В живом организме практически не бывает «свободных» ионов металлов в значительных количествах, потому, что они токсичны. В печени (и в других органах) железо аккумулируется НЕ в свободном виде, а в связанной, нетоксичной и биодоступной форме.
Почему свободное железо опасно?
Свободные ионы железа (Fe²⁺ и Fe³⁺) в клетке действуют как мощный катализатор окислительного стресса (про-окислитель). Они участвуют в реакции Фентона, в ходе которой образуются чрезвычайно активные и опасные свободные радикалы, повреждающие:
Липиды клеточных мембран
БелкиБелки — это высокомолекулярные органические вещества, состоящие из альфа-аминокислот, соединённых в цепочку пептидной связью. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом. При синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций определяет большое разнообразие свойств молекул белков. Белки играют ключевую роль при иммунном ответе, могут выполнять транспортную, запасающую, каталитическую, структурную и рецепторную функции. Белки — важная часть питания животных и человека. Основные источники белков — мясо, птица, рыба, молоко, орехи, бобовые, зерновые.
ДНК
Это может привести к гибели клетки и нарушению работы органа.
Чтобы этого не происходило, организм имеет специальную систему хранения и транспорта железа, где оно всегда связано со специальными белками.
Основные формы хранения железа в печени
Железо в печени хранится в двух основных белковых «контейнерах»:
1. Ферритин (Основная форма хранения)
Это главный и нетоксичный белковый депо железа в нашем организме.
Структура: Ферритин похож на полый шарик (нанометровый «сейф»), состоящий из 24 субъединиц.
Вместимость: Внутри этого шарика может храниться до 4500 атомов железа в виде кристалла минерала ферригидрита [(FeO·OH)₈(FeO·H₂PO₄)].
Безопасность: В такой форме железо физически изолировано от клеточных компонентов и не может участвовать в опасных реакциях.
Биодоступность: Когда организму нужно железо (например, для синтеза новых эритроцитов), оно может быть легко и быстро мобилизовано из ферритина.
Именно уровень ферритина в крови — это основной показатель запасов железа в организме.
2. Гемосидерин (Форма «долгосрочного» и патологического накопления)
Гемосидерин — это менее организованный и частично деградировавший полимер ферритина и других белков, содержащих железо.
Свойства: Он хуже растворяется, и железо из него мобилизуется медленнее, чем из ферритина.
Значение: Небольшое количество гемосидерина есть в норме. Но его значительное накопление наблюдается при перегрузке железом (гемохроматоз), когда системы хранения переполнены. Это уже считается патологическим состоянием, которое может повреждать печень (фиброз, цирроз).
Процесс накопления в печени
Представьте себе путь железа:
Всасывание: Железо всасывается в кишечнике (в виде ионов или гема) и попадает в кровь.
Транспорт: В крови оно связывается с транспортным белком трансферрином. Свободного железа в плазме практически нет.
Доставка в печень: Трансферрин доставляет железо до клеток печени (гепатоцитовГепатоциты — это основные клетки печени. На них приходится от 60 до 80% массы всего органа. Это главные функциональные единицы печени, которые участвуют в широком спектре физиологических процессов, таких как метаболизм питательных веществ, синтез белков, детоксикация и секреция желчи.).
Склад: В клетке печени железо «переупаковывается» и помещается в «сейф» — молекулу ферритина.
Что происходит при избытке?
Когда поступление железа хронически превышает потребности, система трансферрина и ферритина переполняется.
Сначала увеличивается концентрация ферритина.
Затем начинает накапливаться гемосидерин.
Когда и эти буферные системы переполняются, может появляться т.н. «лабильное железо» (Labile Iron Pool, LIP) — это небольшой пул слабо связанных ионов железа в клетке, который как раз и представляет опасность, запуская окислительный стресс и повреждение тканей.
Итог в виде таблицы
Форма железа
Состояние
Роль и характеристика
Ферритин
Связанное (в белковом «сейфе»)
Основная, безопасная и биодоступная форма хранения. Главный показатель запасов железа.
Гемосидерин
Связанное (в белковом агрегате)
«Про запас» и патологическая форма. Накапливается при сильной перегрузке железом.
Лабильный пул (LIP)
Слабо связанное / «свободное»
Опасная, токсичная форма. Небольшое количество есть всегда, но его рост ведет к повреждению клеток.
Трансферрин
Связанное (с транспортным белком)
Форма транспорта в крови от кишечника и печени к органам-потребителям.
Не существует отдельного, специального фермента, который бы «разлагал» гемосидерин.
Вместо этого организм использует процесс аутофагии для переработки гемосидерина. Давайте разберем это подробно.
Что такое гемосидерин?
Как мы уже говорили, гемосидерин — это нестабильный, частично деградировавший и денатурированный агрегат белка ферритина, липидов, гема и других компонентов. Он представляет собой нерастворимый осадок внутри клетки (в лизосомах). Это «бракованный» или «залежавшийся» склад железа.
Как организм от него избавляется?
Основной механизм — это чрезвычайно сложный клеточный процесс.
Захват агрегата (Autophagosome Formation):
Клетка распознает скопление гемосидерина как поврежденный или ненужный компонент.
Вокруг этого агрегата формируется двойная мембранная структура, называемая аутофагосомой. Это как бы «мусорный пакет», который заключает в себе гемосидерин.
Аутофагосома сливается с лизосомой — клеточной органеллой, которая является «желудком» клетки. Внутри лизосомы очень кислая среда (pH ~4.5-5.0) и содержится набор мощных гидролитических ферментовФерменты — это белки, которые ускоряют химические реакции в организме. Они обеспечивают протекание метаболических процессов, таких как переваривание пищи, выделение энергии, образование клеток и многие другие.:
ПротеазыПротеазы — это ферменты, которые расщепляют белки (например, катепсины): расщепляют белковый компонент гемосидерина.
Липазы: расщепляют липидные включения.
Под действием этой агрессивной среды и ферментов белковая «оболочка» гемосидерина разрушается.
Высвобождение и рециклирование железа:
После разрушения белкового матрикса атомы железа высвобождаются внутри лизосомы.
Специальные транспортные белки (например, DMT1) «выводят» это железо из лизосомы обратно в цитоплазму клетки.
В цитоплазме это железо может быть:
Снова упаковано в новый, функциональный ферритин.
Использовано для синтеза железосодержащих белков (например, гемоглобина).
Выведено из клетки в кровоток с помощью белка ферропортина, чтобы его мог забрать трансферрин.
Почему гемосидерин такой «стойкий»?
Проблема в том, что гемосидерин — это очень плотный, почти кристаллический агрегат. Его структура делает его менее доступным для действия лизосомальных ферментов по сравнению с «свежим» ферритином. Представьте себе разницу между свежим багетом и засохшим сухарем — второй переваривать гораздо сложнее.
Из-за этой плотности процесс его переработки идет медленно. Если железо поступает в организм быстрее, чем успевает перерабатываться старый гемосидерин, он начинает накапливаться.
Что происходит при патологии?
При заболеваниях, связанных с перегрузкой железом (гемохроматоз), или при частых переливаниях крови, система аутофагии не справляется с объемами.
Гемосидерин накапливается в клетках печени, селезенки, поджелудочной железы.
Со временем это накопление приводит к механическому повреждению и окислительному стрессу (все же небольшое количество железа может «просачиваться»), что вызывает фиброз (рубцевание) и нарушение функции органов.
Существуют ли лекарства, «разлагающие» гемосидерин?
Нет, не существует таблетки, которая бы целенаправленно расщепляла гемосидерин. Основной метод лечения при перегрузке железом — кровопускания (флеботомия) или использование хелаторов железа.
Хелаторы (Дефероксамин, Деферазирокс): Эти препараты не «разлагают» гемосидерин. Они связывают свободное железо и железо, которое медленно высвобождается из ферритина и гемосидерина, образуя с ним комплекс, который затем выводится с мочой и/или калом. Они, по сути, «помогают» организму выводить излишки, уменьшая общую нагрузку.
