微量元素鐵的生理功能及對人體健康的影響

孫長峰，郭娜

（1.聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東 聊城 252000；2.聊城市中醫(yī)醫(yī)院，山東 聊城 252000）

在自然界中，天然存在的化學(xué)元素有92種，其中人體內(nèi)含有80多種。根據(jù)它們在體內(nèi)含量不同，將其分為兩類：一是常量元素，包括 C、H、O、N、P、S、Ca、K、Mg、Na和Cl共11種元素，占人體總重的99.25%，它們構(gòu)成機(jī)體組織，并在體內(nèi)起電解質(zhì)作用；其二為微量元素，是指在人體中的含量低于0.01%的元素，包括 Fe、I、Cu、Zn、Cr、Co、Mn、Ni、Sn、Se、Mo、F、稀土等 70多種元素[1]，這些微量元素在人體內(nèi)含量雖然非常之少，但卻能起到非常重要的生理作用。根據(jù)微量元素在人和動物體內(nèi)的作用，把微量元素還可分為必需元素、非必需元素和有害元素。鐵是人體所必需的微量元素之一，而且是人體中含量最高的微量元素。

1 微量元素鐵

鐵，元素符號為Fe，英文名稱為Iron，原子序數(shù)為26。自然界中鐵存在四種同位素：54Fe（5.8%）、56Fe（91.72%）、57Fe（2.2%）、58Fe（0.28%），平均相對原子量為55.85[2]。其核外電子層排布為[Ar]3d64s2，位于元素周期表第四周期（第一過渡系）Ⅷ族，3 d軌道的電子可以參與成鍵，因此有多種氧化態(tài)，其中穩(wěn)定存在的氧化數(shù)主要有+2、+3。

鐵是一種具有銀白色光澤的金屬，密度為7.874g/mL，沸點為2750℃，熔點為1535℃[3]，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，能被磁鐵吸引，在磁場的作用下，自身也能產(chǎn)生磁性。鐵屬于中等活潑金屬，可以置換出稀酸中的H2，甚至在高溫條件下可以與H2O反應(yīng)；鐵很容易被氧化，暴露在潮濕的空氣中很快就會“生銹”；它能把較不活潑的金屬從溶液中置換出來；還可與C6H5（環(huán)戊二烯）生成二茂鐵等。鐵的化合物以Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）為主，其中氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽等易溶于水，而氧化物、氫氧化物、硫化物、磷酸鹽等難溶于水；Fe（Ⅱ）還原性較強(qiáng)，易被空氣中或溶解在水中的O2氧化，所以Fe（Ⅱ）的鹽溶液中往往有Fe（Ⅲ）存在。

鐵在地球上的豐度為4.1%，占第四位，儲量比較豐富，但是在人體內(nèi)屬于微量元素。正常成年男子體內(nèi)鐵元素的平均含量為0.05 g/kg，女子為0.035 g/kg，鐵元素在人體中雖然含量很少，但在人體所必需的十多種微量元素中，鐵無論在重要性上還是在數(shù)量上都居首位，堪稱“微量元素中的老大”。

2 鐵在人體中的含量及存在形式

鐵在人體內(nèi)的分布極為普遍，幾乎所有組織中都有，其中65%在紅細(xì)胞中以血紅蛋白的形式存在；10%在肌肉中以肌紅蛋白和酶的形式存在；15%～20%存在于肝、脾、骨髓、腸等組織器官中，以鐵蛋白和含鐵血黃素的形式存在，稱為儲備鐵。其中當(dāng)人體缺鐵時，鐵蛋白即可作為補(bǔ)充，而含鐵血黃素被機(jī)體所用；還有少量鐵作為運(yùn)輸鐵而與血漿中的運(yùn)鐵蛋白相結(jié)合，稱之為血漿鐵。

鐵在人體內(nèi)可反復(fù)利用，健康成年人每日只需吸收1 mg以上的鐵即可滿足機(jī)體需要[3]。但人體內(nèi)的儲備鐵很少，只占人體鐵總量的10%左右，當(dāng)人體對鐵的消耗過多或大量失血時，就很難滿足身體需要，因此就會導(dǎo)致缺鐵性貧血。

3 鐵在人體中的生理作用

3.1 參與氧的運(yùn)輸和儲存

一般情況下，人體中的氧來自空氣。氧通過人的呼吸進(jìn)入肺泡，然后進(jìn)入血液，與血紅蛋白（Hemoglobin，Hb）結(jié)合，通過血液循環(huán)進(jìn)入人體的各個組織和細(xì)胞。血紅蛋白分子是由1個珠蛋白和4個血紅素組成，血紅素是由卟啉中四個吡咯環(huán)上的氮原子與1個Fe2+結(jié)合形成的螯合物[4]（圖1）。

圖1 血紅素的結(jié)構(gòu)圖[5]Fig.1 The Structure of heme

血紅蛋白的任務(wù)是運(yùn)輸氧，這就決定了氧與血紅蛋白的結(jié)合必須是可逆的（見式1）。但是血紅蛋白與氧的結(jié)合并不是氧化，氧合血紅蛋白（圖2）中的鐵仍為Fe2+。血紅蛋白在肺部結(jié)合氧之后，隨血液循環(huán)將氧帶至各組織器官。在組織器官中，因為氧的分壓較低，氧合血紅蛋白離解出氧，再結(jié)合CO2，隨血液循環(huán)回到肺部，即完成一個循環(huán)。

圖2 氧合血紅蛋白的結(jié)構(gòu)圖[6]Fig.2 The structure of oxyhemoglobin

鐵還參與合成肌紅蛋白（Myoglobin，Mb）。肌紅蛋白也是一種含血紅素的蛋白質(zhì)，它由一個血紅素和一個球蛋白組成，其結(jié)構(gòu)與血紅蛋白相似，只不過肌紅蛋白是單鏈蛋白，血紅蛋白是由四個亞基組成的寡聚蛋白。氧合血紅蛋白把氧氣放出后，氧分子立即與肌紅蛋白結(jié)合。肌紅蛋白也是一種含血紅素的蛋白質(zhì)，因此它也含F(xiàn)e2+。在氧氣分壓低的地方，肌紅蛋白與氧分子結(jié)合的能力比血紅蛋白強(qiáng)，因此，與血紅蛋白結(jié)合的氧氣可以傳遞給肌紅蛋白。肌紅蛋白主要存在于肌肉細(xì)胞里，這些細(xì)胞是非常需要氧氣的。肌紅蛋白的基本功能是在肌肉組織中起轉(zhuǎn)運(yùn)和儲存氧的功能。鐵元素在肌紅蛋白合成中具有不可或缺的作用。

因為CO與血紅蛋白中Fe（Ⅱ）原子的結(jié)合力比O2高出250倍，所以即使空氣中CO的濃度很低，CO也會取代O2與血紅蛋白結(jié)合，阻止了血紅蛋白對身體細(xì)胞氧氣的運(yùn)輸，從而造成CO中毒，危及生命。

3.2 參與細(xì)胞色素和某些金屬酶合成并影響其活性

鐵與某些金屬酶的合成與活性密切相關(guān)，如它參與細(xì)胞色素氧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、單胺氧化酶等的合成的，并且它與乙酰輔酶A、琥珀酸脫氫酶、細(xì)胞色素C還原酶等的活性密切相關(guān)[4]。過氧化氫酶（Catalase，簡稱CAT），又稱觸酶，是一種含鐵血紅素酶；過氧化物酶（Peroxildases，PX）也是一類含鐵的酶，其中大多數(shù)以含鐵（Ⅲ）-卟啉為輔基。這一類酶可以有效清除體內(nèi)氧化過程中產(chǎn)生的過氧化氫、有機(jī)過氧化物等有害物質(zhì)，使機(jī)體組織細(xì)胞免受損傷破壞。單胺氧化酶（Monoamine oxidase，MAO）是一種含鐵的黃素蛋白酶，是神經(jīng)遞質(zhì)的滅活酶，被認(rèn)為與抑郁癥的發(fā)病及缺鐵性貧血引起的幼兒智商偏低等有關(guān)[1]。

細(xì)胞色素也是以鐵-卟啉復(fù)合體為輔基的血紅素蛋白。它可以通過結(jié)構(gòu)中鐵價態(tài)Fe2+與Fe3+的可逆變化而進(jìn)行電子的傳遞，對細(xì)胞呼吸和能量代謝有著非常重要的影響。如在此過程中，機(jī)體利用營養(yǎng)物被氧化為CO2和H2O釋放的能量用于ATP的合成。

3.3 維持正常造血功能

鐵對人體健康的重要性在于它是血紅蛋白的一個必不可少的部分，在造血過程中是必需的元素之一。紅細(xì)胞生成除要求骨髓造血功能正常外，還要有足夠的造血原料，制造紅細(xì)胞的主要原料為蛋白質(zhì)和二價鐵，紅細(xì)胞中含鐵約占機(jī)體總鐵的2/3，鐵在骨髓造血細(xì)胞中與卟啉結(jié)合形成高鐵血紅素，再與珠蛋白合成血紅蛋白。

3.4 增強(qiáng)免疫功能

1987年Keilly等指出：鐵缺乏和過量都會引起免疫系統(tǒng)的受損。鐵可使人體內(nèi)外周淋巴細(xì)胞、吞噬細(xì)胞、中性白細(xì)胞保持正常功能。研究發(fā)現(xiàn)缺鐵可引起巨噬細(xì)胞游走和抑制因子減少，吞噬細(xì)胞活性受損，外周淋巴細(xì)胞對抗原的反應(yīng)下降等，進(jìn)而影響機(jī)體的免疫系統(tǒng)。另外體內(nèi)鐵過剩也可使免疫功能受損。有人在預(yù)防新生兒疾病時，給出生2 d～6 d的新生兒注射鐵劑，當(dāng)注射到4 d～6 d時，80%的新生兒發(fā)生大腸桿菌感染，其中部分發(fā)生敗血癥，但未注射鐵劑的新生兒無一例感染發(fā)生[1]。

4 鐵與疾病

我國居民每天適宜攝入量（Adequate intake，AI）：成年男子為15 mg，女子為20 mg，少年男子為20 mg，少年女子為25 mg，孕婦、乳母為25 mg～30 mg[2]。人體中鐵主要來自食物，如果長期攝入大量含鐵量高的食物或者人體長期缺少鐵元素或?qū)﹁F元素的吸收受到障礙時，人體都會相應(yīng)的出現(xiàn)病癥。

4.1 鐵缺乏

根據(jù)世界各國的調(diào)查研究結(jié)果證明，一般人群中缺鐵的發(fā)生率很高，特別是嬰幼兒和妊娠婦女尤為嚴(yán)重；特別在經(jīng)濟(jì)落后、食品不充足的地區(qū)，發(fā)生缺鐵及缺鐵性貧血者更多。有一研究指出，對18個國家調(diào)查了40歲以下的婦女，證明貯存鐵均見不足。據(jù)2007年世界衛(wèi)生組織報道，全球約有15%～20%的人患缺鐵性貧血，其中成年男性約占10%，婦女約占20%，孕婦和兒童約占40%～60%。我國各地的調(diào)查結(jié)果也大致如此。

缺鐵除了會導(dǎo)致貧血，對人體還有多種危害：人體內(nèi)有許多含鐵酶。酶是一類生物活性物質(zhì)，人體內(nèi)一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)都需要酶的參與。缺鐵時，人體內(nèi)的含鐵酶功能就會下降，使物質(zhì)和能量代謝受到影響。

缺鐵對人的行為和智力發(fā)育也會產(chǎn)生不良影響。經(jīng)臨床觀察，鐵缺乏的嬰幼兒和青少年兒童常表現(xiàn)出呆滯，對周圍的事物不感興趣，易煩躁，注意力不易集中，學(xué)習(xí)能力和記憶力下降；成人鐵缺乏則呈現(xiàn)冷漠、呆板、易疲勞。

臨床研究證明，缺鐵使吞噬細(xì)胞的殺菌能力受到損傷，進(jìn)而影響機(jī)體的防御能力，導(dǎo)致人體抗感染能力降低，易患感染性疾病。

鐵在人體內(nèi)還參與體溫調(diào)節(jié)。美國營養(yǎng)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，鐵缺乏的婦女對寒冷的抵抗能力下降，表現(xiàn)為怕冷、寒戰(zhàn)、失眠等。

缺鐵影響機(jī)體的正常發(fā)育成長，造成身體增長遲緩、骨骼發(fā)育異常，特別是對青少年兒童影響較大。

此外，人體實驗證明缺鐵會增加鉛的吸收，造成鉛中毒；許多研究還表明妊娠婦女缺鐵與早產(chǎn)、低出生體重兒及胎兒死亡有關(guān)。

4.2 鐵中毒

鐵是人體必需的營養(yǎng)元素，而且鐵元素本身也不具備毒性，所以鐵過量成鐵中毒的情況并不多見。但是當(dāng)人們特別是兒童誤服過量鐵劑時，就會造成急性鐵中毒，出現(xiàn)嘔吐、腹痛、腹瀉、消化道出血、急性腸壞死等，嚴(yán)重時發(fā)生休克，乃至死亡。據(jù)美國統(tǒng)計每年大約有5000例鐵中毒發(fā)生，病死率為1%。最常見的鐵中毒是由硫酸亞鐵過量引起的，致死量為200 mg/kg～250 mg/kg，也有的認(rèn)為是130 mg/kg。如果長期過量的攝入鐵劑或富鐵食物及長期吸入含鐵塵空氣會造成慢性鐵中毒。慢性鐵中毒主要對肝臟造成損害，干擾肝細(xì)胞功能，嚴(yán)重時可導(dǎo)致肝細(xì)胞壞死、纖維化，最后形成肝硬化。另據(jù)意大利研究人員在《美國流行病學(xué)雜志》上報告說，通過食用植物類食物攝入過多鐵元素的人更易患帕金森氏癥。

此外，據(jù)研究表明，人體內(nèi)鐵含量的變化還與心臟病、高血壓、高血脂和糖尿病等病癥有關(guān)系。

5 對于科學(xué)補(bǔ)充鐵元素的幾點建議

當(dāng)人體少量缺鐵時，切不可盲目補(bǔ)充，應(yīng)聽從醫(yī)生的建議。正確合理的飲食可以防治缺鐵性貧血。已患缺鐵性貧血的病人，單靠飲食療法效果不大，但可作為輔助治療，以防止復(fù)發(fā)。應(yīng)適當(dāng)多食含鐵較多、營養(yǎng)豐富的食品，如：動物血、肝臟、雞胗、牛腎、大豆、黑木耳、芝麻醬、牛肉、羊肉、蛤蜊和牡蠣等。在服用鐵劑時應(yīng)注意以下幾點：

1）口服鐵劑以硫酸亞鐵、右旋糖苷鐵、富馬酸亞鐵和葡萄糖酸亞鐵為佳，因鐵以二價鐵（亞鐵）的形式吸收。

2）貧血補(bǔ)鐵應(yīng)堅持“小量、長期”的原則。嚴(yán)格按醫(yī)囑服藥，切勿加大服藥劑量，也絕不能一次大劑量，否則易導(dǎo)致急性鐵中毒。

3）口服鐵劑時應(yīng)將藥物放在舌面上，直接用水沖飲下肚，不要咀嚼藥物，以免染黑牙齒。

4）應(yīng)在飯后服藥，避免空腹服藥，以減輕藥物對胃腸道的刺激而引起的惡心嘔吐。同時服用維生素C或果汁，因酸性環(huán)境有利于鐵的吸收。

5）含鈣類食品（如豆腐）和高磷酸鹽食品（如牛奶）等，與鐵劑能絡(luò)合而生成沉淀，故應(yīng)避免同時服用。

6）口服鐵劑期間，不要喝茶或咖啡，因為茶和咖啡中含有大量鞣酸，能與鐵生成不溶性的鐵質(zhì)沉淀，妨礙鐵的吸收。

7）注意藥物對鐵劑吸收的不良影響：四環(huán)素族抗生素能與鐵劑生成不溶性配合物，不利吸收。故應(yīng)盡量避免同時應(yīng)用。

8）缺鐵癥狀改善，不要立即停藥，還應(yīng)在醫(yī)生指導(dǎo)下再服一段時間，以補(bǔ)充體內(nèi)的儲存鐵，防止貧血的復(fù)發(fā)。

[1]楊維東,劉潔生,彭喜春.微量元素與健康[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007:15-26

[2]中國營養(yǎng)學(xué)會.中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量Chinese DRls[M].北京:中國輕工業(yè)出版社,2000:179-188

[3]李夢龍,蒲雪梅.分析化學(xué)數(shù)據(jù)速查手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:7

[4]周愛儒.生物化學(xué)[M].6版.北京:人民衛(wèi)生出版社,2004:22-24

[5]人民教育出版社.血紅素的結(jié)構(gòu)圖[EB/OL].http://www.pep.com.cn

[6]人民教育出版社.氧合血紅蛋白的結(jié)構(gòu)圖[EB/OL].http://www.pep.com.cn