Железо всюду
Железо – один из самых важных металлов. В таблице Менделеева трудно найтидругой металл, с которым была бы так неразрывно связанна история цивилизации. Вдревности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Лишьпредставители знати могли украшать себя изделиями из этого металла, причёмнередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготовляли даже обручальныекольца.
По мере развития металлургии этот металл становился доступнее и нужнее.Тем не менее, ещё сравнительно недавно многие отсталые народы не имели о железени малейшего представления.
Первое железо, попавшее ещё в глубокой древности в руки человека, было,по-видимому, не земного, а космического происхождения. Этот металл входит всостав метеоритов, падающих на нашу планету. Метеорное вещество выпадаетежегодно тысячами тонн на Землю, и содержит до 90% железа. Самый крупныйжелезный метеорит найден в 1920 году в юго-западной части Африки. Он веситоколо 60 тонн.
Железо – один из самых распространённых элементов: в земной коре егосодержится около 5%. Однако лишь примерно сороковая часть запасов этого металласконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработок. Основныерудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк, сидерит. Магнетитсодержит до 72% железа, как показывает его название, обладает магнитнымисвойствами. Гематит, или красный железняк, содержит до 70% железа. Названиеэтого минерала произошло от греческого слова «гемма» — кровь. Само же слово«железо» произошло, как полагают одни учёные, от санкритского слова «джальжа» — металл, руда. Другие считают, что в основе русского названия элемента лежитсанкритский корень «жель», означающий «блистать», «пылать».
Железо содержится в морской воде и на дне океанов. Если извлечь всёжелезо, растворённое в воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты,причём за всё существование человечества произведено около 6 тонн на каждогочеловека. Железо образуется на дне океанов в виде железомарганцевых отложений.Они находятся в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях, идаже озёрах. В центре этих образований обычно располагается какой-либо предмет,например зуб акулы, а вокруг него образуется железо путём нарастанияконцентрированных колец осадков.
Без железа невозможна жизнь животных, растений и человека. Оно содержитсяв живых организмах, и без него не осуществимы жизненно важные процессы, безпротекания которых всё живое обречено на гибель.
В растительном мире роль железа очень важна. За исключениемжелезобактерий, все живые организмы – от растений до человека — связываютвдыхаемый кислород в сложные соединения. В центре их молекул находится атомметалла. Для растений – это атом магния, для животных – атом железа. Железонеобходимо для образования хлорофилла, который обуславливает усвоениерастениями углекислоты при помощи поглощаемой ими энергии солнечного света.Хотя железо не входит в состав хлорофилла, без него этот пигмент не образуется.
Недостаток железа в почве вызывает железное голодание растений изаболевание – хлороз. Наиболее чувствительны к недостатку железа плодовыедеревья – яблоня, груша, слива, персик, цитрусовые, а так же малина и виноград.Применение комплексных препаратов, содержащих железо, помогло увеличить урожайяблок и других культур.
В конце XIX века немецкий учёный Лидгеопубликовал исследование о зависимости произрастания различных пород деревьевот содержания в почве различных минералов. Он заметил, что в Прирейнскихпровинциях залежи железа покрыты преимущественно берёзовым лесом, тогда как вокрестности их, не имеющих железных руд, растут дуб, бук и другие породыдеревьев. Учёный установил зависимость роста известных пород деревьев отналичия тех или иных минеральных солей в почве. Благодаря этому было открытоместорождение меди в центре Казахстана.
Существует наука, занимающаяся поисками руд по растениям – биогеохимия.Таких растений — «геологов» известно более 40 видов. К ним относят соссюрею илигорькушу, многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии,Сибири, на Дальнем Востоке. Учёные так же установили, что зола из листьевберёзы имеет бурый цвет, если она росла на железорудном месторождении.Способность некоторых растений и живых существ накапливать химические элементыиз окружающей среды иногда поразительна. Так биологи обнаружили у морскогоогурца «умение» синтезировать обыкновенное железо в виде круглых шариков непревышает 0.002мм. Этот феномен – новое свидетельство того, что живые организмыспособны осуществлять процессы, для нормального протекания которых нужныбольшие температуры и высокое давление. Это наводит ученых на мысль овозможности существования биометаллургии.
Железо и его свойства
Железо Fe – элемент побочной подгруппы VIII группы и 4-го периода Периодической системы Д.И.Менделеева. Порядковый номер этого элемента – 26, а массовое число равно 56,847.Атомы железа устроены несколько отличительно от атомов главных подгрупп: онимеет 4 энергетических уровня, но заполняется у них не последний, апредпоследний, третий от ядра, уровень. На последнем уровне атомы железасодержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов,у атома железа находятся 14. Следовательно, распределение электронов по уровнямв атомах железа таково: 2е, 8е, 14е, 2е.
Ценным его свойством является способность легко окисляться ивосстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимисябиохимическими свойствами. При химических взаимодействиях атом железа можетотдать не только два электрона последнего уровня, но и электрон предпоследнего.Таким образом, основными степенями окисления атома железа могут быть +2 и +3.
Если рассматривать железо как простое вещество, то это серебристо-белыйблестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтомулегко обрабатывается, кусается, прокатывается и штампуется. Железо обладаетспособностью намагничиваться и размагничиваться, ему можно подарить прочность итвёрдость методами термического и механического воздействия, например, спомощью закалки и прокатки.
При химическом взаимодействии атом железа будет образовывать два рядасоединений, так как он может проявлять две различные степени окисления. Числоэлектронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависитот окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, в реакциях сгалогенами железо образует галогеноиды, в которых оно имеет степень окисления+3:
2Fe + 3CI2 = 2FeCI3
а с серой – сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:
3Fe + 2O2 = Fe3O4
При высокой температуре (700 — 900°С) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряженийоно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей,например:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
В разбавленной соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е.окисляется ионами водорода:
Fe + 2HCI = FeCI2 + H2↑
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑
Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуютсянитрат железа (III), вода и продукт восстановленияазотной кислоты – N2 ,NO или NH3(NH4NO3) взависимости от концентрации кислоты.
Сплавы железа
В природе чистое железо не существует. Оно входит в состав рядаминералов. К ним относятся магнитный железняк (магнетит) Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3, бурый железняк (лимонит) 2Fe2O3*3H2O. Всеэти минералы используются в чёрной металлургии для производства чугуна и стали.
Чугун – это сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4% углерода, а также марганец, кремний, фосфор, и серу. Чугун Значительно твёрже железа, нообычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Различают два видачугуна, к которым относятся серый и белый сплавы.
Серый чугун содержит 1,7-4,3% углерода, 1,25-4,0% кремния и до 1,5%марганца. Это сравнительно мягкий и поддающийся механической обработкематериал. Углерод находится в этом сплаве в свободном состоянии и придаёт емумягкость. Серый чугун используется для производства литых деталей.
Белый чугун содержит в себе 1,7-4,3% углерода, более 4% марганца, ноочень мало кремния. Углерод в этом сплаве содержится в основном в видецементита – карбида железа Fe3Cl,который твердость и хрупкость. Белый чугун используется для переработке стали.
Сталь – сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. Похимическому составу стали разделяют на углеродистую и легированную.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом суглеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а такжемарганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количествауглерода стали подразделяют на мягкие, средние и твёрдые, причём, чем больше всплаве углерода, тем она твёрже. Из мягкой и средней твёрдости сталей делаютдетали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой – различныеинструменты.
Легированная сталь – это тоже сплав железа с углеродом, только в неговведены ещё специальные добавки, такие как хром, никель, вольфрам, молибден,ванадий и др. Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Такхромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные,устойчивые против коррозии. Такие стали применяются в строительстве, а такжедля изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек),всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые ихромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Они используютсядля изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих другихдеталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большуютвердость при очень высоких температурах и служат конструкционным материаломдля быстрорежущих инструментов.
Чугун и сталь – более прочные материалы, чем само железо. Эти сплавы –основа развития техники и важнейший материал искусства.
Существует ещё одно природное соединение железа – железный, или серный,колчедан (пирит) FeS2. Он не служит железной рудой дляполучения металла, но применяется для производства серной кислоты.
Соединения железа
Как уже было сказано выше, для железа характерны два ряда соединений:соединения железа(II) и железа(III).
Оксид железа(II) FeO исоответствующий ему гидроксид железа(II) Fe(OH)2 получают косвенно, вчастности по следующей цепи превращений:
Fe → FeCI2 → Fe(OH)2→ FeO
Оба соединения имеют ярко выраженные основные свойства.
Катионы железа(II) Fe2+легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями до катионовжелеза(III) Fe3+. Поэтому белыйосадок гидроксида железа(II) Fe(OH)2 на воздухе сначала приобретает зелёную окраску, а затемстановится бурым, превращаясь в гидроксид железа(III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3
Оксид железа(III) Fe2O3 и соответствующий ему гидроксид железа(III)Fe(OH)3 также получаюткосвенно, например по цепочке:
Fe → FeCI3 → Fe(OH)3→ Fe2O3
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфиды и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO*7H2O,известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителямирастений, для приготовления минеральных красок и в других целях.
Хлорид железа(III) FeCI3используют в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа(III) Fe2(SO4)3*9H2Oприменяется при очистке воды и в других целях. Для распознавания соединенийжелеза(II) и (III) проводяткачественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Такой реакцией служит реакция солей железа с соединением K3(Fe(CN)6), называемым краснойкровяной солью. В растворе она диссоциирует:
K3(Fe(CN)6)= 3K+ + (Fe(CN)6)3-
Реактивом на ионы является другое комплексное соединение – желтаякровяная соль – K4(Fe(CN)6), которая в растворе диссоциирует аналогично:
K4(Fe(CN)6) = 4K+ + (Fe(CN)6)4-
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+или Fe3+, прилить, соответственно, растворыкрасной кровяной соли (реактив на Fe2+ ) ижелтой кровяной соли (реактив на Fe3+ ), тов обоих случаях выпадает одинаковый синий осадок:
FeCI2 + K3(Fe(CN)6) 3+2+
→ KFe(Fe(CN)6)↓ + KCI
FeCI3 + K4(Fe(CN)6)
Для обнаружения ионов Fe3= ещёиспользуют взаимодействие солей железа(III) с роданидомкалия KNCS или аммония NH4NCS. При этом образуется ярко окрашенный ион FeNCS2+, в результате чего весь растворприобретает интенсивно-красный цвет:
Fe3+ + NCS ↔ FeNCS2+
Роль железа в организме человека и других живых организмов очень велика.Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кослородаот органов дыхания к другим органам и биологическим тканям.
Впервые железо в организме человека учёные обнаружили в XIIIвеке.
Биологическая роль железа
Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку иживотным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Этиэлементы можно разделить на две класса. Один из них – макроэлементы, а другой –микроэлементы.
Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий,фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах(порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем однуфункцию.
Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют независимыемикроэлементы, суточная потребность в которых не превышает несколькихмиллиграммов, то есть, сопоставима с потребностью в витаминах.
Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15микроэлементов, большинство из которых выполняет, по меньшей мере, какую-нибудьодну из трёх возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себеможет обладать каталитической активностью по отношению к той или инойхимической реакции, скорость которой значительно возрастает в присутствииферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых,ион металла может образовывать комплекс одновременно с активным центромфермента, в результате чего происходит их сближение и переход в активную форму.И, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов наопределённой стадии.
Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которыхизучены наиболее полно. Значение железа для организма человека труднопереоценить. Подтверждением этому может быть не только большая егораспространенность в природе, но и важная роль в сложных процессах,происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяетсямногократностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложныхбиохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающемнормальное функционирование тканей и организма человека.
Дефицит железа в организме человека
В истории медицины известен такой печальный случай. Один студент-химикрешил подарить своей возлюбленной кольцо, сделанное из железа собственнойкрови. Выпуская время от времени кровь, он получал соединение, из которогохимическим путём он выделял железо. Юноша погиб от наступившего малокровия. Онтак и не собрал нужного количества железа для изготовления кольца. Бедняга незнал, что общее содержание железа в крови взрослого человека составляет всреднем 3-4 грамма, чего хватит разве что на два сапожных гвоздика
При нехватке железа в организме человека возникает его дефицит. В общемвиде дефицит железа развивается при нарушении баланса между поступлением ипотерями железа из организма. Его выделение ограничено.
При недостатке железа человек начинает быстро утомляться, возникаютголовные боли, появляется плохое настроение. Ещё в старину были известнырецепты различных «железных» лекарств. В 1783 году «Экономический журнал»писал: «В некоторых случаях и самое железо составляет весьма хорошее лекарство,и применяются с пользой наимельчайшие оного опилки, либо просто, либообсахаренные». В той же статье рекомендуются и другие лекарства: «железныйснег», «железная вода», «стальное вино» («виноградное кислое вино, как,например, рейнвейн, настоять с железными опилками»).
Общее содержание железа в пище и его усвоение, зависящее преимущественноот соотношения продуктов животного и растительного происхождения, веществ,уступающих или тормозящих всасывание, определяет поступление железа в организм.Потребности в железе определяются его затратами. Оно выделяется с кровью,отшелушивающимися клетками кожи и при неправильной работе кишечного тракта.Большое количество железа надо употреблять беременным женщинам и детям, в связис их ростом.
Итак, основными причинами дефицита железа могут быть:
Различные по объёму кровопотери, недостаточное поступление и усвоениежелеза из пищи, его повышенные затраты при занятиях физической культурой,интенсивном росте и беременности. Определенную роль в происхождении обедненияорганизма железом могут играть нарушения пищеварения в связи с заболеваниямижелудка и кишечника. Некоторые инфекционно-воспалительные заболевания могутпривести к перераспределению железа в организме, но истинного дефицита в этих случаяхне наблюдается. То же самое можно сказать и об опухолях различных организмов исистем.Категория Возраст (годы) Вес (кг.) Рост (см.) Fe (мг.) Новорожденные
0.0-0.5
0.5-1.0
6
9
60
71
10
15 Дети
1-3
4-6
7-10
13
20
28
90
112
132
15
10
10 Мужчины
11-18
15-18
19-22
23-50
51+
45
66
70
70
70
157
176
177
178
178
18
18
10
10
10 Женщины
11-14
15-18
19-22
23-50
51+
46
55
55
55
55
157
163
163
163
163
18
18
18
18
10 Беременные - - - 30-60 Кормящие матери - - - 30-60
Общая масса железа у взрослого мужчины составляет около 4,5 г., а уженщины около 3-4 г. Основная масса (около 75%) железа, составляющая 2,25-3 г.,сосредоточена в гемоглобине. Вне гемоглобина в эритроцитах содержитсяничтожное, не учитываемое количество железа, входящее в состав клеток. Крометого, при некоторых состояниях, обнаруживаются гранулы трехвалентного железа (Fe III),дающего при окраске по Перльсу положительную реакцию на берлинскую лазурь.
При нормальном содержании гемоглобина, составляемом 15%, в 100 мл кровисодержится 3 г железа. Остальную его часть составляет железо мышечногогемоглобина от 300 до 600 мг и железо дыхательных ферментов – всего около 1 г.Железо, находящееся в органах, главным образом в печени, составляет около 0.5г.
Суточная потребность взрослого человека в железе определяется масштабамифизиологических процессов кроветворения и кроверазрушения.
Роль питания
Распространенность дефицита железа свидетельствует о том, что количествожелеза, взятого организмом из пищи, часто недостаточно для покрытия потребностив нем практически здорового населения. Однако довольно трудно установитьистинную роль диет в различных районах земного шара в происхождении этойпатологии.
Железодефицитные состояния могут развиваться при длительном употреблениипитания с недостаточным общим содержанием железа, несмотря на нормальнуюкалорийность, или с достаточным или высоким его содержанием, но преобладаниемпродуктов растительного происхождения, содержащие тормозящие усвоение железавещества. Длительное вынужденное применение однообразного по составу питанияпри некоторых внутренних заболеваниях или соблюдение больничных диет в рядеслучаев может способствовать обеднению организма.
Даже при высоком содержании железа в пище его всасывание в организм можетбыть незначительным и не удовлетворять его потребности в железе. Железо можетвсасываться только в виде ионов Fe., его всасывание ивыведение протекают очень медленно и зависят от многих сложных факторов.Усваивается лишь незначительная часть присутствующих в пищевых продуктахжелеза. Более того, способность железа усваиваться сильно варьирует для разныхпищевых продуктов. Лучше всего железо усваивается из мяса, значительно хуже иззерновых злаков. Молоко содержит очень мало железа.
Продукты, содержащие FeПродукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Продукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Фасоль 12.4 Яблоки 2.2 Соль поваренная 10.0 Хлеб пшеничный 2.8-0.9 Печень (говяжья) 9.8 Рис 1.8 Горох 9.4 Морковь 1.4-1.2 Крупа гречневая 8.0 Помидоры 1.4-0.5 Язык (говяжий) 5.0 Картофель 0.9 Крупа овсяная 3.9 Лимоны 0.6 Мясо (говядина) 2.8-2.6 Творог 0.4 Шоколад 2.7 Масло сливочное 0.2 Хлеб ржаной 2.6-2.0 Молоко коровье 0.1
Богаты железом и некоторые минеральные воды. История рассказывает о том,как был открыт первый в России источник железистых вод. В 1714 году рабочийКончезёрского медеплавильного завода в Карелии Иван Ребоев, «болевший сердечнойболью, едва волочивший ноги», увидел однажды на железистом болоте неподалёку отЛадожского озера источник и стал пить из него воду. «Пил три дня к ряду и исцелился».Об этом стало известно Петру I, и вскоре по егоуказанию были обнародованы «Объявления о Марциальных водах, на Олонце»,названных так в честь Марса – бога войны и железа. Царь вместе с семьёй не разприезжал в эти края и пил целительную воду.
У жителей Северной Америки дефицит железа в организме – одно из наиболеераспространённых последствий неправильного питания. Особенно он характерен длядетей, девочек-подростков и женщин детородного возраста.
Железо необходимо для синтеза железопорфириновых белков гемоглобина идругих составляющих крови. В крови оно переносится в форме комплекса сплазменным белком трансферрином, а в тканях оно накапливается в виде белковогокомплекса, содержащего гидроксид и фосфат железа. Белки в больших количествахсодержатся в печени, селезёнке и костном мозгу. Железо не выводится изорганизма с мочой. Оно выделяется с желчью и калом, а так же при кровотечениях.Из-за удвоенных или утроенных потерь во время менструаций женщинам необходимыбольшие количества железа, чем мужчинам. В хлеб и другие злаковые продуктыдобавляют дополнительное количество железа, однако это далеко не всегдаявляется решением проблемы недостаточности железа, что приводит кжелезодефицитной анемии, при которой число эритроцитов в крови остаётся нормальным,а содержание гемоглобина в них уменьшается.
Обмен железа в организме человека
Механизмом, регулирующим обмен железа в организме человека, являетсявсасывание железа в желудочно-кишечном тракте. Выделение его из организмакишечником, с кожей, потом с мочой, являющееся пассивным процессом,лимитировано. В последние 30 лет большое количество исследований в нашей странеи за рубежом посвящено изучению различных этапов всасывания железа. Однако этотмеханизм и особая роль слизистой оболочки кишечника в регуляции запасов железаи его превращений неизвестно.
При среднем поступлении с пищей 10-20 мг железа в сутки у здоровогочеловека не более 1-2 мг всасывается в желудочно-кишечный тракт. Наиболееинтенсивно этот процесс происходит в двенадцатиперстной кишке и начальныхотделах тощей кишки. Желудок играет лишь незначительную роль в усвоении: изнего поступает в организм не более 1-2% от общего количества поступающего вжелудочно-кишечный тракт. Соотношение в пище продуктов животного ирастительного происхождения, веществ, усиливающих и тормозящих усвоение,состояние эпителия желудочно-кишечного тракта – всё это оказывает влияние навеличину усвоения железа.
Этапы обмена железа в организме
Процесс усвоения железа состоит из ряда последовательных этапов:
1) начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой оболочкикишечника.
2) внутриклеточный транспорт, образование запасов железа в клетке.
3) освобождение железа из слизистой оболочки кишечника в кровь.
В экспериментальных исследованиях выяснилось, что клетки эпителияслизистой оболочки кишечника чрезвычайно быстро забирают железо из его полости.А ультразвуковые исследования показали, что первый этап обеспечиваетдостаточную концентрацию железа на поверхности слизистой оболочки клеток дляпоследующего его усвоения организмом. При этом железо концентрируется щёточнойкайме, превращения происходят на мембране микроворсинок.
Второй этап – это поступление железа в богатую рибосомами цитоплазму имежклеточное пространство. И, наконец, третий этап – перенос железа вкровеносные сосуды.
Комплекс трансферрин-железо, образовавшийся в результате захвата железаиз клетки слизистой оболочкой кишечника, поступает главным образом в костныймозг, небольшая его часть – в запасный фонд, преимущественно в печень, и ещёменьшее количество железа забирается тканями для образования миоглобина,некоторых ферментов тканевого дыхания и нестойких комплексов железа саминокислотами и белками.
Костный мозг, печень и тонкий кишечник являются тремя основными органамиобмена железа. Клетки костного мозга, так же как и клетки эпителия слизистойоболочки кишечника, имеют повышенную способностьзахватывать железо изнасыщенного трансферрина. Таким образом ненасыщенный трансферрин лучшесвязывает, а насыщенный – лучше отдаёт железо.
Основным источником плазменного железа являются его поступления извнутренних органов, таких как печень, селезёнка, костный мозг, где происходитразрушение гемоглобина эритроцитов. Небольшое количество железа поступает вплазму из запасного фонда и при взятии его из пищи в желудочно-кишечном тракте.Преобладающим циклом в обмене железа в организме человека является образованиеи разрушение гемоглобина эритроцитов, что составляет 25 мг железа в сутки.Фермент сыворотки крови, вероятно, осуществляет транспортировку железа кклеткам печени, однако его роль в общем обмене железа в организме человекапредставляется минимальной.
Обмен железа между транспортным и тканевым его фондами изученнедостаточно, так как пути и движения железа из тканей в плазму крови и наоборотизучены мало. Расчётные данные, однако, свидетельствуют о том, что величинаплазменно-тканевого обмена железа составляет приблизительно 6 мг в сутки.
Содержание железа в организме человека
Железо, находящееся в организме человека, можно разделить на 2 большиегруппы: клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке отличаютсяразличным строением и обладают характерной только для них функциональнойактивностью и биологической ролью для организма. Ко второй группе внеклеточныхсоединений железа относятся железо-связывающие белки, содержащиеся вовнеклеточных жидкостях.
Клеточное железо
Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, выполняет важную газотранспортнуюфункцию – переносит кислород и углекислый газ. Эритроцит по отношению кгемоглобину играет роль системы, способной регулировать общую величинугазотранспортной функции. В гемоглобине одного здорового эритроцита содержитсяприблизительно 0,34% железа.
Миоглобин – дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Основнойфункцией миоглобина является транспортировка кислорода и регуляция егосодержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих воснове клеточного дыхания. Он содержит 0,34% железа.
Некоторым ферментам железо необходимо только для реакций переноса.
Существуют так же запасные соединения железа, находящиеся главным образомв печени, селезёнке и костном мозге. Приблизительно одна треть резервногожелеза организма человека, преимущественно в виде белка, попадает на долюпечени. Запасы железа могут быть при необходимости мобилизованы для нуждорганизма, и предохранять его от токсичного действия свободно циркулирующегожелеза.
Известно, что клетки печени участвуют в создании резервного железа,причём большая часть его обнаружена в виде белка ферритина, который в концежизнедеятельности эритроцитов, освобождаясь, оседает в печени или возвращаетсяв плазму крови и захватывается в клетках печени и мышц, а также в селезёнке икостном мозге.
Гемосидерин является вторым запасным соединением железа в клетке исодержит значительно больше, чем белок, в отличие от которого гемосидерин нерастворим в воде.
Не вызывает сомнений точно установленный факт, что концентрациясывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда железа в организмечеловека. Хорошая зависимость отмечена между уровнем сывороточного белка имобилизуемыми запасами железа в организме, изученных методом количественныхкровопусканий, а также между белком и концентрацией железа в клетках печени.Средняя концентрация его в сыворотке крови у мужчин выше, чем у женщин, сколебаниями от 12 до 300 мкг/ л.
Внеклеточное железо
Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии – в видежелезо — белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует уздорового человека, составляет 10,8 – 28,8 мкмоль/л, с достаточно большимисуточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль/л.
Общее содержание железа во всём объёме циркулирующей плазмы у взрослогочеловека составляет 3 – 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от рядафакторов: взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов,состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте. Однако наиболееважной причиной, определяющей уровень железа, является взаимодействие процессовсинтеза и распада эритроцитов.
Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведским учёным,содержится в небольшом количестве в плазме крови. В плазме здорового человекаэтот белок может находиться в четырёх различных формах, а синтезируетсяпреимущественно в клетках печени.
Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он нетолько переносит железо в различные ткани и органы, но и «узнаёт» нуждающиеся вжелезе клетки. Белок отдаёт железо им только в том случае, если имеютспециальные рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этотжелезо-связывающий белок трансферрин функционирует как транспортное средстводля железа, обмен которого в организме человека зависит как от общегопоступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченногоразличными тканями, соответственно количеству в них рецепторов для железа.Кроме того, трансферрин предохраняет ткани организма от токсичного действияжелеза, выполняя тем самым ещё и защитную функцию.
Этот белок способен регулировать транспорт железа из его запасов вэпителии клеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железозахватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина иэритроцитов, в меньшей степени – клетками одной из систем и откладывается там ввиде запасного железа, некоторое количество которого используется дляобразования миоглобина и ферментов тканевого дыхания. Все эти процессы являютсясложными и до конца не изучены, но некоторые этапы наиболее важного процессапередачи железа клеткам головного мозга можно представить следующим образом:
1) нахождение трансферрина рецепторными участками клеток.
2) образование прочного соединения между трансферрином и клеткой,возможно проникновение белка в клетку.
3) перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующемугемоглобин – аппарату клетки.
4) освобождение трансферрина в кровь.
Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологическихжидкостях: молоке, слезах, желчи, и др. Подобно трансферрину, лактоферринспособен связывать 2 атома железа специфическими пространствами. Вфизиологических условиях лактоферрин насыщен железом до 20%, в ничтожныхколичествах он содержится в плазме, освобождаясь в неё из лейкоцитов.
Железосодержащие ферменты – это ещё один важный класс элементов,участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий.Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в ихмолекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся вособой форме, расщепляющейся под действием кислот. К железосерным ферментамотносится, например, вещество, осуществляющее перенос электронов отвозбуждённого светом хлорофилла на разнообразные точки электронов.
Диагностическое и лечебное применение железа
Кровь содержит железо, и оно определяет её цвет. Содержание железа в плазмекрови подвержено суточным колебаниям – оно снижается во второй половине дня.
При таких заболеваниях, как анемия, цирроз печени, злокачественныеновообразования, многих видах желтухи., при таких состояниях, как беременность,острые и хронические кровопотери и острые инфекционные заболевания частонаблюдается изменения количества железа в организме человека.
Обмен железа во многом зависит от нормального функционирования печени,поэтому определение содержания железа в сыворотке крови может быть использованов качестве функциональной печеночной пробы. При некоторых видах пораженияпечени нарушается её функция по накоплению железа, т. к. пораженная илипогибающая клетка отдаёт железо в кровь. В связи с этим происходит егонакопление в сыворотке крови. Это очень важно учитывать, т. к. при вирусныхинфекциях содержание железа в сыворотке крови снижается.
В отличие от многих других видов желтухи, механическая желтуха протекаетпри нормальном или несколько пониженном содержании железа в сыворотке крови.
Диагностическое применение железа
Радиоактивное железо применяют в радиоизотопной диагностике для изученияобмена и всасывания железа, главным образом в виде цитрата и хлорида. Наиболееширокое применение находят препараты меченые железом. В клинической практикеони применяются редко из-за длительного периода выведения из организма и егоизлучения.
В ряде случаев, например сканирование головного мозга, предпочтительнееиспользовать короткоживущий изотоп Fe, который создаётзначительно меньшую дозу облучения организма. При определении усвояемостижелеза эритроцитами радиоактивное железо вводят в кровоток. В последующие 15 –20 дней с промежутками в 2-3 дня берут пробы крови, и путём изменения Fe- активности эритроцитов определяют степень поглощенияжелеза эритроцитами.
Лечебное применение железа
При анемических состояниях лечебное применение железа обусловлено егоучастием в процессе гемоглобинообразования, совершающемся специальных клеткахкостного мозга. Показаниями к применению железа являются железодефицитныеанемии различного происхождения, протекающие с пониженным содержанием железа вкрови и истощением тканевых резервов железа, а так же бессимптомного дефицитажелеза, встречающегося у 20-30% практически здоровых женщин. Назначение железапоказано и при других состояниях недостаточности железа.
При назначении препаратов внутрь следует учитыватьанатомно-функциональное состояние желудочно-кишечного тракта, особенности еговерхних отделов желудка, двенадцатиперстной кишки и начального отдела тощейкишки, являющихся наиболее активными участками всасывания железа. Послекровопусканий, всасывание железа возрастает и осуществляется на протяжениивсего кишечника, включая слепую кишку.
Лечебное применение железа обусловлено необходимостью восстановлениянормальной концентрацией не только гемоглобина, но и железа в тканях.Недостаточное лечение, в результате которого резервы тканевого железа невосполняются, способствует сохранению дефицита железа и быстрому развитиюмалокровия. Критериями эффективности лечения препаратами железа являются:
1) повышение цветового показателя крови.
2) повышение числа эритроцитов
3) нормализация величины концентрации сывороточного железа.
4) снижение общей железосвязывающей способности сыворотки крови.
5) повышение насыщенности трансферрина железом.
6) пополнение тканевых резервов железа, определяемых при помощи пробы.
Показателем эффективности лечения препаратами железа является такжеобратное развитие трофических нарушений эпителия и эндотелия, связанных сдефицитом железа.
Список литературы
1. О.С.Габриелян Химия. 9 класс.
2. Н.А. Мезенин «Занимательноежелезо».
3. С.И. Венецкий«Рассказы о металлах»
4. Б.Д. Стёпин, Л.Ю.Аликберова. «Книга по химии для домашнего чтения».
5. М. Беккерт «Железо.Факты и легенды».
6.Сайт «BestReferat.ru»