Бледный вид, голова болит, от кружки с кофе рука дрожит... Явные симптомы железодефицитной анемии. Но почему же этот химический элемент так необходим нашему организму? Почему нам без железа прожить никак нельзя?
Начнем с того, что химические элементы формировались в звездах. Звездный нуклеосинтез — это реакции ядерного синтеза внутри звезд, в ходе которого происходило образование первых элементов периодической таблицы Менделеева вплоть до железа и никеля. Водород, азот, углерод, кислород, фосфор, сера и железо стали важнейшими строительными блоками всего живого на Земле. Так как солнечная система сформировалась из звездной пыли, все эти элементы первично присутствовали на Земле еще до зарождения современной жизни. При этом железо имеет наибольшее распространение среди металлов.
История возникновения жизни конкретно на нашей планете до сих пор скрыта от нас в туманности гипотез. Но одна из гипотез, предложенная Гюнтером Вэхтерсхойзером (Günter Wächtershäuser), сегодня представлена концепцией мира сульфидов железа. На начальном этапе развития Земля имела восстановительную атмосферу, не содержащую кислорода, вулканическая активность сопровождалась выбросами сероводорода, в океане было растворено значительное количество двухвалентного железа. Неорганические структуры, подобные железосерным кластерам, образовывались в таких условиях спонтанно, а древние живые организмы приспособили данные структуры, включив их в состав белковых молекул. Поэтому основная мысль гипотезы состоит в том, что ранняя эволюция включает в себя (помимо эволюции клеточной организации и генетического механизма) постепенную смену катализаторов метаболизма с минералов (на основе переходных металлов, таких как железо, хром, марганец, медь, никель, кобальт) на ферменты белкового происхождения. Главная особенность переходных металлов и их соединений - высокая каталитическая активность. Роль катализаторов отведена железу и его белковым соединениям в большинстве химических процессов живой клетки.
Другое важное свойство соединений железа - окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал, Red/Ox, Eh). При митохондриальном дыхании происходит сложный процесс, в котором электроны последовательно переносятся от восстановленных соединений к кислороду через дыхательную цепь, с образованием энергии для синтеза АТФ. Этот процесс состоит из двух основных стадий: окисление и восстановление. Белковые комплексы дыхательной цепи содержат железо-серные центры (кластеры), обладающие окислительно-восстановительным потенциалом в районе от −500 мВ до +300 мВ. Железо-серные кластеры являются важнейшими участниками окислительно-восстановительных реакций в живой клетке. Белки, содержащие такие кластеры, являются наидревнейшими и распространены во всех царствах биоты, включая животных, растения, грибы, бактерии и археи. Так что у предков митохондрий около 2 миллиардов лет назад они уже присутствовали.
Кажется появляется ясность по вопросу, почему жизнь клеток (которых в нас несколько десятков триллионов) невозможна без железа. Именно дефицит железа в митохондриях проявляется в виде слабости и бессилия. Но ведь это еще не вся картина. Кислород, который доставляется к митохондриям, транспортируется гемоглобином, железосодержащим белком эритроцитов крови. Этот белок помоложе железосерного комплекса, ему не более полумиллиарда лет. Одна молекула гемоглобина может транспортировать 4 молекулы кислорода. За связь с кислородом в молекуле отвечает гем - порфириновое ядро с атомом двухвалентного железа. Вывод из организма углекислого газа осуществляет тот же самый гемоглобин. Именно по снижению показателя гемоглобина в общем анализе крови мы можем обнаружить начало железо-дефицитной анемии
Необходимо упомянуть еще одно семейство жизненно-важных белков, история которых связана с железом - цитохромы Р450. Цитохромы P450 обнаружены во всех без исключения царствах живых существ и содержат в себе тот же гем железа, что и гемоглобин. Цитохромы P450 катализируют омега-окисление насыщенных жирных кислот, перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот, гидроксилирование стероидных гормонов, желчных кислот и холестерина, биосинтез простагландинов и витамина D, метаболизм лекарств и стероидов. Этот перечень далеко не полный, поэтому дефицит железа в ферментах семейства цитохромов Р450 может отразиться на функции любого из органов человека.
Следует заметить, что железо, усиливая каталитическую активность, входит в состав некоторых хеликаз, которые необходимы для протекания клеточных процессов. Процессы, проходящие с участием хеликаз: метаболизм РНК, ядерная транскрипция, сплайсинг матричной РНК, биогенез рибосом, нуклеоцитоплазматический транспорт, трансляция и распад РНК, экспрессия генов.
Так как железо жизненно необходимо, организм не расходует его впустую. Запасы железа депонируются в печени и селезенке в виде ферритина. Потребляемое с пищей железо связывается в кишечнике с трансферрином, который доставляет железо к месту использования и хранения. Даже излишки железа не выводятся из организма, а запасаются в виде гомосидерина.
К сожалению подробная биохимия железа выходит за рамки краткого обзора. Но никакого сомнения не возникает - без железа нам не протянуть и дня. Так сложилось в ходе эволюции по независимым от нас причинам. Однако не спешите грызть водосточные трубы - ведь хорошо только то, что в меру. Избыток иногда вреднее дефицита и может привести к серьезным проблемам со здоровьем. О токсичности железа, имеющей место при избыточном накоплении железа в организме, мы поговорим в другой раз.
Не теряйте свое железо! Регулярно употребляйте в пищу продукты, богатые железом, такие как: печень, говядина, морская капуста, рыба, яйца, бананы, бобы, гречка и шпинат.
Примечания:
*АТФ (аденозинтрифосфат) – основная энергетическая молекула клетки. Митохондриальное дыхание, также известное как окислительное фосфорилирование, преобразует энергию, содержащуюся в питательных веществах, в энергию АТФ. Синтезированный в митохондриях АТФ используется клеткой для осуществления химических процессов и повседневной жизнедеятельности. Мышечное сокращение, передача нервного импульса или синтез новых клеточных компонентов не может проходить без участия АТФ.
*Под комплексами дыхательной цепи митохондрий с железо-серными кластерами подразумеваются: НАДН-убихинон-оксидоредуктаза, сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, цитохром-С-оксидоредуктаза. Это сложные белковые комплексы, которые размещены на внутренней мембране митохондрий и формируют мембранный потенциал, необходимый для синтеза АТФ. Примером более простых белков, содержащих железосерные кластеры, могут служить ферредоксины, которые являются подвижными переносчиками электронов в ряде метаболических процессов. Представитель ферредоксинов, адреноксин (ферредоксин-1), участвует в синтезе гормонов надпочечников: в матриксе митохондрий он переносит электрон от ферредоксин-НАДФ-редуктазы к расположенному на мембране цитохрому Р450. Похожим образом адреноксин принимает участие в синтезе гормонов щитовидной железы.
*Отголоском древнего мира сульфидов железа может быть факт существования археи Ferroplasma acidiphilum. У этого микроорганизма 86% белков (163 белка) включают в свой состав железо. Возможно ситуация, наблюдаемая у ферроплазмы, является случайно сохранившимся отголоском мира сульфидов железа, когда при протеинизации метаболических путей часть ферментов сохранила в своём составе атомы железа и серы как необходимые структурные и функциональные компоненты. Дальнейшая эволюция, с освоением новых экологических ниш в средах, лишённых избытка железа, способствовала замене старых железосодержащих белков другими, не нуждающимися в железе для выполнения функций.
*Недавно сотрудники биологического факультета МГУ вместе с иностранными коллегами выявили ранее неизвестный молекулярный механизм, который разрешает биосинтез белков в митохондриях человека только в том случае, если в митохондриях имеется достаточное количество железосерных кластеров, без которых эти белки не могут функционировать нормально. Результаты опубликованы в журнале Molecular Cell 9 января 2024 года.