Być może nawet nie zdajesz sobie sprawy, jak ważną funkcję w naszym organizmie spełniają związki żelaza – są składnikiem hemoglobiny, która transportuje tlen. Są niezbędne do prawidłowego wzrostu i regeneracji tkanek, stymulują odporność, wspomagają walkę z wolnymi rodnikami, biorą udział w syntezie ATP – adenozyno–$5\text{'}$–trifosforanu, który jest głównym nośnikiem energii w komórkach. Związki żelaza mają wpływ na tworzenie hormonów, enzymów, kofaktorów i limfokin oraz uczestniczą w fagocytozie.

Składnik enzymów oddechowych

Jony żelaza są składnikiem takich enzymów oddechowych, jak cytochromów, peroksydaz czy katalaz. Pierwsze z nich uczestniczą w transporcie elektronów, np. w łańcuchu oddechowym. Drugie z wymienionych mają swój udział w utlenianiu różnych substratów. Z kolei ostatnie, katalazy, jak sama nazwa wskazuje, katalizują proces rozkładu nadtlenku wodoru do wody i tlenu.

Transport tlenu

Jony żelaza($\text{III}$) są składnikiem hemu – będącego częścią czerwonego barwnika krwi – hemoglobiny, której zasadniczą funkcją jest transportowanie tlenu – przyłączanie go w płucach i uwalnianie w tkankach. Hem wchodzi także w skład mioglobiny, czyli białka odpowiedzialnego za magazynowanie tlenu w mięśniach.

W poniższej galerii znajdziesz strukturę cząsteczki hemu, mechanizm reakcji katalizowanej przez anhydrazę węglanową oraz budowę cząsteczki hemoglobiny i mioglobiny.

RSJkF4Wrh1POt

Ilustracja przedstawiająca strukturę hemu. Atom centralny w kompleksie stanowi żelazo na drugim stopniu utlenienia związane z czterema atomami azotu należącymi do czterech pierścieni pirolu, które to łączą mostki metinowe. Pierścienie pirolu podstawione są różnymi grupami, to jest: metylowymi, winylowymi oraz propylokarboksylowymi.

R1ekVz8orPxIp

Ilustracja przedstawia krwinkę czerwoną znajdującą się w plazmie w niedalekiej odległości od tkanki, a także oraz równania reakcji, które zachodzą w jej wnętrzu. Dwutlenek węgla pochodzi z tkanki. W obecności enzymu, anhydrazy węglanowej reaguje z dwiema cząsteczkami wody, prowadząc do powstawania anionu wodorowęglanowego oraz jonu oksoniowego, ktory to jest wiązany z hemoglobiną. Jon wodorowęglanowy zostaje wydalony do plazny poza erytrocyt, a na jego miejsce zostaje wprowadzony z plazmy anion chlorkowy, zatem następuje wymiana. Równanie reakcji: ${\text{CO}}_2+2 {\text{H}}_2\text{O}\rightleftarrows {{\text{HCO}}_3}^{-}+{\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$.

RabCogt1MBvO5

Ilustracja przedstawia porównanie struktur hemoglobiny i mioglobiny. W hemoglobinie znajdują się cztery podjednostki białkowe, każdą z nich stanowi łańcuch polipeptydowy, a razem tworzą ułożoną spiralną strukturę zorientowaną wokół jednej osi. Każda z czterech podjednostek budujących hemoglobinę posiada w swej strukturze grupę niebiałkową, to jest grupę prostetyczną, którą stanowi hem. Z kolei mioglobinę stanowi pojedynczy łańcuch polipeptydowy zawierający w swej strukturze osiem alfa helis oraz, podobnie jak hemoglobina, hem jako grupę prostetyczną. Poszczególne podjednostki przedstawiono jako splątane wstęgi łańcucha polipeptydowego, a hem jako znajdujące się wewnątrz łańcucha dyski.

Synteza związków wysokoenergetycznych ATP

Żelazo bierze udział w syntezie ATP – adenozyno-$5\text{'}$-trifosforanu, który jest głównym nośnikiem energii w komórkach. Co ciekawe, dorosły człowiek w ciągu doby syntetyzuje i zużywa około $85 \text{kg}$ ATP.

Udział w reakcjach jodowania tyrozyny

Hormony tarczycy są jodowanymi pochodnymi tyrozynytyrozyna (Tyr lub Y)tyrozyny. Jodowanie tego związku katalizowane jest za pomocą wspomnianych wcześniej peroksydaz, których składnikiem jest właśnie żelazo.

Udział w tworzeniu składników krwi

Żelazo bierze udział w syntezie leukocytów – białych krwinek, które chronią organizm przed wirusami i bakteriami, oraz w syntezie erytrocytów, przenoszących tlen z płuc do pozostałych tkanek organizmu.

Aby poznać skład osocza oraz budowę erytrocytu, przejrzyj poniższą galerię.

RS9o7io4dqxbh

Ilustracja przedstawia probówkę, w której znajduje się prawidłowy skład procentowo‑objętościowy krwi. Występują warstwy różniące się kolorem pozwalające na zobrazowanie ilości danego składnika w próbce. Od dna probówki zawartość jest czerwona, stanowią ją erytrocyty – około $45\%$, krwinki białe i płytki krwi przeźroczysty fragment tuż nad erytrocytami stanowi poniżej <math aria‑label="jednego procenta">1%, na górze znajduje się osocze krwi o słomkowym zabarwieniu stanowiące około $55\%$. Hematokryt stanowi około $42\%$, przy czym jako sto procent zaznaczono całą objętość probówki.

RoFwlN7cs2AXT

Ilustracja przedstawiająca budowę hemoglobiny. Po lewej stronie znajduje się czerwona krwinka w postaci czerwonego dwuwklęsłego dysku, czyli erytrocyt. Od komórki odchodzą linie prowadzące do struktury hemoglobiny wchodzącej w skład erytrocytów. Składa się ona z dwóch podjednostek alfa i dwóch beta ułożonych naprzemiennie, to znaczy alfa, beta, alfa, beta wokół jednej osi. Każda podjednostka zbudowana jest z łańcucha polipeptydowego, który to odznacza się występowaniem oddziaływań powodujących występowanie w strukturze alfa‑helisy. Każda podjednostka zawiera tak zwaną grupę niebiałkową - prostetyczną, którą w tym przypadku stanowi hem zawierający żelazo na plus drugim stopniu utlenienia. Cząsteczka hemoglobiny ma spiralny kształt. Na cząsteczkę hemu przypada cząsteczka tlenu reprezentowana przez błękitną kulkę.

Udział w syntezie neurotransmiterów

Żelazo bierze udział w syntezie neuroprzekaźników z aminokwasów. Neuroprzekaźniki są związkami, które przenoszą sygnały pomiędzy komórkami nerwowymi. Najbardziej rozpowszechnionymi neuroprzekaźnikami są glutaminian, GABA, acetylocholina, noradrenalina, dopamina i serotonina.

Warto również na koniec dodać, że omawiany pierwiastek wpływa na wytrzymałość i aktywność fizyczną oraz czynności detoksykacyjne.

Na razie jednak zostały poruszone pozytywne aspekty związków żelaza w naszym organizmie. Istnieją także negatywne strony, jeśli będzie go za dużo lub za mało.

Do najczęstszych niedoborów pokarmowych, z którymi stykamy się na całym świecie, należy niedostateczna ilość związków żelaza. Jego najważniejszym, choć nie jedynym, następstwem jest niedokrwistość, czyli anemia. Mówimy o niej wtedy, gdy ilość ferrytyny (białka zawierającego zapasy żelaza) spadnie poniżej normy, czyli poniżej przedziału $12$-$200 \frac{\mu \text{g}}{\text{l}}$ (norma dla mężczyzn: $15$-$200 \frac{\mu \text{g}}{\text{l}}$, dla kobiet: $12$-$150 \frac{\mu \text{g}}{\text{l}}$). Choroba może ujawnić się w każdym wieku. Najczęściej dotyka to kobiet ze względu na comiesięczne menstruacje.

Innymi objawami niedoboru są głód tlenowy, wywołany obniżeniem stężenia hemoglobiny, a także zaburzenia innych układów od niej zależnych. Wspomniany głód tlenowy wynika głównie z niedotlenienia mięśnia serca (co przejawia się zaburzeniami rytmu serca) oraz mózgu (tu wyraźnymi symptomami są osłabienie, senność, apatia). Nie rzadko taka sytuacja wpływa na zmniejszenie odporności (częste infekcje dróg oddechowych) oraz zaburzenia skóry i błon śluzowych.

Zostało już powiedziane, że na niedobór związków żelaza mogą narzekać miesiączkujące kobiety i jakie to ma skutki. Ale to nie wszystko. Niewystarczająca ilość tego pierwiastka w okresie ciąży może prowadzić do przedwczesnego porodu, a nawet do poronienia!

Wypada także wspomnieć, że efektem niedoboru związków żelaza jest zwiększenie podatności na zakażenia i problemy z odpornością – o wiele łatwiej jest nam wtedy zachorować, ponieważ organizm ma mniejszą zdolność do obrony przed różnego rodzaju wirusami. Zaburza także funkcje układu nerwowego (produkcja osłonek mielinowych, przemiany i funkcje serotoniny i GABA) oraz obniża zdolność ustroju do utrzymania właściwej temperatury ciała.

Czy myślisz, że niedobór związków żelaza to jedyny problem? Otóż nie – jego nadmiar zdarza się o wiele rzadziej, ale może być równie niebezpieczny, jak chociażby wynikająca z niedoboru związków żelaza niedokrwistość. Zbyt wysoki poziom tego pierwiastka w organizmie często jest rezultatem choroby metabolicznej – hemochromatozyhemochromatoza dziedzicznahemochromatozy, która polega na za dużym wchłanianiu żelaza z przewodu pokarmowego. To również może być wynikiem diety skoncentrowanej głównie na czerwonym mięsie i innych produktach bogatych w związki żelaza. Jeszcze innym skutkiem może być zatrucie organizmu, kiedy pokłady żelaza kumulują się w wątrobie i trzustce. Takie żelazo, niezwiązane w hemoglobiną, przyspiesza niebezpieczne dla zdrowia procesy oksydacyjne.

Objawy zatrucia u dorosłych zdrowych osób są jedynie incydentalne. U dzieci natomiast, w związku z możliwością nadmiernego wchłaniania związków żelaza i odkładania się w narządach, śmiertelną dawką mogą być już $3 \text{g}$. Należy jednak pamiętać, że przedawkowanie żelaza u osób dorosłych powoduje wzrost ryzyka zachorowania na choroby serca oraz choroby nowotworowe – w szczególności raka odbytnicy.

Związki kluczowe w gospodarce żelaza i ich funkcje

Słownik

ATP, adenozyno-$5\text{'}$-trifosforan

ATP, adenozyno-$5\text{'}$-trifosforan

nukleotyd adeninowy zbudowany z adenozyny z przyłączoną wiązaniem estrowym w pozycji $5\text{'}-\text{OH}$ grupą trifosforanową; odgrywa ważną rolę w biologii komórki jako wielofunkcyjny koenzym i molekularna jednostka w wewnątrzkomórkowym transporcie energii; stanowi nośnik energii chemicznej, używanej w metabolizmie komórki; powstaje jako magazyn energii w procesach fotosyntezy i oddychania komórkowego; zużywają go liczne enzymy, a zgromadzona w nim energia służy do przeprowadzania różnorodnych procesów, jak biosyntezy, ruchu i podziału komórki; tworzy się z adenozyno-$5\text{'}$-difosforanu, a przekazując swą energię dalej, powraca do formy ADP lub adenozyno-$5\text{'}$-monofosforanu (AMP); cykl ten zachodzi bezustannie w organizmach żywych; człowiek dorosły w ciągu doby syntetyzuje i zużywa około $85 \text{kg}$ adenozynotrifosforanu (ATP)

R16UrQeoJ1RaX

Ilustracja przedstawiająca wzór strukturalny adenozynotrifosforanu A T P; w strukturze występuje grupa trifosforanowa związana z D‑rybozą, która to łączy się z fragmentem adeninowym. Adenina to bicykliczny związek heteroaromatyczny. Pierwszy pierścień stanowi atom azotu o lokancie pierwszym, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla C 2, ten związany jest z atomem azotu N 3, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z jednym z atomów mostkowych C 4, atom C 4 łączy się z drugim atomem mostkowym C 5, a C 5 z C 6, który to zamyka pierwszy sześcioczłonowy pierścień i związany jest z grupą ${\text{NH}}_2$. Mostkowe atomy C 4 i C 5 są wspólne dla obu pierścieni. Zatem drugi pierścień tworzy atom C 4, który to łączy się z atomem azotu N 7 w pozycji siódmej, który to łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla C 8 związanym z atomem azotu N 9, który to łączy się z mostkowym atomem C 5 oraz węglem pierścienia D‑rybozy czyli monocukru w formie cyklicznej. Pięcioczłonowy pierścień D‑rybozy tworzą cztery atomy węgla i jeden atom tlenu, pierwszy z atomów tworzących pierścień łączy się z adeniną za pomocą wiązania glikozydowego oraz z atomem tlenu tworzącym pierścień. Dwa kolejne atomy węgla tworzące pierścień podstawione są grupami hydroksylowymi. Czwarty atom węgla zaś łączy się z wspomnianym już atomem tlenu oraz z grupą <math">CH2 związaną z grupą trójfosforanową.

tyrozyna (Tyr lub Y)

tyrozyna (Tyr lub Y)

(gr. tyros – „ser”) aminokwas; spełnia ważne biologiczne zadania jako wewnątrzkomórkowy przekaźnik – może być fosforylowana przez kinazy białkowe, a także jest prekursorem ważnych hormonów i biologicznie czynnych substancji

RNiipzMi13PUw

Ilustracja przedstawia wzór półstrukturalny aminokwasu, tyrozyny. Do atomu węgla przyłączone są grupa karboksylowa, aminowa, atom wodoru i grupa metylenowa dodatkowo związana z pierścieniem benzenowym, który w pozycji czwartej posiada przyłączoną grupę hydroksylową.

kwas $\gamma$‑aminomasłowy, kwas gamma‑aminomasłowy, GABA

kwas $\gamma$‑aminomasłowy, kwas gamma‑aminomasłowy, GABA

aminokwas; pełni funkcję głównego neuroprzekaźnika o działaniu hamującym; odkryto trzy receptory GABA (podtypu A, B i C); receptory GABA typu A obecne są niemal na każdej komórce nerwowej, są miejscem działania wielu związków (agonistów receptora GABA)

R7l5YQTAqzrO7

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki kwasu ‑aminobutanowego, to jest gamma aminobutanowego, GABA, zbudowanego z grupy karboksylowej $\text{COOH}$, w której atom węgla łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązania pojedynczego z grupą hydroksylową O H; grupa karboksylowa związana jest z pierwszą z trzech kolejno związanych grup metylenowych ${\text{CH}}_2$, z których ostatnia łączy się z grupą aminową ${\text{NH}}_2$.

Bibliografia

Hames B. D., Hooper N. M., „Biochemia Krótkie wykłady”, Warszawa 2007.

Traczyk W. Z., Trzebski A., „Fizjologia człowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej”, Warszawa 2015.

Bańkowski E., „Biochemia. Podręcznik dla studentów uczelni medycznych”, Wyd. II. Elsevier, 2009, s. 406.

Sheftel A. D., Mason A. B., Ponka P., „The long history of iron in the Universe and in health and disease”, Biochim Biophys Acta 2012; 1820: 161‑187.

Interna Szczeklika. Podręcznik chorób wewnętrznych, Kraków: Medycyna Praktyczna, 2012.

Bielański A., „Podstawy chemii nieorganicznej”, Warszawa 1987.

Litwin M., Styka‑Wlazło S., Szymońska J., „Chemia ogólna i nieorganiczna”, Warszawa 2013.

Pazdro K. M., „Chemia podręcznik do kształcenia rozszerzonego w liceach”, Warszawa 2013.