Биологически активные микронутриенты: свойства, взаимодействие, влияние на организм человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Биологически активные микронутриенты: свойства, взаимодействие, влияние на организм человека

Введение

минеральный витамин аскорбиновый кислота

Микронутриенты (витамины и микроэлементы) - это незаменимые компоненты питания человека, поскольку необходимы для протекания многочисленных биохимических реакций в организме. Микронутриенты не синтезируются организмом человека и поступают в готовом виде с пищей. Способность запасать микронутриенты в организме человека отсутствует, поэтому поступление и усвоение в организме идут по строго определённому пути. Микронутриенты являются химически и физиологически активными веществами, которые способны взаимодействовать с другими веществами (жиры, белки, углеводы), друг с другом, а также участвуют в процессах синтеза биологически активных веществ организма (ферменты, гормоны). Эти взаимодействия могут привести к повышению или снижению эффекта от приёма витаминно-минеральных комплексов, которые применяются для предотвращения или лечения дефицитов микронутриентов.

По данным Международного Медицинского журнала, ситуация с дефицитами витаминов и минеральных веществ в организме человека является проблемой не только развивающихся, но и развитых стран (Клиарфилд, Даунс, 2013). Это повышает интерес к созданию наиболее эффективных поливитаминов, используя новейшие технологии. При этом необходимо уточнить или пересмотреть взаимодействия витаминов и минералов между собой и друг с другом для того, чтобы определить какие именно техники и методики следует применять.

Мы хотим обратить особое внимание на проблему дефицита витамина С и, связанное с этим, развитие витаминно-железодефицитной анемии. Это особенно важно для жителей Крайнего Севера, испытывающих недостаток в этих веществах. Такой недостаток обуславливается коротким и холодным летом, недостатком свежих овощей и фруктов, тяжёлыми климатическими условиями. Это отражает актуальность нашей работы.

Целью нашей работы стало выявление особенностей механизма влияния аскорбиновой кислоты на соединения железа в организме человека и определение оптимальной концентрации аскорбиновой кислоты при усвоении организмом железа.

Предметом исследования выступают микронутриенты в организме человека, их строение и функции.

Объектом - влияние аскорбиновой кислоты на усвояемость железа в организме человека.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить роль микронутриентов в метаболизме человека с целью выявления связей между ними;

2. Рассмотреть типы взаимодействий микронутриентов, систематизировать данные о микронутриентах опираясь на механизмы их взаимодействий;

3. Выявить особенности влияния аскорбиновой кислоты на усвояемость железа;

4. Подобрать методы и подтвердить экспериментально полученную теоретически дозировку аскорбиновой кислоты для наиболее оптимального уровня обмена железа в организме человека.

Выполнение поставленных задач позволит проследить зависимость усвояемости железа от содержания в организме человека аскорбиновой кислоты и определить наиболее эффективный режим прима железосодержащих препаратов.

1. Микронутриенты как незаменимые вещества в организме человека

1.1 Витамины как микронутриенты

Микронутриенты - пищевые вещества, необходимые организму в малых количествах. Суточная потребность часто измеряется долями граммов (миллиграммами и микрограммами). Микронутриенты в организме человека представлены витаминами, биоэлементами, некоторыми минеральными веществами (Кудашева и др., 2002).

Витамины - необходимая составная часть пищи человека, участвующая в обмене веществ и жизнедеятельности организма. Считается, что первые сведения о витаминах были получены отечественным врачом Н.И. Луниным. Опытным путем он обнаружил, что в пище имеются вещества, по свойствам не похожие на белки, жиры и углеводы. Известно более 20 различных витаминов (Ребров и др., 2008). Они называются по первым буквам латинского алфавита.

В зависимости от растворимости витамины делятся на две группы: водорастворимые и жирорастворимые.

Водорастворимые витамины (табл. 1) должны вводиться в организм ежедневно, поскольку они не запасаются и выводятся из организма за 1-4 дня (Агаджанян и др., 2003).

Жирорастворимые витамины (табл. 2) могут сохраняться в жировых тканях и печени довольно длительное время (Агаджанян и др., 2003). Кроме того, водорастворимые витамины не так стабильны, как жирорастворимые.

Таблица 1. Водорастворимые витамины, их физиологическое воздействие, структура и суточная норма потребления для человека

Таблица 2. Жирорастворимые витамины, их физиологическое воздействие, структура и суточная норма потребления для человека

Представленные данные позволяют сделать вывод, что обе группы витаминов имеют специфику строения и действия. Водорастворимые витамины из-за особенностей своего строения быстро и легко поступают в организм, но так же быстро и удаляются из него. Их физико-химические свойства (растворимость в воде) обуславливает большую мобильность, по сравнению с жирорастворимыми витаминами. В организме человека водорастворимые витамины чаще сопровождают окислительно-восстановительные процессы, связанные с усвоением других веществ. Жирорастворимые витамины, в свою очередь, хорошо взаимодействуют с гидрофобными растворителями. Благодаря наличию в структуре молекул углеводородных (преимущественно изопреноидного) радикалов, большинство из этих длинных витаминов являются компонентами биомембран, в составе которых выполняют специфические биологические функции, в частности, является мощными биоантиоксиданты (витамины Е, А, К). Суточная норма жирорастворимых витаминов ниже, чем водорастворимых, что обуславливается их гидрофобностью. Всасывание этих витаминов в кишечнике зависит от наличия поверхностно - активных компонентов (Клопов, 2012). Такими компонентами являются, в том числе и минеральные вещества, так же входящие в большую группу микронутриентов.

Витамин С, рассматриваемый в нашей работе, является водорастворимым витамином, близким по строению к глюкозе, но являющийся лактоном кислоты, что и обуславливает его высокую антиоксидантную активность.

1.2 Минеральные вещества

Физиологическое значение минеральных веществ для человека очень разнообразно. Наряду с витаминами она участвуют в метаболизме человека. Исходя из физиологической потребности, минеральные вещества подразделяют на макроэлементы (суточная потребность больше 100 мг) и микроэлементы (суточная потребность меньше 100 мг). К макроэлементам относятся ионы таких элементов как натрий (Na), калий (K), кальций (Са), магний (Mg), хлор (Cl), фосфор (Р), сера (S) и йод (I). К жизненно важным микроэлементам, необходимым лишь в следовых количествах, относятся железо (Fe), цинк (Zn), марганец (Mn), медь (Cu), кобальт (Co), хром (Cr), селен (Se) и молибден (Mo). Фтор (F) не принадлежит к этой группе, однако он необходим для поддержания в здоровом состоянии костной и зубной ткани (Громова и др., 2008). Вопрос относительно принадлежности к жизненно важным микроэлементам ванадия, никеля, олова, бора и кремния остаётся открытым. Такие элементы принято называть условно эссенциальными. Среднесуточная норма основных минеральных веществ отражена в таблице 3.

Таблица 3. Среднесуточная потребность человека в минеральных веществах

В продуктах питания минеральные вещества представлены в виде катионов (кальций, калий, магний, натрий) и анионов (сера, фосфор, хлор). В зависимости от преобладания в продуктах катионов или анионов эти продукты приобретают щелочные или кислотные свойства (Скурихин и др., 1987).

Минеральные соли относятся к числу пищевых незаменимых веществ. Минеральные элементы не обладают питательной ценностью, но они нужны организму как вещества, участвующие в регуляции обмена веществ, в поддержании осмотического давления, для обеспечения постоянства рН внутри- и внеклеточной жидкости организма. Многие минеральные элементы являются структурными компонентами ферментов и витаминов (Ших и др., 2008). Ниже рассмотрены некоторые минеральные вещества и их физиологическая роль в организме человека.

Натрий. Соединения натрия играют особо важную роль в поддержании постоянного объема жидкости в организме. Натрий также принимает непосредственное участие в транспорте аминокислот, сахаров и калия в клетки. Чем выше концентрация ионов натрия во внеклеточной жидкости, тем выше способность клеток транспортировать аминокислоты во внутриклеточное пространство. Однако избыточное потребление натрия (в виде соли) приводит к задержке жидкости в организме и затрудняет работу сердца и почек.

Калий. Соли калия оказывают диуретическое воздействие и, следовательно, усиливают выведение солей натрия из организма. Калий также необходим для сократительной функции скелетных мышц.

Кальций. Входит в состав основного минерального компонента костной ткани. Играет важную роль в осуществлении многих физиологических процессов, необходим для нормального функционирования нервной системы и сократимости мышц. Является активатором ряда ферментов и гормонов, а также важнейшим компонентом свертывающей системы крови. Вместе с магнием обеспечивает нормальную частоту сердечного пульса.

Фосфор. Входит в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот, фосфолипидов и коферментов. Вместе с кальцием входит в состав основного минерального компонента костной ткани. Принимает участие в процессах кодирования, хранения и использования генетической информации, биосинтезе нуклеиновых кислот, белков, росте и деление клеток. Не менее велика роль соединений фосфора в энергетическом обеспечении процессов жизнедеятельности. Макроэнергетические соединения фосфора - АТФ (аденозин-трифосфат) и креатин-фосфат - аккумулируют энергию, высвобождаемую в процессе гликолиза, которая может быть использована для механической (сокращение мышц), электрической (проведение нервного импульса) и химической (биосинтез различных соединений) работы. Важная роль соединениям фосфора принадлежит и в ферментативных процессах. Фосфор входит в состав большинства коферментов, а также является одним из основных веществ, с помощью которого витамины превращаются в их функционально активные коферментные формы.

Магний. Физиологическая роль магния обусловлена тем, что он является кофактором ряда важнейших ферментов углеводно-фосфорного и энергетического обмена, а также других ферментативных процессов. Магний участвует в превращении глюкозы в энергию, способствует эффективному функционированию нервной системы и мышц, помогает преодолевать стресс и депрессии, необходим для метаболизма витамина С, кальция, калия, натрия и фосфора.

Медь. Участвует в регуляции процессов биологического окисления и генерации АТФ, в синтезе гемоглобина и важнейших белков соединительной ткани - коллагена и эластина, в обмене железа, в защите клетки от токсического воздействия активированного кислорода. Необходима для нормального усвоения витамина С.

Цинк. Биологическая роль цинка определяется его необходимостью для нормального роста, развития и полового созревания, а также обеспечения нормального кроветворения, вкуса и обоняния. Цинк необходим для синтеза белков, контролирует сократительную функцию мышц и участвует в синтезе инсулина.

Железо. Этот элемент тесно связан с важнейшими функциями организма, является незаменимой составной частью гемоглобина и миоглобина. Железо входит в состав окислительно-восстановительных ферментов, участвует в насыщении мышечной ткани кислородом и играет важную роль в кроветворении.

Марганец. Биохимические механизмы действия марганца связаны с его участием в функционировании многих ферментных систем. Марганец необходим для нормального роста, поддержания репродуктивной функции, нормального метаболизма соединительной ткани. Он участвует также в регуляции углеводного и липидного обмена и стимулирует биосинтез холестерина. Предполагают, что марганец участвует в процессах синтеза или метаболизма инсулина.

Кобальт. Является стимулятором кроветворения, способствует усвоению организмом железа и стимулирует процессы его преобразования (образование белковых комплексов, синтез гемоглобина и др.).

Минеральные вещества, всасываясь в желудочно-кишечном тракте, попадают в кровь и переносятся к местам активного обмена или накопления. В основном они депонированы у человека в костях, а также присутствуют в растворенном виде в жидких средах организма. Это обеспечивает их мобильность и возможность взаимодействовать с другими биологически активными веществами (Клопов, 2012).

2. Взаимодействие микронутриентов

2.1 Взаимодействия минеральных веществ

Микронутриенты находятся во взаимодействии друг с другом. В зависимости от природы взаимодействующих веществ и их строения (рассмотрено в предыдущей главе), влияние микронутриентов друг на друга может носить как положительный (синергисты), так и отрицательный (антагонисты) характер.

Взаимодействие с железом. Кальций, цинк и магний снижают усвояемость железа, что может привести к дефициту этого элемента. Также негативно сказывается на метаболизме железа хром, как бы подменяя его в процессе всасывания, так как по размеру и заряду ионы этих элементов очень похожи. Одновременное употребление этих микронутриентов нежелательно. Положительно на усвояемость и биодоступность железа влияют фтор и медь, создавая «минеральные мостики», связывая между собой молекулы липидов в мембранах, через которые происходит транспорт железа (Ермакова и др., 2003).

Взаимодействие с кальцием. Фосфор, цинк, железо, натрий и кофеин посредством различных механизмов негативно влияют на обеспеченность организма кальцием, снижая его усвояемость, биодоступность или ускоряя процесс выведения кальция с мочой. В основном, причиной этого является активность и лабильность кальция, который, вступая в реакцию с антагонистами, образует труднорастворимые соединения. Положительно влияют на усвояемость бор и магний, которые вступают в окислительно-восстановительные реакции с соединениями кальция и высвобождают последний (Кудашева и др., 2002).

Взаимодействие с магнием. Негативно влияют на усвоение магния в организме: фосфор, кальций, цинк. Они вступают в реакции с соединениями магния, превращая их в труднорастворимые соли, которые выводятся из организма вместе с мочой и калом. Увеличивает уровень всасывания магния бор, создавая систему стабильного перехода за счёт своих размера и заряда (Н.В. Ермакова, В.И. Торшин, 2003).

Таким образом, можно отметить некоторые закономерности. Вещества, близкие по размеру и заряду мешают друг другу, создавая конкуренцию при усвоении. Разнозаряженные вещества наоборот помогают друг другу, действуя подобно магнитам. При этом не все минеральные вещества вступают во взаимодействия между собой. Кальций, цинк и магний негативно влияют на всасывание двухвалентного железа. Хром, являясь переходным элементом с валентностями как II, так и III, «похож» на ион железа в большей степени, составляя ему основную «конкуренцию». При попадании в организм одновременно этих микронутриентов следует обеспечить всасывание наиболее важного элемента путём подбора необходимого микронутриента-синергиста.

2.2 Взаимодействия витаминов в организме человека

Витамины находятся в организме человека и животных в определенном взаимодействии между собой. Избыток или недостаток того или иного витамина отражается на обмене ряда других. По вопросу о взаимосвязи обмена витаминов имеется множество исследований (Ших, Фаллер, Скальный и др.).

Взаимоотношения между витаминами могут идти в направлении синергизма или антагонизма между отдельными витаминами и взаимозамещения. Введение одного витамина зачастую вызывает усиление обмена и экскреции с мочой другого витамина или ряда других. Трактовка вопроса, несмотря на многочисленные исследования, достаточно сложна, а механизм регуляции обмена витаминов остается нераскрытым. Все же, располагая уже некоторыми сведениями о взаимодействии витаминов, необходимо при одновременном применении нескольких витаминов с лечебной целью учитывать возможность их антагонизма, синергизма и физиологические связи между собой (Анисимова и др., 2011).

Установлено, что чем выше содержание витамина С в пищевом рационе, тем больше выводится витамина В₂ с мочой; возможно, что потребность организма в рибофлавине снижается при увеличении дозы вводимого витамина С. Известно также, что недостаток в пище рибофлавина нарушает обмен витамина С. При В₂-гиповитаминозе снижается уровень витаминов С и В₁ в тканях.

По наблюдениям А.И. Минкиной, витамин B₁ способствует сохранению в тканях витамина С, так как тормозит окисление аскорбиновой кислоты (pH 4,2-5,7).

Таким образом, устанавливается определенное взаимодействие между витаминами С, В₁ и В₂, что выдвигает вопрос о целесообразности сочетанного их применения в правильном количественном соотношении. Эти соотношения должны исходить из установленных физиологических норм потребности в витаминах.

В многочисленных исследованиях (Шпак, Пилецкая, Журавлев и др.) установлена отчетливая взаимосвязь в отношении синергического действия между витаминами С и Р.

Было показано, что на диете с очень низким содержанием аскорбиновой кислоты цинга не развивается или возникает в значительно более отдаленный срок, если в рацион включен витамин Р. Без витамина Р на указанном рационе у животных быстрее развиваются явления цинги. Предполагают, что витамин Р способствует удовлетворению потребности в витамине С за счет содержащейся в организме аскорбиновой кислоты.

При лечении цинги аскорбиновой кислотой в сочетании с витамином Р терапевтическая эффективность выше, чем при лечении одной аскорбиновой кислотой. Добавление витамина Р позволяет даже несколько уменьшить дозу аскорбиновой кислоты.

Известно о наличии совместного действия фолиевой кислоты и витамина В₁₂. Лечение болезни Аддисона - Бирмера фолиевой кислотой в сочетании с витамином В₁₂ позволяет уменьшить дозы обоих витаминов без снижения клинического эффекта. Вместе с тем, как указывалось ранее, витамин В₂ участвует в превращении фолиевой кислоты в ее активную форму - фолиновую кислоту (Анисимова и др., 2011).

В эксперименте было установлено, что недостаток витамина В₁₂ ведет к исчезновению в крови фолиновой кислоты, введение витамина В₁₂ вызывает ее появление в крови (Ших, 2008).

При патологических состояниях наблюдаются некоторые отклонения от указанной закономерности. При разных формах патологического процесса взаимодействие между фолиевой кислотой и витамином В₁₂ может изменяться в зависимости от характера патологии (например, при циррозах печени вследствие нарушения депонирования витамина В₁₂ в печени) и отличается от взаимодействия этих витаминов у здоровых людей (Скальный, 2004).

В другом наблюдении было показано, что парентеральное введение в лечебных дозах витамина В₁₂ больным язвенной болезнью вызывало понижение содержания витамина B₆ в сыворотке крови и выделения 4-пиридоксиновой кислоты с мочой; наряду с этим повышалось выделение ксантуреновой кислоты с мочой после нагрузки триптофаном, что может быть связано с развитием у больных состояния В₆-витаминной недостаточности. Возможно, что в данном случае идет речь об антагонизме между витаминами В₁₂ и В₆, тем более что была выявлена и обратная закономерность: введение больным витамина В₆ вызывало понижение содержания витамина В₁₂ в сыворотке крови (Бременер, 1966). Автор отметил также снижение содержания дифосфопиридиннуклеотидов в крови и экскреции N₁-метилникотинамида с мочой после введения больным витамина В₁₂.

Значительный интерес представляет вопрос о взаимодействии жирорастворимых витаминов А и D, а также А и Е. Выше указывалось, что витамин А (как и витамины В₁, В₂ и РР) может значительно уменьшать явления D-гипервитаминоза. Имеются данные, что витамин D может снижать токсическое действие витамина А. Так, большие дозы витамина D повышают свертываемость крови, пониженную при А-гипервитаминозе (Ших, 2008).

Витамин Е по отношению к витамину А и каротину обладает антиокислительным действием. Токоферол предохраняет от окисления витамин А не только в пищевом продукте, но и в кишечнике человека. При добавлении в рацион витамина Е у пациентов наблюдается более высокая концентрация каротина в крови и витамина А в печени (Журавлев, 1982). Аскорбиновая кислота усиливает это защитное действие витамина Е. Токоферол способствует усвоению организмом каротина. Предполагают (Скальный, 2004), что антиокислительное действие витамина Е является основой синергетического действия витаминов А и Е.

Взаимодействие витаминов проявляется не только во влиянии одного по отношению к другому или группе других витаминов, но также во влиянии на различные обменные процессы, происходящие в организме.

По данным ученых (Фаллер, 2012), витамин С задерживает депонирование витамина А в печени, т.е. действует в этом случае как антагонист. В то же время при использовании витамина А для восстановления зрительного пурпура улучшается темновая адаптация, если одновременно с витамином А назначать витамины В₂ и С. Установлено, что в химии палочкового зрения, кроме витамина А, участвует также никотинамид, витамин Е и, по-видимому, витамин В₆, который принимает участие в синтезе зрительного пурпура. Система апофермента ретиненредуктазы, играющая важную роль в процессах фоторецепции, является хорошим примером синергетического взаимодействия перечисленных выше витаминов. Установлено, что процессы роста и формирования костей и зубов протекают при взаимодействии витаминов A, D и С (Ших, 2008).

Известно взаимодействие холина с другими витаминами группы В, в частности с витаминами В₁ и PP. Так, при диете, бедной белками и холином, витамин B₁ способствует развитию жировой инфильтрации печени, поскольку он ускоряет переход углеводов в жиры, и в этих условиях он благоприятствует развитию жировой инфильтрации печени. Введение холина препятствует развитию жировой инфильтрации, так как холин активирует обмен фосфолипидов, что способствует удалению жира из печени (Анисимова, 2011).

Никотиновая кислота в эксперименте тормозит липотропное действие холина. На безбелковой диете, содержащей холин и никотиновую кислоту, развитие жировой инфильтрации печени происходит быстрее, чем на этом же рационе, но без никотиновой кислоты. Иначе говоря, никотиновая кислота ускоряет развитие жировой инфильтрации печени, в то время как холин тормозит этот процесс. Таким образом, оба витамина в этих условиях находятся в состоянии антагонизма: один оказывает липотропное действие, а другой - антилипотропное.

Взаимодействия витаминов является сложным физиологическим процессом, еще недостаточно изученным и имеющим весьма существенное значение в жизнедеятельности организма. Витамин С, влияние которого на железо изучается в данной работе, оказывает влияние также и на множество других процессов в организме. При этом он часто выступает не только синергистом, но и антагонистом (с витаминами группы В, витамином А). Следует учитывать это, при составлении лечебной диеты, так как увеличивая всасываемость одного микронутриента (например, железа) можно снизить депонирование другого (например, витамин А).

2.3 Взаимодействие витаминов и микроэлементов

Проведенный нами анализ исследований (Ших Е.В., Сереброва С.Ю., Кудашева В.А. и др.) позволил выявить основные типы взаимодействия и составить общую таблицу, отражающие взаимодействия всех групп микронутриентов, рассматриваемых нами в рамках этой работы (табл. 4).

Таблица 4. Взаимодействия микронутриентов

Проведя анализ мы отметили, что положительные воздействия микронутриентов обусловлены тремя основными механизмами: превращение микронутриента в его более активную форму (как у цинка и витамина А), сохранение в тканях путём восстановления до устойчивой формы (В9 и С) и окисление до необходимой для биосинтезов степени (железо и витамин С). Одной из задач нашего исследования является выявление особенностей данного механизма.

Отрицательные взаимодействия выражены в создании нерастворимых комплексов, разрушении структуры вещества и снижении восприятия эпителия кишечника. Оба вида взаимодействий помогают поддержать баланс микронутриентов в организме человека, естественным путём предотвращая гипервитаминозы (избыточное содержание витамина в организме человека) и гиповитаминозы (недостаточное содержание витамина в организме человека).

Как отмечают исследователи, ряд лекарственных препаратов взаимодействует с витаминами и макро- и микроэлементами, нарушая их всасывание, утилизацию либо повышая их экскрецию (Андреева и др., 2011). Взаимодействие микронутриентов и лекарственных препаратов представлено в таблице 5.

Таблица 5. Взаимодействия лекарственных препаратов и микронутриентов

Анализ таблицы 5 позволяет сделать вывод, что большинство лекарственных препаратов препятствуют всасыванию микронутриентов. Это сказывается на концентрации необходимых веществ и ведет за собой цепную реакцию нарушений. Прием препаратов влияет не только прямо, но и косвенно на все микронутриенты в организме человека. Например, прием аспирина способствует вымыванию витамина С, но прямого влияния на железо не оказывает. При этом в ранее приведенной таблице мы рассмотрели, что именно витамин С способствует переходу железа в необходимую для обмена форму. получается, что уменьшение витамина С, вызванное рядом лекарств (в т.ч. антибиотики, тетрациклин), влечет за собой нарушение усвоения железа, что в свою очередь приводит к нарушениям и болезням (например, железодефицитная анемия). Отсюда, лекарство от одной болезни может стать причиной другой, если после лечения не пройден курс восстановления. А для составления такого курса необходимо учитывать взаимовлияния микронутриентов. Вопрос о взаимодействии железа и аскорбиновой кислоты будет рассмотрен нами в следующей главе.

3. Влияние аскорбиновой кислоты на обмен железа

3.1 Обмен железа, особенности синтеза гемма. Механизм влияния аскорбиновой кислоты

В гемсодержащих белках железо находится в составе гема. В негемовых железосодержащих белках железо непосредственно связывается с белком. К таким белкам относят трансферрин, ферритин, окислительные ферменты рибонуклеотидредуктазу (катализирует конверсию рибонуклеотидов) и ксантиноксидазу, железофлавопротеины NADH-дегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа.

В организме взрослого человека содержится 3 - 4 г железа (Петров, 1983), из которых только около 3,5 мг находится в плазме крови. Гемоглобин имеет примерно 68% железа всего организма, ферритин - 27%, миоглобин - 4%, трансферрин - 0,1%, На долю всех содержащих железо ферментов приходится всего 0,6% железа, имеющегося в организме. Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков служат железо пищи и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в клетках печени и селезёнки.

В нейтральной или щелочной среде железо находится в окисленном состоянии - Fe³⁺, образуя крупные, легко агрегирующие комплексы с ОН^-, другими анионами и водой. При низких значениях рН железо восстанавливается и легко диссоциирует. Процесс восстановления и окисления железа обеспечивает его перераспределение между макромолекулами в организме, в основном белковыми структурами. Ионы железа обладают высоким сродством ко многим соединениям и образуют с ними хелатные комплексы, изменяя свойства и функции этих соединений, поэтому транспорт и депонирование железа в организме осуществляют особые белки: в клетках железо депонирует белок ферритин, в крови его транспортирует белок трансферрин.

Всасывание в кишечнике.

В пище железо в основном находится в окисленном состоянии (Fe³⁺) и входит в состав белков или солей органических кислот. Освобождению железа из солей органических кислот способствует кислая среда желудочного сока. Наибольшее количество железа всасывается в двенадцатиперстной кишке. Аскорбиновая кислота, содержащаяся в пище, восстанавливает железо и улучшает его всасывание, так как в клетки слизистой оболочки кишечника поступает только Fe²⁺. В суточном количестве пищи обычно содержится 15 - 20 мг железа, а всасывается только около 10% этого количества (рис. 1). Организм взрослого человека теряет около 1 мг железа в сутки.

Рисунок 1. Поступление экзогенного железа в ткани

В полости кишечника железо освобождается из белков и солей органических кислот пищи. Усвоению железа способствует аскорбиновая кислота, восстанавливающая железо. В клетках слизистой оболочки кишечника избыток поступившего железа соединяется с белком апоферритином с образованием ферритина, при этом ферритин окисляет Fe²⁺ в Fe³⁺, т.е. действует обратно аскорбиновой кислоте. Поступление железа из клеток слизистой оболочки кишечника в кровь сопровождается окислением железа ферментом сыворотки крови ферроксидазой. В крови Fe³⁺ транспортирует белок сыворотки крови трансферрин. В тканях Fe²⁺ используется для синтеза железосодержащих белков или депонируется в ферритине (Северин, 2014). Таким образом, обе формы железа необходимы организму, а возможность их одновременного существования обеспечивается окисляющими ферментами и аскорбиновой кислотой, осуществляющей восстановление.

В клетке железо используется для синтеза железосодержащих белков или депонируется в белке ферритине. Ферритин - олигомерный белок с молекулярной массой 500 кД. Он состоит из тяжёлых (21 кД) и лёгких (19 кД) полипептидных цепей, составляющих 24 протомера. Разный набор прогомеров в олигомере ферритина определяет образование нескольких изоформ этого белка в разных тканях. Ферритин представляет собой полую сферу, внутри которой может содержаться до 4500 ионов трёхвалентного железа, но обычно содержится менее 3000. Тяжёлые цепи ферритина окисляют Fe²⁺ в Fe³⁺. Железо в виде гидроксидфосфата находится в центре сферы, оболочка которой образована белковой частью молекулы. Оно поступает внутрь и освобождается наружу через каналы, пронизывающие белковую оболочку апоферритина, но железо может откладываться и в белковой части молекулы ферритина. Ферритин содержится почти во всех тканях, но в наибольшем количестве в печени, селезёнке и костном мозге. Незначительная часть ферритина экскретируется из тканей в плазму крови. Поскольку поступление ферритина в кровь пропорционально его содержанию в тканях, то концентрация ферритина в крови - важный диагностический показатель запасов железа в организме при железодефидитной анемии (Фаллер, 2012).

Одним из важнейших белков, в синтезе которого участвует железо, является гем. Гем состоит из иона двухвалентного железа и порфирина. В основе структуры порфиринов находится порфин. Порфин представляет собой четыре пиррольных кольца, связанных между собой метеновыми мостиками (рис. 2). В зависимости от структуры заместителей в кольцах пирролов различают несколько типов порфиринов: протопорфирины, этиопорфирины, мезо-порфирины и копропорфирины. Протопорфирины - предшественники всех других типов порфиринов.

Гемы разных белков могут содержать разные типы порфиринов. В теме гемоглобина находится протопорфирин IX, который имеет 4 метальных, 2 винильных радикала и 2 остатка пропионовой кислоты. Железо в геме находится в восстановленном состоянии (Fe⁺²) и связано двумя ковалентными и двумя координационными связями с атомами азота пиррольных колец. При окислении железа гем превращается в гематин (Fe³⁺). Наибольшее количество гема содержат эритроциты, заполненные гемоглобином, мышечные клетки, имеющие миоглобин, и клетки печени из-за высокого содержания в них цитохрома Р450.

Рисунок 2. Строение порфина (А), протопорфирина IX (Б) и гема гемоглобина (В)

Гем синтезируется во всех тканях, но с наибольшей скоростью в костном мозге и печени (рис. 3). В костном мозге гем необходим для синтеза гемоглобина в ретикулоцитах, в гепатоцитах - для образования цитохрома Р₄₅₀.

Рисунок 3. Синтез гемма

Донором железа служит депонирующий железо в клетках белок ферритин. Железо в нем, как сказано ранее двухвалентное, восстановлено с помощью аскорбиновой кислоты.

Первая реакция синтеза гема - образование 5-аминолевулиновой кислоты из глицина и сук-цинил-КоА (рис. 4) идёт в матриксе митохондрий, где в ЦТК образуется один из субстратов этой реакции - сукцинил-КоА.

Рисунок 4. Реакция образования 5-аминолевулиновой кислоты

Эту реакцию катализирует пиридоксальзависимый фермент аминолевулинатсинтаза.

Из митохондрий 5-аминолевулиновая кислота поступает в цитоплазму. В цитоплазме проходят промежуточные этапы синтеза гема: соединение 2 молекул 5-аминолевулиновой кислоты молекулу порфобилиногена (рис. 5), дезаминирование порфобилиногена с образованием гидроксиметилбилана, ферментативное превращение гидроксиметилбилана в молекулу уропор-фобилиногена III, декарбоксилирование последнего с образованием копропорфириногена III. Гидроксиметилбилан может также нефермента-тивно превращаться в уропорфириноген I, который декарбоксилируется в копропорфирино-ген I. Из цитоплазмы копропорфириноген III опять поступает в митохондрии, где проходят заключительные реакции синтеза гема. В результате двух последовательных окислительных реакций копропорфириноген III превращается в протопорфириноген IX, а протопорфириноген IX - в Протопорфирин IX. Фермент феррохелатаза, присоединяя к протопорфирину IX двухвалентное железо, превращает его в гем (Е.С. Северин, 2014).

Рисунок 5. Реакция образования порфобилиногена

Синтезированный гем, соединяясь с б и в-полипепептидными цепями глобина, образует гемоглобин. Гем регулирует синтез глобина: при снижении скорости синтеза гема синтез глобина в ретикулоцитах тормозится. Также снижается содержание гемоглобина в эритроцитах, вызывает развитие железодефицитной анемии, что приводит к снижению потребления и интенсивности транспорта кислорода. К снижению синтеза гемоглобина, в свою очередь, приводит недостаток двухвалентного железа, на образование которого влияет содержание аскорбиновой кислоты в организме человека.

3.2 Сравнение влияния различных концентраций аскорбиновой кислоты на восстановление железа

Аскорбиновая кислота в тканях находится почти исключительно внутриклеточно, представлена тремя формами - аскорбиновой, дегидроаскорбиновой кислот и аскорбигена (связанной аскорбиновой кислоты). Распределение между органами неравномерное: ее много в железах внутренней секреции, особенно в надпочечниках, меньше - в головном мозге, почках, печени, в сердечной и скелетных мышцах. Аскорбиновая кислота, в состав которой входит диенольная группа, имеет выраженные восстановительные свойства (Спиричев В.Б, 1996).

Прямое лекарственное взаимодействие с железом основано на приведённых выше свойствах (табл. 5). Препараты железа применяются в случае железодефицитной анемии или для ее профилактики, при недостаточном питании, при беременности и лактации. Это гидроксид железа или соли железа, которые восполняют в организме дефицит железа. Современная фармакологическая индустрия представляет широкий выбор препаратов железа при анемии в сиропе, жевательных таблетках, капсулах, драже, а также в виде растворов для приема внутрь, внутримышечных и внутривенных инъекций. Чаще всего препараты содержат двухвалентное железо - актиферрин (активное вещество железа сульфата гептагидрат), гемохелпер (активное вещество гемовое железо II). Трёхвалентное железо встречается в таких препаратах, как ферлатум (активное вещество железа протеин сукцинилат) и мальтофер (активное вещество железа III гидроксида полимальтозат). Препараты, содержащие железо II, имеют вспомогательное вещество аскорбиновую кислоту, в отличие от препаратов с содержанием железа III. То есть при приёме трёхвалентного железа необходимо добавить отдельно препарат аскорбиновой кислоты.

Аскорбиновая кислота в дозе 1 г/сут повышает биодоступность железа (переводит трехвалентное железо в двухвалентное). Ранее нами уже отмечалось, что оптимальное количество усвояемого в сутки железа составляет 1-1,5 мг, что составляет 0,001 г. Значит, среднее соотношение аскорбиновой кислоты к трёхвалентному железу должно быть 1000:1.

В пищевых продуктах железо находится в трехвалентной форме, чаще всего сульфатной - Fe₂(SO₄)₃. Клетки же слизистой оболочки кишечника пропускают железо в двухвалентной форме - в виде соли сульфата железа(II) FeSO₄. Похожие превращения отмечены и для хлоридов железа. Большая часть железа поступает в форме практически недоступных органических соединений (Ивченко, 2000).

Рассчитаем теоретическую дозировку аскорбиновой кислоты, необходимую для усвоения сульфата железа (III). Аскорбиновая кислота уже содержится в двенадцатиперстной кишке в чистом виде. Рассчитаем концентрации необходимых растворов. Аскорбиновая кислота находится в организме человека в среднем в концентрации 1М (Филиппович, 2005). Т.е. на 1 литр воды приходится 1 моль кислоты, что составляет 176, 13 г. Тогда железа должно быть 0,176 г. Доля железа в сульфате (Fe₂(SO₄)₃) 2*55,85:3*96,06 или 38,76%.Отсюда можно узнать массу сульфата, которая будет содержаться в 1 литре воды. Масса Fe₂(SO₄)₃ составляет 0,176:0,3876 = 0,606 г. Переведем в молярную концентрацию n:V, где n - количество вещества, V - объем в литрах. Количество вещества n в свою очередь равно отношению массы к молярной массе, т.е. 0,606:399,88 = 0,0015 моль. Делим количество вещества на 1 литр и получаем концентрацию 0,0015 М.

Для проведения эксперимента нанесем раствор сульфата железа трехвалентного 0,0015М на хроматографическую бумагу (Досон, Эллиот, 1991). Заготовим три образца. Затем нанесём на каждый из них раствор аскорбиновой кислоты 1М, 1,5М и 0,5М. По интенсивности и равномерности появления красного окрашивания можно судить о том, какая концентрация является наиболее оптимальной для протекания реакции восстановления железа.

Экспериментальные данные подтвердили соотношение железа III к аскорбиновой кислоте 1:1000. Тогда для препарата Мальтофер на 1 мл препарата (железа III гидроксида полимальтозат 1,41 мг эквивалентно содержанию железа 0,05 мг) необходимо рассчитать потребление 50 мг аскорбиновой кислоты как вспомогательного средства. В препарате Ферлатум активное вещество одной дозы эквивалентно 0,04 мг железа, что потребует 40 мг аскорбиновой кислоты соответственно.

Таким образом общее количество потребляемого витамина С у человека, принимающего железосодержащие препараты, оказывается выше нормы. Это может привести к снижению усвоения витаминов группы В, например, что обуславливает необходимость дальнейших исследований по разработке лечебной диеты.

Заключение

Микронутриенты - это биологически активные вещества, необходимые в небольших количествах. Они являются незаменимыми для организма, т.к. участвуют в обмене веществ в качестве катализаторов и биорегуляторов. При этом микронутриенты не синтезируются в организме человека, а поступают с продуктами питания. Обеспечение организма всеми необходимыми пищевыми веществами зависит от способности организма всасывать, транспортировать и превращать их в активные формы. Осуществлению этих процессов во многом способствуют не только активные вещества организма (например, ферменты), но и взаимодействия друг с другом самих микронутриентов.

Природа различных микронутриентов обуславливает как положительные, так и отрицательные взаимодействия между ними. Рассмотренное нами воздействие аскорбиновой кислоты на трёхвалентное железо относится к положительному, так как в результате железо восстанавливается и приникает в кровь и клетки. Усвоенное железо депонируется в виде ферритина (участвует в том числе и в синтезе гема, который крайне важен для нашего организма) или окисляется ферментами уже в плазме крови и участвует в других синтезах. Это свидетельствует о том, что существует определённый баланс соотношения двухвалентной и трёхвалентной форм, поддерживать который позволяет постоянное содержание аскорбиновой кислоты в организме человека. Вследствие дефицита витамина С в эритроцитах уменьшается содержание гемоглобина, понижается насыщение железом трансферрина, а в тканях и плазме крови снижается концентрация ферритина. Это приводит к развитию железодефицитной анемии. При данном заболевании, в свою очередь, показано применение железосодержащих лекарственных препаратов. Многие из них содержат в составе двухвалентное железо и аскорбиновую кислоту. Однако, существуют и препараты с содержанием двухвалентного железа, требующие приёма дополнительных препаратов, содержащих аскорбиновую кислоту.

Среднее количество аскорбиновой кислоты, необходимое для поддержания уровня обмена железа - 1г/сут, при условии, что среднее потребление железа соответствует норме. При приёме лекарственных железосодержащих препаратов с активным веществом в виде трёхвалентного железа (ферлатум, мальтофер) соотношение железа к аскорбиновой кислоте должно быть1:1000. Пользуясь этими данными можно рассчитать индивидуальные лечебные диеты.

Выводы

1. Микронутриенты в организме человека представлены витаминами и минеральными элементами. Витамины в зависимости от растворимости витамины делятся на водорастворимые и жирорастворимые. Исследуемый нами витамин С относится к водорастворимым витаминам, он обладает сильными антиоксидантными свойствами и как типичный представитель своей группы активно участвует в процессах проникновения других веществ в организм человека, в том числе минерального вещества железа.

2. Взаимодействие между микронутриентами происходит как в системе витамин-витамин, минерал-минерал, так и в системе витамин-минерал. Влияние водорастворимого витамина С на усвоение железа к синергичному типу, при этом побочно возникает антогонистическое влияние на ряд других микронутриентов (витамины группы В, витамин А).