低了血红素铁的吸收。 动物率白质的降解产物 尼克酸, 均可与血红素分子中铁的 2个游离价键结合形成单体的亚铁血色原, 而防止血红素 间的分子间聚合,这可能是畜类肉、鱼、禽可促进血红素铁吸收的原因 [17]。
非血红素铁的吸收则受到较多因素的影响, 胃肠道中的 PH 对铁复合物的形成及溶解性 有一定作用,进而影响铁的吸收; Vc 是铁吸收的有效促进因子,其有助于 Fe3+向 Fe2+的 转变, 后者是铁的吸收状态; 肉类中含有铁吸收的促进因子, 目前认为这可能是由于肉蛋白 的分解产物,某些氨基或多肽所致;柠檬酸、乳酸、酸、丙酮酸、琥珀酸以及酒石酸等也可 促进铁的吸收;一些碳水化合物如乳糖、蔗糖、葡萄糖、淀粉曾被认为对铁吸收有一定抑制 作用,但有关报道有所矛盾,目前难以形成定论。组氨酸、赖氨酸、胱氨酸、蛋氨酸、铬氨 酸以促进 Fe3+的吸收。肠道微生物的某些分解产物可抑制铁的吸收;一些金属络合物如
EDTA 有障碍铁吸收的作用;植酸、丹宁、多酚物质的铁结合能力较强,是障碍铁吸收的重 要因素;这也是茶和咔咖阻碍铁吸收的主要因素。过多摄入 P 、钴、锌、铜、铬、锰等也可 能对铁吸收构成障碍, 但也有相当数量的报道表明, 微量元素间的影响可能比想象的要小得 多 [17]。维生素 A ,叶酸,维生素 B12,核黄素等微营养素对铁的吸收和作用的发挥也起到 重要协助作用 [18, 19]。
由于我国属以植物性膳食为主的国家, 膳食铁源多为非血红素铁, 这一类的铁吸收率将 直接改善我国居民的铁营养状况。
参考文献:
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19.程改花 (1990)核黄素与机体铁营养状况的关系 国外医学卫生学分册 3:154-157
人体铁的代谢
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。