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举个栗子:你的身体为什么离不开铁?

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 218次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:你的身体为什么离不开铁?

铁是地球内核和外核的主要组成成分,在地壳中是丰度仅次于氧、硅和铝的元素,约占地壳质量的百分之五。

虽然纯的金属铁在通常状况下是稳定的,但是在自然状态下,经过漫长的地质年代,地壳中绝大多数的铁已经和其他元素化学反应形成了各种铁矿物质。出土文物表明,人类最早的时候只能在一些陨石中找到金属铁。当时铁是稀有而珍贵的金属,甚至比黄金还要贵重。又因为其较高的熔点,相对复杂的冶炼工艺,人类在公元前十四世纪才发明了冶铁技术。因为铁器相对高的硬度,以及铁矿石相对比铜矿石丰富,铁器最终替代青铜器得到了普及。冶铁技术的发明和推广,大大改进了生产工具,提高了生产效率,推进了人类的文明进程。

生活在现代都市的人很难想象如果没有铁我们的生活会变成什么样子。可以知道的是,没有了铁质工具和钢铁混凝土的高楼,我们仍可以像我们的祖先一样生存下来。

但是,如果食物中完全缺乏铁元素,人类将无法生存。Thomas Sydenham(1624-1689)曾经采用口服铁剂治疗萎黄病(Chlorosis),也就是我们现在说的缺铁性贫血;而 Nicholas Lemery(1645-1715)第一次发现血液灰化后有铁存在。俗话说:“你就是浑身是铁,能捻几颗钉?”某种意义上说,这句话是有道理的:我们的确浑身是铁,但确实是捻不了几颗钉。有研究计算出正常成年人身上的铁元素全部还原成金属铁,只有约 3 克,大概就是一颗普通钉子的重量。

机体因为细胞死亡脱落排出体外而损失铁,生育期的女性更因为月经血损失大量的铁,因此我们必须从膳食中补充铁元素。健康成年人每天需要摄取的铁以毫克计,因此铁被称为微量营养元素。不同年龄和性别的人每天需要摄取铁的量不同,成年男性每天需要摄入 8 毫克,生育年龄的女性平均每天需要摄入 18 毫克。但是我们对膳食中铁的利用率很低,根据膳食种类的不同,我们大概只能吸收膳食中 5%到 35%的铁。

膳食中的铁分为结合在血红素中的血红素铁和非血红素铁。血红素(heme),又称为血基质,是一类大杂环化合物。通常情况下,亚铁离子通过化学键结合在一些血红素的中心。诸如血和肉类等动物制品中含有大量的血红素,植物细胞中的线粒体内也含有少量的血红素。绿色蔬菜中含的铁主要是非血红素铁,以高铁离子(Fe3+)形式存在。针对不同种类的铁,人类进化出了两个主要的吸收铁的途径。

肉类以及动物内脏中的血红素铁易于被十二指肠上皮细胞上的血红素携带蛋白(Heme carrier protein 1)结合转入细胞内。因此肉类等动物制品是防止缺铁性贫血的重要食品。蔬菜中或者膳食补充剂中的高铁离子必须首先经铁离子还原酶(ferric reductase),如十二指肠细胞色素 b,还原成亚铁离子(Fe2+)才能被吸收。亚铁离子可以被位于十二指肠上皮细胞上的二价金属离子转运蛋白(Divalent Cation/Metal Transporter-1)转入细胞内。与血红素铁相比,植物中的高铁离子不易被吸收。这是因为在十二指肠的中性环境里,高铁离子溶解度低,亚铁离子则不稳定,易被氧化为高铁离子。因此,素食主义者尤其需要特别防范缺铁性贫血。

一些特殊的人群需要摄入较多的铁,比如青春期的孩子,孕期女性,以及一些患有诸如消化道溃疡、血尿等特殊疾病而导致铁流失比较多的病人。如果膳食中含有的铁不充足,可以适当补充铁剂,配合维生素 C 可以增强铁的吸收。需要注意的是,作为铁补充剂的硫酸亚铁可能会导致肠胃不适。

举个栗子:你的身体为什么离不开铁?

在哺乳动物中,铁的一个重要功能是参与构成血红素。血红素作为血红蛋白(hemoglobin)的辅因子(cofactor),可以协助血红蛋白把氧分子从呼吸器官携带到身体其他部位,并把代谢产生的二氧化碳带到呼吸器官排出体外。人体内约有 65%的铁是被用来生产血红蛋白的。人体每天需要大约 20 毫克铁来制造血红蛋白。但是我们每天摄入的铁并没有这么多。那么机体怎么获得这么多铁呢?原来我们体内有存储的铁。衰老的红细胞可以被巨噬细胞吞噬,其中的铁可以被回收利用或者储存起来再次利用。有意思的是,血红蛋白对一氧化碳和氰离子的亲和能力比对氧分子的亲和能力高。因此当吸入一氧化碳时,血红蛋白就会优先结合一氧化碳,造成包括大脑在内的身体各器官缺氧,这就是一氧化碳中毒。因为一氧化碳可以在煤不完全燃烧时产生,又称为煤气,所以一氧化碳中毒又称为煤气中毒。氰化物中毒的机理相似,也是竞争性结合了血红蛋白,使人体缺乏氧而窒息。

在生物体内,铁的另一个重要作用是作为一些酶的辅因子参与生化反应。作为辅因子的铁离子存在亚铁离子(Fe2+)和高铁离子(Fe3+)两种状态,并且这两种状态可以在特定环境中通过失去或者获得电子进行转化,这样就可以传递电子以辅助酶催化反应。

铁元素虽然是生命必须的,但却不是多多益善的。在生物体内,自由的铁离子和亚铁离子可以和过氧化氢反应生成毒性更大的氧自由基,氧自由基可破坏 DNA、蛋白质、不饱和脂肪酸以及一些酶的辅因子。

举个栗子:你的身体为什么离不开铁?

实际上,高等动物对体内的自由铁离子的含量是严格控制的。当人体细胞内有多余的铁的时候,亚铁离子会被氧化成高铁离子以矿物质的形式储存在储铁蛋白(ferritin)中。储铁蛋白是由多个蛋白亚基组成的球状蛋白,铁矿物质存储在蛋白亚基构成的空心球内,每个储铁蛋白可以存储 4500 多个铁离子。当细胞需要铁时,存储的铁又可以经还原变成亚铁离子释放出来。血浆中则存在运铁蛋白(transferrin),可以结合血浆中的铁离子,并可以把它们转运到细胞内利用或者储存起来。

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(作者:棱子)


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