微量元素铁的生理功能及对人体健康的影响

2012-12-03孙长峰郭娜

食品研究与开发 2012年5期

孙长峰，郭娜

（1.聊城大学东昌学院，山东聊城 252000；2.聊城市中医医院，山东聊城 252000）

在自然界中，天然存在的化学元素有92种，其中人体内含有80多种。根据它们在体内含量不同，将其分为两类：一是常量元素，包括 C、H、O、N、P、S、Ca、K、Mg、Na和Cl共11种元素，占人体总重的99.25%，它们构成机体组织，并在体内起电解质作用；其二为微量元素，是指在人体中的含量低于0.01%的元素，包括 Fe、I、Cu、Zn、Cr、Co、Mn、Ni、Sn、Se、Mo、F、稀土等 70多种元素[1]，这些微量元素在人体内含量虽然非常之少，但却能起到非常重要的生理作用。根据微量元素在人和动物体内的作用，把微量元素还可分为必需元素、非必需元素和有害元素。铁是人体所必需的微量元素之一，而且是人体中含量最高的微量元素。

1 微量元素铁

铁，元素符号为Fe，英文名称为Iron，原子序数为26。自然界中铁存在四种同位素：54Fe（5.8%）、56Fe（91.72%）、57Fe（2.2%）、58Fe（0.28%），平均相对原子量为55.85[2]。其核外电子层排布为[Ar]3d64s2，位于元素周期表第四周期（第一过渡系）Ⅷ族，3 d轨道的电子可以参与成键，因此有多种氧化态，其中稳定存在的氧化数主要有+2、+3。

铁是一种具有银白色光泽的金属，密度为7.874g/mL，沸点为2750℃，熔点为1535℃[3]，具有良好的导电导热性，能被磁铁吸引，在磁场的作用下，自身也能产生磁性。铁属于中等活泼金属，可以置换出稀酸中的H2，甚至在高温条件下可以与H2O反应；铁很容易被氧化，暴露在潮湿的空气中很快就会“生锈”；它能把较不活泼的金属从溶液中置换出来；还可与C6H5（环戊二烯）生成二茂铁等。铁的化合物以Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）为主，其中氯化物、硝酸盐、硫酸盐等易溶于水，而氧化物、氢氧化物、硫化物、磷酸盐等难溶于水；Fe（Ⅱ）还原性较强，易被空气中或溶解在水中的O2氧化，所以Fe（Ⅱ）的盐溶液中往往有Fe（Ⅲ）存在。

铁在地球上的丰度为4.1%，占第四位，储量比较丰富，但是在人体内属于微量元素。正常成年男子体内铁元素的平均含量为0.05 g/kg，女子为0.035 g/kg，铁元素在人体中虽然含量很少，但在人体所必需的十多种微量元素中，铁无论在重要性上还是在数量上都居首位，堪称“微量元素中的老大”。

2 铁在人体中的含量及存在形式

铁在人体内的分布极为普遍，几乎所有组织中都有，其中65%在红细胞中以血红蛋白的形式存在；10%在肌肉中以肌红蛋白和酶的形式存在；15%～20%存在于肝、脾、骨髓、肠等组织器官中，以铁蛋白和含铁血黄素的形式存在，称为储备铁。其中当人体缺铁时，铁蛋白即可作为补充，而含铁血黄素被机体所用；还有少量铁作为运输铁而与血浆中的运铁蛋白相结合，称之为血浆铁。

铁在人体内可反复利用，健康成年人每日只需吸收1 mg以上的铁即可满足机体需要[3]。但人体内的储备铁很少，只占人体铁总量的10%左右，当人体对铁的消耗过多或大量失血时，就很难满足身体需要，因此就会导致缺铁性贫血。

3 铁在人体中的生理作用

3.1 参与氧的运输和储存

一般情况下，人体中的氧来自空气。氧通过人的呼吸进入肺泡，然后进入血液，与血红蛋白（Hemoglobin，Hb）结合，通过血液循环进入人体的各个组织和细胞。血红蛋白分子是由1个珠蛋白和4个血红素组成，血红素是由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与1个Fe2+结合形成的螯合物[4]（图1）。

图1 血红素的结构图[5]Fig.1 The Structure of heme

血红蛋白的任务是运输氧，这就决定了氧与血红蛋白的结合必须是可逆的（见式1）。但是血红蛋白与氧的结合并不是氧化，氧合血红蛋白（图2）中的铁仍为Fe2+。血红蛋白在肺部结合氧之后，随血液循环将氧带至各组织器官。在组织器官中，因为氧的分压较低，氧合血红蛋白离解出氧，再结合CO2，随血液循环回到肺部，即完成一个循环。

图2 氧合血红蛋白的结构图[6]Fig.2 The structure of oxyhemoglobin

铁还参与合成肌红蛋白（Myoglobin，Mb）。肌红蛋白也是一种含血红素的蛋白质，它由一个血红素和一个球蛋白组成，其结构与血红蛋白相似，只不过肌红蛋白是单链蛋白，血红蛋白是由四个亚基组成的寡聚蛋白。氧合血红蛋白把氧气放出后，氧分子立即与肌红蛋白结合。肌红蛋白也是一种含血红素的蛋白质，因此它也含Fe2+。在氧气分压低的地方，肌红蛋白与氧分子结合的能力比血红蛋白强，因此，与血红蛋白结合的氧气可以传递给肌红蛋白。肌红蛋白主要存在于肌肉细胞里，这些细胞是非常需要氧气的。肌红蛋白的基本功能是在肌肉组织中起转运和储存氧的功能。铁元素在肌红蛋白合成中具有不可或缺的作用。

因为CO与血红蛋白中Fe（Ⅱ）原子的结合力比O2高出250倍，所以即使空气中CO的浓度很低，CO也会取代O2与血红蛋白结合，阻止了血红蛋白对身体细胞氧气的运输，从而造成CO中毒，危及生命。

3.2 参与细胞色素和某些金属酶合成并影响其活性

铁与某些金属酶的合成与活性密切相关，如它参与细胞色素氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、单胺氧化酶等的合成的，并且它与乙酰辅酶A、琥珀酸脱氢酶、细胞色素C还原酶等的活性密切相关[4]。过氧化氢酶（Catalase，简称CAT），又称触酶，是一种含铁血红素酶；过氧化物酶（Peroxildases，PX）也是一类含铁的酶，其中大多数以含铁（Ⅲ）-卟啉为辅基。这一类酶可以有效清除体内氧化过程中产生的过氧化氢、有机过氧化物等有害物质，使机体组织细胞免受损伤破坏。单胺氧化酶（Monoamine oxidase，MAO）是一种含铁的黄素蛋白酶，是神经递质的灭活酶，被认为与抑郁症的发病及缺铁性贫血引起的幼儿智商偏低等有关[1]。

细胞色素也是以铁-卟啉复合体为辅基的血红素蛋白。它可以通过结构中铁价态Fe2+与Fe3+的可逆变化而进行电子的传递，对细胞呼吸和能量代谢有着非常重要的影响。如在此过程中，机体利用营养物被氧化为CO2和H2O释放的能量用于ATP的合成。

3.3 维持正常造血功能

铁对人体健康的重要性在于它是血红蛋白的一个必不可少的部分，在造血过程中是必需的元素之一。红细胞生成除要求骨髓造血功能正常外，还要有足够的造血原料，制造红细胞的主要原料为蛋白质和二价铁，红细胞中含铁约占机体总铁的2/3，铁在骨髓造血细胞中与卟啉结合形成高铁血红素，再与珠蛋白合成血红蛋白。

3.4 增强免疫功能

1987年Keilly等指出：铁缺乏和过量都会引起免疫系统的受损。铁可使人体内外周淋巴细胞、吞噬细胞、中性白细胞保持正常功能。研究发现缺铁可引起巨噬细胞游走和抑制因子减少，吞噬细胞活性受损，外周淋巴细胞对抗原的反应下降等，进而影响机体的免疫系统。另外体内铁过剩也可使免疫功能受损。有人在预防新生儿疾病时，给出生2 d～6 d的新生儿注射铁剂，当注射到4 d～6 d时，80%的新生儿发生大肠杆菌感染，其中部分发生败血症，但未注射铁剂的新生儿无一例感染发生[1]。

4 铁与疾病

我国居民每天适宜摄入量（Adequate intake，AI）：成年男子为15 mg，女子为20 mg，少年男子为20 mg，少年女子为25 mg，孕妇、乳母为25 mg～30 mg[2]。人体中铁主要来自食物，如果长期摄入大量含铁量高的食物或者人体长期缺少铁元素或对铁元素的吸收受到障碍时，人体都会相应的出现病症。

4.1 铁缺乏

根据世界各国的调查研究结果证明，一般人群中缺铁的发生率很高，特别是婴幼儿和妊娠妇女尤为严重；特别在经济落后、食品不充足的地区，发生缺铁及缺铁性贫血者更多。有一研究指出，对18个国家调查了40岁以下的妇女，证明贮存铁均见不足。据2007年世界卫生组织报道，全球约有15%～20%的人患缺铁性贫血，其中成年男性约占10%，妇女约占20%，孕妇和儿童约占40%～60%。我国各地的调查结果也大致如此。

缺铁除了会导致贫血，对人体还有多种危害：人体内有许多含铁酶。酶是一类生物活性物质，人体内一系列复杂的生化反应都需要酶的参与。缺铁时，人体内的含铁酶功能就会下降，使物质和能量代谢受到影响。

缺铁对人的行为和智力发育也会产生不良影响。经临床观察，铁缺乏的婴幼儿和青少年儿童常表现出呆滞，对周围的事物不感兴趣，易烦躁，注意力不易集中，学习能力和记忆力下降；成人铁缺乏则呈现冷漠、呆板、易疲劳。

临床研究证明，缺铁使吞噬细胞的杀菌能力受到损伤，进而影响机体的防御能力，导致人体抗感染能力降低，易患感染性疾病。

铁在人体内还参与体温调节。美国营养学家研究发现，铁缺乏的妇女对寒冷的抵抗能力下降，表现为怕冷、寒战、失眠等。

缺铁影响机体的正常发育成长，造成身体增长迟缓、骨骼发育异常，特别是对青少年儿童影响较大。

此外，人体实验证明缺铁会增加铅的吸收，造成铅中毒；许多研究还表明妊娠妇女缺铁与早产、低出生体重儿及胎儿死亡有关。

4.2 铁中毒

铁是人体必需的营养元素，而且铁元素本身也不具备毒性，所以铁过量成铁中毒的情况并不多见。但是当人们特别是儿童误服过量铁剂时，就会造成急性铁中毒，出现呕吐、腹痛、腹泻、消化道出血、急性肠坏死等，严重时发生休克，乃至死亡。据美国统计每年大约有5000例铁中毒发生，病死率为1%。最常见的铁中毒是由硫酸亚铁过量引起的，致死量为200 mg/kg～250 mg/kg，也有的认为是130 mg/kg。如果长期过量的摄入铁剂或富铁食物及长期吸入含铁尘空气会造成慢性铁中毒。慢性铁中毒主要对肝脏造成损害，干扰肝细胞功能，严重时可导致肝细胞坏死、纤维化，最后形成肝硬化。另据意大利研究人员在《美国流行病学杂志》上报告说，通过食用植物类食物摄入过多铁元素的人更易患帕金森氏症。

此外，据研究表明，人体内铁含量的变化还与心脏病、高血压、高血脂和糖尿病等病症有关系。

5 对于科学补充铁元素的几点建议

当人体少量缺铁时，切不可盲目补充，应听从医生的建议。正确合理的饮食可以防治缺铁性贫血。已患缺铁性贫血的病人，单靠饮食疗法效果不大，但可作为辅助治疗，以防止复发。应适当多食含铁较多、营养丰富的食品，如：动物血、肝脏、鸡胗、牛肾、大豆、黑木耳、芝麻酱、牛肉、羊肉、蛤蜊和牡蛎等。在服用铁剂时应注意以下几点：

1）口服铁剂以硫酸亚铁、右旋糖苷铁、富马酸亚铁和葡萄糖酸亚铁为佳，因铁以二价铁（亚铁）的形式吸收。

2）贫血补铁应坚持“小量、长期”的原则。严格按医嘱服药，切勿加大服药剂量，也绝不能一次大剂量，否则易导致急性铁中毒。

3）口服铁剂时应将药物放在舌面上，直接用水冲饮下肚，不要咀嚼药物，以免染黑牙齿。

4）应在饭后服药，避免空腹服药，以减轻药物对胃肠道的刺激而引起的恶心呕吐。同时服用维生素C或果汁，因酸性环境有利于铁的吸收。

5）含钙类食品（如豆腐）和高磷酸盐食品（如牛奶）等，与铁剂能络合而生成沉淀，故应避免同时服用。

6）口服铁剂期间，不要喝茶或咖啡，因为茶和咖啡中含有大量鞣酸，能与铁生成不溶性的铁质沉淀，妨碍铁的吸收。

7）注意药物对铁剂吸收的不良影响：四环素族抗生素能与铁剂生成不溶性配合物，不利吸收。故应尽量避免同时应用。

8）缺铁症状改善，不要立即停药，还应在医生指导下再服一段时间，以补充体内的储存铁，防止贫血的复发。

[1]杨维东,刘洁生,彭喜春.微量元素与健康[M].武汉:华中科技大学出版社,2007:15-26

[2]中国营养学会.中国居民膳食营养素参考摄入量Chinese DRls[M].北京:中国轻工业出版社,2000:179-188

[3]李梦龙,蒲雪梅.分析化学数据速查手册[M].北京:化学工业出版社,2009:7

[4]周爱儒.生物化学[M].6版.北京:人民卫生出版社,2004:22-24