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铁元素的生理功能及其研究进展

作者:潘晓亮 等来源:中国猪e网时间:2008-12-17 13:55点击:

         由于缺铁性贫血对人类健康(特别是对于女青年和妊娠妇女)造成危害,所以很早以前,人们就通过对这种病的观察研究而认识到铁对健康的重要性。铁作为一种药物用于治疗人类的疾病已有数百年的历史,我国古代劳动人民早就发现中药皂矾可以治疗“血虚萎黄”,而皂矾的主要成分就是硫酸铁。在l664年Sydenham就曾用含铁的酒类治疗缺铁性贫血 (那时称青春期萎黄病)。人们还知道用铸铁锅烹饪的食物可以增进健康、防治贫血。1831年Blaud首先用二价铁治疗单纯性贫血。同年Frodisch证明萎黄病患者血液里铁含量比健康人低。至此,有关铁对生物体的重要生理作用的研究达到了较高水平。二十世纪五十到六十年代,随着血液、组织中含铁量的精密测定方法和同位素示踪技术的应用,人们才开始研究铁的吸收代谢机制,而且发展迅速。随着科学技术的进步,人们对于铁的认识已从感性阶段进入理性阶段,从更深层次上即分子生物学水平上认识到铁的功能。众多营养学者认识到:饲料营养素作为动物的外部环境因子与其基因表达存在着广泛的互作,使得通过改变日粮中的组分来控制个体的基因表达,获得人们理想的动物变得日益可行。
         l 机体对铁的吸收和分布  近端小肠(十二指肠和空肠)是铁吸收的主要部位,也是调节铁平衡的一个关键环节。动物消化道的其它部位如胃、回肠、盲肠也能吸收少量的铁。Darrell于1965年利用结扎小肠段技术,研究得到大鼠不同消化道部位吸收铁的能力依次为:十二指肠>回肠>小肠中段>胃。由此可见,动物整个消化道都可以吸收铁,但主要吸收部位在十二指肠。虽然整个消化道都可吸收铁,但动物采食的铁仅有很少部分(5%~8%)被吸收,其余的则通过肠道随粪便排出。大约有三分之二的机体铁存在于红细胞的血红蛋白和肌肉的肌红蛋白中,20%的铁以不同形式存在于肝、脾和其他组织中,剩余的以不可利用形式存在于肌球蛋白、肌纤凝蛋白和金属结合酶中。机体内铁的稳定态主要受肠道对铁的吸收率的控制。虽然过去的几十年已经投入了相当大的努力,各种假说,如载体转运、离子通道等机制已相继提出,但小肠粘膜铁吸收的机制一直是不清楚的。一般认为,铁在许多组织细胞被吸收 (或摄取)都是通过经典的转铁蛋白(transferrin,TO和转铁蛋白受体(transferrin receptor,TfR)的途径。即三价铁首先与Tf 结合,两者的结合物再与细胞表面的TfR 结合,之后经过内吞、酸化、释放和移位等步骤,铁进入胞浆,最终被细胞利用,合成血红蛋白及其他物质。但小肠肠腔表面的吸收上皮细胞不存在TfR 表达,因此,铁穿过小肠进入机体不可能通过Tf_ 佃的经典转运途径实现。近年来,在小肠黏膜细胞相继发现了DMTl(divalent metal transporter l,二价金属离子转运蛋白)、DCb(duodenM cytochrome b,肠细胞色素B)、MTPl fmetal transporter protein l金属转运子蛋白1)和Fpl(fen— portin l,膜铁转运蛋白1)和Hp(hephaestin,膜铁转运辅助蛋白)等几种铁转运相关的蛋白质。这些蛋白的发现是铁代谢领域中近年取得的最大突破,也使小肠如何吸收铁这一重要问题有了基本答案。新的研究证实,DMT1和DCb两种蛋白质参与黏膜铁吸收过程(铁穿过肠吸收上皮细胞的顶端进入细胞),而Fpl和Hp则参与黏膜转运过程(从肠上皮细胞的基底侧转运入血液循环)。近年来,国外学者从肠道提纯一种新的铁结合蛋白一木比耳铁蛋白(Mobilferrin,M0,并发现了Mf2整合素这一新的铁转运途径。同时提出了肠道铁吸收的新学说。但这些新的假设和学说还有待于今后进一步的验证。
         2 铁的生理功能  铁对动物有多种功能,主要表现在:铁是构成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧化酶的重要成分,作为氧的载体,保证体组织内氧的正常输送;血红蛋白中的铁,对于维持机体每个器官和每种组织的正常生理作用是不可缺少的;铁在胎盘中是以转铁蛋白的形式存在;以乳铁蛋白的形式存在于哺乳动物乳汁、胰液、泪液及白细胞胞浆;以铁蛋白和血红素形式存在于肝中;在禽卵和爬行类卵蛋白中存在的卵转铁蛋白;并且铁也是构成机体内许多代谢酶的活性成分,如:铁硫蛋白、细胞色素、细胞色素氧化酶、过氧化物酶等;铁与某些酶的活性有密切的关系,如乙酰辅酶A,琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶,细胞色素还原酶,在细胞生物氧化过程中发挥着重要作用。现代研究证明,铁与能量代谢密切相关,因为三羧循环中有一半以上的酶和因子含铁或者只有铁存在时才能发挥其生化作用,完成生理功能;铁还影响动物体内的蛋白质合成和免疫机能。缺铁或铁的利用不良,将导致氧的运输、贮存、二氧化碳的运输及氧化还原等代谢过程紊乱,影响生长发育甚至发生贫血等各种疾病。机体若贮铁或摄铁不足,或因寄生虫感染缺铁,或红细胞分解速度大于合成速度,则出现缺铁性贫血。贫血可发生于生长的任何阶段,需要人工补铁。
        3 影响动物对铁剂吸收利用的因素  动物补铁效果受到多种因素的影响,归纳起来主要有三个方面:动物自身方面,饲料方面和铁的状态。 3、1 动物自身方面不同种类的动物对铁在吸收利用有很大差异。不同动物,如反刍动物和单胃动物的日粮组成、消化道结构不同,对铁的吸收利用显然不同。而同种动物不同品种间、同品种不同性别间对铁吸收利用无明显差别(除人类外)。幼龄畜禽 (尤其是初生的)易患缺铁症,这是由于其体内铁贮相对较低。所以幼龄畜禽对铁的吸收利用率高于成年畜禽。随着年龄的增加,铁的吸收降低,同时铁在组织器官中的沉积量也降低。动物不同生理状态对铁的吸收利用也有很大差别,如孕期的母畜铁的吸收率增加(Robert,1977;Manis,1962)。动物的胃肠道环境也影响铁的吸收。当肠腔内pH值大于4时,铁离子与氢氧根离子形成不溶性羟合络合物的聚合物,从而降低其吸收利用率。 3.2 饲料方面饲料中铁的含量影响铁的吸收利用, 日粮中含铁量降低,铁的吸收增加,反之亦然。我国饲料含铁量的特点为:动物性饲料含铁量最高,糠麸类、饼粕类、草粉类次之,豆类及谷实类含量最少(杜荣1989)。同一种饲料含铁量差异很大。所以,在实际应用中,应以实测值为依据。一般来说,植物性饲料中铁的吸收利用率小于动物性饲料中的铁(杨文正 1993)。如玉米、大豆、小麦中铁吸收率只有1%~5%,而鱼肉 (11%)、牛肉(22%)、牛肝(14%~16%)等动物性饲料中铁的利用率要高的多。这主要是由于动物性饲料中的铁有一部分是以血红素铁的形式存在的,血红素铁的吸收代谢特点决定了其吸收利用率高于非血红素铁。另外,日粮中的成分影响铁的吸收和利用。饲料中富含维生素C、A、B等还原剂性的物质、动物性蛋白质、某些氨基酸(如组氨酸、赖氨酸、半胱氨酸等)和糖类时,可以提高Fe 的吸收利用率。同时饲料中某些有机酸(如饲料中草酸、植酸脑壳磷酸盐等)、纤维素能与Fe形成不溶性铁盐,均可阻碍铁的吸收和利用。饲料中的棉酚和高浓度的Zn 、Mn、I、Cu、 Co存在时,也可降低Fe的吸收利用率。 3I3 铁的状态生产实际中,选择含二价铁作为铁添加剂,是比较普遍的做法,这是因为含三价铁的化合物生物利用率极低。当溶液pH=7时,二价铁在该溶液中的浓度可达1M,而三价铁几乎是不溶的,当溶液pH>4时,三价就是不溶的。因此,铁能否被动物体吸收利用,其前提条件是它的溶解度。而在小肠内pH值环境里,只有二价是可溶的,因此在肠腔内,铁首选应被还原为二价铁,才可能被机体吸收利用。此外,不同补铁剂其生物学效价不同,一般是二价铁化合物优于三价铁化合物。同样是二价铁化合物,不同化合物的生物学效价也不同。
         4 铁吸收利用的技术研究进展  随着相关学科的发展,关于铁吸收利用的研究技术发展很快,大致可分为三个阶段:传统的平衡试验阶段、同位素应用阶段和细胞生物学技术应用阶段。 4.1平衡试验平衡试验即在一定时间内测定动物对铁的食入量和排出量,从而得到被动物吸收或利用的量。此法原理和操作简单,所需试验设备也不复杂,只要能准确分析样品含铁量,准确记录食入和排出量即可。但其缺点也是显而易见的,因为动物对铁的需要量很小,而且动物机体内排泄量很低,加上试验误差的干扰,很难得到真实可靠的数据。但此法对研究动物对某种营养吸收利用时还是一种经典方法:它可以使试验期延长,使动物处于自然生长状态,使试验结果更贴近动物自身生理状况等优点是其它任何方法所无法替代的。 4.2 同位素示踪技术的应用 Georgede在1924年首次将放射性同位素应用于动物研究,但直到50年代放射性同位素与辐射技术才被广泛应用于动物物质代谢和临床研究。Moore(1951)首次用55Fe标记示踪研究了人不同食物中铁的吸收利用情况。此后利用该技术进行日粮原料中铁吸收利用的研究取得了很大进展,该技术得以不断发展和完善,最后形成内标和外标法两个独立的研究体系。Cook(1972)在其综述中已详细说明了两个体系的具体实施过程和各自的优缺点。采用同位素示踪技术研究不同铁化合物中铁的生物学效价和铁吸收利用情况的方法主要有二种:其一是外标法,即外翻肠囊法,就是从活体取出小肠后分割成不同的片段,将各片段外翻做成囊状物,放入培养液中培养一段时间行,取出放进装有被测物的烧瓶中,观测肠道粘膜、浆膜及肠体中被测物的变化。该技术优点为操作简便,快速且耗费低,还能详细观察铁进入肠粘膜和浆膜的变化规律。缺点是由于在非生理条件(无备注无血液供应)下进行的,小肠的功能不能正常发挥,另外,仅限于研究铁的吸收,无法对铁在动物体内的进一步代谢进行研究。其二是内标法,根据动物引入铁的方法,可分为两类,一类是直接采食或通过胃管引入,另一种是十二指肠灌注,当以动物为对象时,主要采用后者,前者主要用于人的研究。该法具有试验期短,操作简便,在动物体内进行等优点,得到了研究者的广泛应用(Wheby,1970;Hungerford,1983;Simpson, 1996;Van Campen,1973;HuebeI'S,1983)。周桂莲等(2000)利用体内原位结扎肠段并灌注技术结合放射性同位素示踪技术研究了氨基酸螯合铁在大鼠体内的吸收特点,认为放射性同位素示踪技术结合结扎十二指肠段并灌注技术不失为一种研究动物对微量元素吸收情况的较为理想的试验手段。 4.3 细胞培养技术的应用细胞培养就是人为地提供模拟体内的生理条件在离体条件下使细胞继续生长繁殖的实验技术。运用细胞培养进行研究有其独到的优点。首先,离体培养细胞脱离了有机体复杂的环境因素的影响,可以很方便地控制实验条件,进行单因子测试;其次,实验中可以直接观测细胞发生的变化;再次,可以提供大量均一细胞供研究用。将细胞培养与同位素示踪技术有机结合用于研究铁的吸收特点始于九十年代, Carcia(1996)研究了细胞作为研究铁吸收利用模型的培养条件、时间和可行性。Glahn(1997)利用细胞培养研究了几种氨基酸对细胞铁吸收的影响,结果表明,细胞培养技术是研究细胞铁吸收的有效方法,但不能用于研究细胞内铁的转运。近年来,我国细胞生物学技术发展很快,借助于同位素示踪技术,使得将细胞培养用于动物营养研究成为可能。但由于技术要求高且是离体培养,还不能完全反映机体的真实情况,所以这项技术在国内尚未见报道。

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