第六节 铁的吸收、转运和排泄
铁（ferrum，Fe）的原子序数26，原子量55.85，位于元素周期表第四周期第Ⅷ族，是一种过渡金属元素，是人体内含量最丰富的微量元素。铁在人体内发挥着重要的生理作用，是人体必需的微量元素之一，存在于所有细胞中。铁最主要的作用是参与血红蛋白的合成和氧的运输，另外还广泛参与体内各种代谢过程，如蛋白质、DNA的复制、膜蛋白的构筑、线粒体呼吸链的电子传递和儿茶酚胺代谢等，此外，还有超过半数参加三羧酸循环的酶和辅酶均需要铁的参与。
一、铁在人体内的分布
人体内的铁分为铁卟啉和非铁卟啉两大类，前者主要为含有铁卟啉环的血红蛋白、肌红蛋白及需铁的细胞色素和酶类等，后者为不含铁卟啉环的转铁蛋白（transferrin，TF）、亚铁蛋白（ferritin）、乳铁蛋白（lactoferrin）、含铁血黄素、各种无机铁离子和不稳定的贮存铁或铁池（labile iron pool）等。
正常成人体内，铁的总量平均约为4.5g（3～6g），女性稍低，其中约2/3为血红蛋白和肌红蛋白铁，而余下约1/3为与组织蛋白结合的铁。平均每公斤人体组织内含铁约35mg，铁几乎存在于全身所有组织，其中肝、脾含量最高，肾脏和肺次之。另外还有少量铁存在于细胞色素和一些酶中，约为1%左右，参与体内许多重要代谢过程。
二、铁的吸收
成人每天从食物中摄入约1～2mg铁。铁在整个胃肠道中均有吸收，但最主要的吸收部位是近端小肠（十二指肠和空肠上段），但在体内铁缺乏时，空肠远端也可以吸收铁。
铁的吸收过程包括3个步骤，首先是小肠黏膜细胞微绒毛对铁的摄取，摄取后在胞质内转运至基底膜侧，再经过基底膜进入毛细血管中。
食物中的铁可分为血红素铁和非血红素铁（无机铁，其中85%以上铁是非血红素铁），它们分别由非竞争性途径进入肠黏膜上皮细胞。非血红素铁基本上由三价铁盐组成，必须在胃中经胃酸作用使之游离，并还原成二价铁后才能被肠黏膜吸收。
亚铁血红素铁依赖肠黏膜细胞膜的亚铁血红素携带蛋白（heme carrier protein）进入细胞内，再经亚铁血红素氧化酶-1（heme oxygenase-1）还原为二价铁（Fe2+）；另一方面，非铁血红素铁由十二指肠内的细胞色素B即三价铁还原酶（ferric reducase）还原为Fe2+；然后，Fe2+又通过DMT1进入细胞内。进入细胞内的Fe2+，一部分作为高铁铁蛋白（ferritin）的铁被作为储蓄；而大部分Fe2+则通过亚铁蛋白-1（ferroprotein-1）向细胞外排泄，进入血流中，再由具有亚铁氧化酶（ferroxidase）活性功能的CP氧化为三价铁（Fe3+），前者并同时促进Fe3+与铁离子转运蛋白相结合参与转运。
机体内各脏器的细胞多数通过细胞膜上的转铁蛋白受体（TFR）从转铁蛋白（TF）获取铁，并将获得的大部分铁供给线粒体，主要用于细胞呼吸链的电子传递过程；部分也可用于合成细胞色素、血红蛋白、肌红蛋白等血红素蛋白，少数还可通过乳铁蛋白、黑色素转铁蛋白、CP、DMT1等实现。
三、铁的转运
1.肠黏膜细胞对铁的处理
铁进入肠黏膜细胞后，一部分在膜铁转运辅助蛋白1（hephacstin 1）、铜蓝蛋白等亚铁氧化酶的作用下成为三价铁，再经基底膜上铁转运蛋白1（fermportin 1）介导进入血液。而另一部分与胞内的去铁蛋白结合成为铁蛋白暂时储存于上皮细胞。肠黏膜上皮细胞内的铁称为“可变铁池（labile iron pool，LIP）”，是人体重要的铁代谢调节途径，在体内铁较多时，随上皮细胞脱落而排出。
2.铁的运输和组织利用
铁从蛋白释放后，很快被转运入血浆，血浆中的铁与TF结合后被输送到骨髓及其他组织中。正常情况下，仅1/3的TF结合点被占据。骨髓组织中，携带Fe3+的TF在幼红细胞表面与TFR结合，TF-TFR复合物经胞饮作用入胞。在酸性条件Fe3+还原成Fe2+，与TF分离，合成血红蛋白或参与其他需要的生化反应，而与铁分离后的转铁蛋白及转铁蛋白受体会被排出细胞外。分离后的TF可以在血浆中再次循环利用，继续转运铁离子。Fe2+在骨髓组织红系祖细胞内，与原卟啉、珠蛋白等合成血红蛋白，并在红细胞中停留约120天。随后红细胞被单核-吞噬系统（mononuclearphagocyte system，MPS）吞噬破坏，释放出的铁在其胞质中再次与转铁蛋白结合而循环利用。
3.铁的贮存
人体内铁的贮存量根据外界环境、饮食习惯、体重及机体的状态而存在个体差异。正常情况下铁主要存在于骨髓、肝和脾的MPS中，其主要形式是铁蛋白和含铁血黄素。铁蛋白为可溶性，在肝和脾中最多，其次是肠黏膜上皮细胞、肾小管上皮细胞及皮肤，仅少量存在于血清中。铁蛋白为空腔管样结构，内径6nm而外径约12～14nm，外壳蛋白的每个亚基有163个氨基酸，约24个亚基，每个铁蛋白分子最多可结合4500个铁原子。结合铁的铁蛋白是可溶性的，但溶解度低，其浓度与体内储存的铁成正比。铁蛋白的功能主要是贮存体内多余的铁，当身体需要时，也可动用为功能铁被再度利用。含铁血黄素是一种变性式聚合的铁蛋白，在显微镜下呈金黄色折光的颗粒或团块状，故名含铁血黄素。主要存在于单核-巨噬细胞中，含铁血黄素不同于前者，其中的铁不能再被动用，当人体内贮存的铁过多，超过去铁蛋白容量难以形成铁蛋白时，就以含铁血黄素的形式贮存。如果组织内含铁血黄素大量堆积，就会损伤各系统组织的功能。
4.铁的排泄
正常情况下，铁的排泄量很少，一般不超过1mg/d，主要随胃肠道上皮脱落、胆汁、汗液等排出。育龄妇女平均每日排出的铁约为1.5～2.0mg。当体内铁过量时，每日排出量可增加到4mg，而缺乏时可能减少一半。但当机体不需要铁时，也可通过肠道或肾脏排出体外。
5.铁稳态的调节
人体存在着严格的铁代谢调节机制，可以确保体内铁始终处于正常生理水平。这种机体铁稳态关键依赖于小肠铁吸收和机体铁需要之间的平衡。当机体需要铁时，小肠铁吸收会相应增加，而机体铁含量太高时小肠则会减少铁吸收。然而机体控制小肠铁吸收的机制在过去几十年中一直无明显进展，直到最近hepcidin及其与铁代谢之间关系的意外被发现才使这个问题的答案渐见清晰。最近发现hepcidin是控制小肠铁吸收过程中重要的铁调节激素，是由肝脏合成的具有抗菌功能的多肽，一些学者直接翻译为铁调素。肝脏hepcidin表达障碍，可能是许多铁超负荷疾病的起因，炎症性贫血等多种贫血均发现有hepcidin高表达。Hepcidin是一种多肽，半胱氨酸含量高且具有抗菌作用，最初由Krause等在2000年从人血中提取。该蛋白基因位于19号染色体，Northern blot证实其在肝脏特异表达，心、肺等组织表达很少，其他内脏组织几乎无表达。Hepcidin的调节与其抗菌功能有关，在感染、损伤和炎症等刺激时表达明显增加。研究发现高铁饲料饲喂的小鼠，该基因表达明显增高。Nicolas等和Fleming等经过研究后提出了关于hepcidin参与调节铁可能的机制。他们认为，当血液循环铁增加时，肝细胞摄铁也增加，其合成和分泌hepcidin增加，可以促使十二指肠隐窝细胞铁摄取量增加，胞内铁池增大而抑制铁吸收；而当循环铁不足时则出现相反的作用。WD患者均存在不同程度的肝脏损害，轻者转氨酶升高，重者常为肝硬化，故肝脏的损害难免导致hepcidin合成、分泌的异常。另外，WD患者出现神经系统症状时经常吞咽困难、活动不便等易出现呼吸系统等部位的感染，炎症刺激也会导致hepcidin合成、分泌的异常。因此，WD患者可能在小肠铁吸收过程中出现异常。