CC BY
251
Иерархия взаимодействий цинка
и железа: физиологические, молекулярные и клинические аспекты
И.Ю. Торшин1,3, О.А. Громова1,2, Т.Р. Гришина1,2,
К.В. Рудаков3
1РСЦ Института микроэлементов ЮНЕСКО
2ГОУ ВПО Ивановская государственная медицинская академия Росздрава
3ВЦ РАН им. А.А. Дородницына, Москва
Введение
Цинк и железо - эссенциальные микроэлементы. Эссенциальными называются элементы, недостаточное поступление которых вызывает нарушения различных жизненных функций человека, включая репродукцию [1]. Включаясь в состав различных белков, макро- и микроэлементы образуют сложную иерархию управления гомеостазом. Очевидно, что физиологическое поступление микроэлементов с пищей и, соответственно, установление их физиологических концентраций является основополагающим условием здоровья человека. Наличие этой сложной иерархии с необходимостью предполагает многочисленные физиологические взаимодействия эссенциальных микроэлементов друг с другом.
Многочисленные эпидемиологические и клинические исследования указывают, что сочетанные дефициты цинка и железа встречаются достаточно часто в различных популяциях. Одним из возможных решений является использование сочетанной терапии препаратами цинка и железа. Однако результаты клинико-фармакологических испытаний препаратов и биологически активных добавок к пище, содержащих железо и цинк в одной фармацевтической форме, указывают на то, что железо уменьшает положительные эффекты цинка и наоборот [2-6]. Подобное лекарственное взаимодействие является антагонистическим.
В отличие от физиологических взаимодействий, итогом лекарственного взаимодействия биологически активных веществ, таких как витамины, микроэлементы и лекарства, является изменение интенсивности конечного эффекта. Известны следующие варианты лекарственного взаимодействия веществ, в т. ч. цинка и железа: фармацевтическое - до введения в организм внутри самой лекарственной формы; фармакокинетическое -на различных стадиях фармакокинетики; фарма-кодинамическое - на этапе взаимодействия с рецепторами ([1], см. далее).
В случае многокомпонентных витаминно-минеральных препаратов различные типы взаимодействий между отдельными компонентами приобре-
тают особое значение. Одними из самых известных примеров являются синергизм магния и пи-ридоксина или взаимодействия витаминов группы В [7]. В некоторых случаях такие взаимодействия могут приводить к эффектам, которые не были должным образом оценены при формулировке состава препаратов. Поэтому при проведении рационального дизайна элементсодержащих и витаминных препаратов следует учитывать не только фармакологические свойства отдельных компонентов, но также и их взаимодействия, антагонизм и синергизм. К сожалению, взаимодействиями типа «микроэлемент-микроэлемент», «микроэлемент-витамин» и «витамин-витамин» часто пренебрегают.
В настоящей статье проводится систематический анализ взаимодействий двух микроэлементов - цинка и железа. Оба микроэлемента являются эссенциальными и жизненно необходимы для поддержания широкого спектра физиологических процессов. Неорганические и органические соединения, содержащие как цинк, так и железо, часто одновременно включаются в состав витаминно-минеральных комплексов. В то же время анализ более 1 000 публикаций по молекулярной фармакологии и биохимии за последние 40 лет показал, что между этими элементами существуют значительные физиологические и лекарственные взаимодействия, как синергидные, так и конкурентные. После рассмотрения фундаментальных функций и фармакокинетики обоих микроэлементов будут разобраны все виды их взаимодействия. В настоящем анализе особый акцент делается на молекулярную фармакологию цинка и железа, которая анализируется методом функционального сцепления [8, 9].
Основные функции железа в организме
Тело человека содержит от 3 до 5 г железа. На гемоглобин приходится 75-80 % этого количества; 5-10 % - в составе миоглобина; 1 % - в дыхательных ферментах, катализирующих процессы дыхания в клетках и тканях. Около 25 % всего железа депонировано преимущественно в печени и мышцах. Таким образом, основная масса железа приходится на гемоглобин эритроцитов, миогло-бин мышц и на резервные белки - ферритин и ге-мосидерин. Около 1 % от всего железа содержится в железосодержащих ферментах и переносится кровью в виде трансферрина.
Биологические функции железа в целом заключаются в транспорте электронов, кислорода, обеспечении окислительно-восстановительных реакций и активации перекисного окисления, предварительно подготовленного ионами меди. Железо жизненно необходимо для нормального функционирования иммунной системы (Т-лимфоциты, фагоцитоз). Этот микроэлемент необходим для формирования костей и нервной системы, для работы желудочно-кишечного тракта, эндокринных желёз. Ион железа участвует в следующих биохимических процессах:
• транспорт электронов: цитохромов, железосе-ропротеидов;
• транспорт и депонирование кислорода с мио-глобином и гемоглобином;
• формирование активных центров окислительно-восстановительных ферментов - оксидазы, гидроксилазы, СОД;
• транспорт и депонирование железа с трансфер-рином, ферритином, гемосидерином, лактофер-рином;
• тиреопероксидаза, содержащая ион железа, принимает участие в синтезе гормонов щитовидной железы;
о
оо
оо
2:
о
I—
со
го
£
I ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
• миелопероксидаза, имеющая в своей молекуле
этот же элемент, поддерживает иммунитет, осуществляя фагоцитоз и лизис микроорганизмов.
Фармакокинетика железа
Всасываемость железа в кишечнике взрослого человека составляет приблизительно 20 % от его содержания в обычном рационе. Железо абсорбируется почти полностью в двенадцатиперстной кишке (90-95 %) и только 5-10 % всасывается в начальных отделах тощей кишки. Чтобы быть абсорбированным, железо должно быть в двухвалентной форме, и фермент ферроредуктаза восстанавливает ионы Fe3+ до Fe2+. Интенсивность всасывания железа зависит от многих факторов, включая запасы железа в организме, интенсивность образования эритроцитов в костном мозге, концентрацию гемоглобина крови.
Всасыванию железа способствуют простые углеводы - лактоза, фруктоза, сорбит и аскорбиновая кислота. Аминокислоты - гистидин, лизин, цисте-ин - повышают биоусвоение этого элемента, образуя с ним хелатные комплексы. Усвоение железа снижается при воспалительном процессе, трансфу-зионной полицитемии, дефиците меди, никеля и избытке кальция. Пища в желудке может как увеличивать, так и уменьшать всасывание железа. Соли фитиновой кислоты, фитаты, содержащиеся в пресном тесте из муки цельного помола, в хлебных злаках и в тёмной овощной зелени, связывают ионы железа в желудке и препятствуют его всасыванию. Клетчатка и фосфаты затрудняют всасывание железа. Фосфобелки, содержащиеся в яйцах, уменьшают усвоение железа организмом. Также уменьшить способность к всасыванию железа может молоко, поскольку лактоферрин молока связывает свободное железо.
Кофе и чай могут уменьшить способность усваивать железо за счёт связывания полифенольными соединениями. Уменьшается поглощение железа при связывании с т. н. «пищевым консервантом» ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота), которая, несмотря на то что является общеизвестным химическим реактивом-хелатором, также добавляется во многие продукты: газированные напитки, приправы, майонезы, соусы.
Неорганические формы железа, такие как гидроксид или хлорид, плохо усваиваются (биодоступность 3-5 %), биодоступность сульфата железа не превышает 15 %. Хотя биодоступность неорганических форм немного возрастает при глубоком дефиците, она не достигает намного более высокой
биодоступности органических форм (сукцинат, фу-марат, глюконат).
С учётом 10 % усвоения суточные нормы потребления железа составляют у мужчин 10 мг, у женщин 18 мг (у беременных - 20 мг, у кормящих грудью - 25 мг). Суточная норма железа для детей до 1 года составляет 4-10 мг, от 1 года до 3 лет -5 мг, а с 4 лет - 8 мг.
Усваивание железа организмом не может рассматриваться в отрыве от других витаминов и микроэлементов. Дефицит витамина А уменьшает способность к усвоению Fe. Железо надо принимать вместе с антиоксидантами - витаминами С и Е. Аскорбиновая кислота, как и другие органические кислоты, повышает биодоступность железа, восстанавливая его в хелатных комплексах. Также железо необходимо для правильного метаболизма витаминов группы В. И наоборот, необходимо получать адекватное количество витаминов группы В - рибофлавина и пиридоксина в рационе, чтобы нормально усваивать и использовать железо.
Дефицит железа - одно из наиболее распространённых отклонений обмена элементов. У лиц, употребляющих преимущественно вегетерианские диеты, отмечается дефицит в организме и железа, и цинка, в связи с чем необходимо более тщательно контролировать уровень гемоглобина и цинка в крови у вегетарианцев.
Молекулярные механизмы гомеостаза железа
Железо в организме человека находится в двух физиологических состояниях: или в виде запасов в ретикулоэндотелиальной системе - печени, селезёнке, костном мозге, или в активном функциональном состоянии - в эритроцитах и в их предшественниках. Молекулярные механизмы транспорта и гомеостаза железа достаточно сложны. Так, в геноме человека найдено, по крайней мере, 27 генов отвечающих за транспорт и гомеостаз ионов железа. В целом в геноме человека существует не менее 230 генов, белки которых вовлечены в гомеостаз железа или необходимых для проявления биологических функций этого микроэлемента.
Гомеостаз железа включает десятки различных белков, каждый из которых имеет уникальную функцию, без выполнения которой происходят тяжёлые нарушения гомеостаза железа. Наиболее известны из всех белков трансферрин (ТФ) и ферри-тин (ФТ) - основные транспортные белки железа.
Трансферрин отличается высоким сродством к иону железа (рис. 1). Хотя количество железа, связанное с трансферрином, составляет около 0,1 %
Рис. 1. Трансферрин и ферритин - основные транспортные белки железа
Примечание. а - Ірансферрин, взаимодействуя сО специфическими рецепторами на поверхности клЄтки, переносит ионы железа внутрь клетки; б - Пространственная структура трансферрина. Показаны два иона железа; в - Структура ферритина. Полость, в которой хранятся ионы железа при транспорте, показана как размытое белое пятно в центре рисунка.
Комплекс всех необходимых
витаминов и минералов для людей старше 50 лет
Состав разработан специально для людей старше 50 лет:
- включены каротиноиды (лютеин, ликопин, бета-каротин) для профилактики возрастных заболеваний глаз;
- повышено количество кальция для профилактики остеопороза, заболеваний суставов.
Суточная доза витаминов и минералов разделена на 3 таблетки, что позволяет:
- исключить отрицательные взаимодействия веществ;
- увеличить усвоение активных компонентов на 30-50 %;
- уменьшить вероятность развития аллергических реакций.
Разделение приема полезных веществ во времени позволяет учесть как их фармацевтические, так и фармакокинетические взаимодействия.
Состав АЛФАВИТА 50+ соответствует рекомендациям геронтологов
АКТИВНОСТЬ И ЛЕГКОСТЬ ПОСЛЕ 50 ЛЕТ
www.akvion.ru
www.alphavit.ru
Победитель в категории «Витамины» исследования «Марка доверия» в 2007-2009 гг.
АлфаВИТ
50 +
I ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
(4 мг) всего железа в организме, трансферрин доставляет железо тканям, имеющим специфические мембранные рецепторы (например, предшественники эритроцитов в костном мозге, клетки нервной системы). При утрате рецепторов клетка теряет способность утилизировать железо. В сутки у человека синтезируется и распадается около 10 мг трансферрина на один килограмм массы тела. Распад белка происходит в печени после его связывания специальными рецепторами гепатоцитов [1].
ТФ содержит тяжёлую (Н) и лёгкую (Ь) цепи. Молекула трансферрина состоит из двух белковых субъединиц, каждая из которых связывает 1 ион железа. Когда молекула трансферрина, нагруженная двумя ионами железа, взаимодействует с трансферриновым рецептором на поверхности клетки (см. рис. 1), она транспортируется внутрь клетки в мембранном пузырьке (эндоцитоз). В ходе транспорта рН пузырька (везикулы) понижается особой разновидностью АТФаз, что приводит к высвобождению ионов железа внутри клетки. Перенос железа через трансферрин невозможен без АТФ и, таким образом, является энергозависимым, активным транспортом. Рецептор и молекула трансферрина высвобождаются и возвращаются на поверхность клетки для переноса новой порции ионов железа [10].
Железо, высвободившееся из трансферрина, связывается специфическим белком ферритином, который доставляет железо в митохондрии, где оно включается в состав гема с участием феррохелата-зы. Ферритин осуществляет внутриклеточное хранение Fe. Этот белок образован из 24 субъединиц двух типов: тяжёлых (Н) и лёгких (Ь) с молекулярными массами 22-24 и 20-22 кДа соответственно. Данные 24 субъединицы образуют полость, в которой может поместиться ~ 4500 ионов Fe3+ (см. рис. 1в). Максимальная концентрация этого транспортёра определена в печени, селезёнке, костном мозге, преимущественно в эндотелиоцитах [1].
Ферритин образуется в клетках ретикулоэндоте-лиальной системы и состоит из белковой оболочки, апоферритина, содержащего железо в своем ядре в виде комплекса гидроокиси и фосфата железа. В плазме ферритина содержится 12-200 мкг/л; он состоит на 20-25 % из железа. В сыворотке крови находится 1 нг/мл, что эквивалентно 8 мг железа в организме. Включение железа в ферритин требует предварительного окисления из Fe2+ в Fe3+, что происходит преимущественно в желудке с помощью соляной кислоты желудочного сока. Для функционального дефицита железа характерен низкий процент (<20 %) насыщения трансферрина при несни-женном уровне ферритина.
Трансферрин и ферритин - всего лишь две составные части намного более сложной системы гомеостаза железа. Вкратце, система гомеостаза железа функционирует следующим образом. Как было сказано выше, молекула трансферрина взаимодействует с трансферриновым рецептором, транспортируется внутрь клетки, ионы железа высвобождаются. Белок типа «ЮЕ» (вариации гена ЮЕ считаются одной из причин гемохроматоза) регулирует взаимодействие трансферрина с рецепторами. Часть ионов железа передается в цитоплазму транспортёром двухвалентных металлов ^МТ1); где железо и оказывает свои биологические функции, встраиваясь в активные центры ферментов: остальное железо хранится в ферритиновых частицах и поступает в митохондрии по мере надобности. Транспорт железа, не связанного с трансферрином, осуществляется ионными каналами DMT1 и ZIP14 [10]. Железорегуляторные белки (Ш.Р) представляют собой датчики цитоплазматических уровней железа и управляют экспрессией генов, кодирующих ос-
новные белки гомеостаза железа: ферритин, ферро-портин, DMT1 и др.
Пептид гепцидин - один из недавно найденных центральных факторов регуляции железа. Гепци-дин связывает гемопортин на мембранах энтеро-цитов, макрофагов и гепатоцитов. Комплекс геп-цидин-гемопортин всасывается внутрь клетки, что приводит к сокращению экспорта железа и, следовательно, к более низкому уровню железа в плазме. Уровни гепцидина увеличиваются при перегрузке железом и уменьшаются с недостатком железа. Белки печени гемохроматоз (ЮЕ), рецептор трансферрина 2 (TfR2), гемоювелин (НГУ) и морфогенеза костей (ВМР) необходимы как регуляторы синтеза гепцидина [11].
Основные функции цинка в организме
Соединения цинка находят широкое применение в медицине. Слабые растворы сульфата цинка угнетают размножение патогенных микроорганизмов и оказывают вяжущее, противовоспалительное, а также подсушивающее и иммуномодулирующее действие. Хлорид цинка применяется как вяжущее, прижигающее и антисептическое средство; оксид цинка используется в виде мазей, присыпок, как вяжущее, подсушивающее, адсорбирующее и антисептическое средство. Органические соли цинка (глюконат, пиколинат, аспарагинат и т. д.) в настоящее время назначаются в эндокринологии, иммунологии с целью коррекции иммуно-дефицитных состояний. Систематический приём цинка значительно уменьшает число случаев пневмонии и смертность [12]. Гиалуронат цинка применяется в качестве регенерирующего, ранозаживляющего, антибактериального средства.
Анализ генома человека показывает, что существует не менее 1 700 белков, так или иначе взаимодействующих с цинком [8]. Значительная часть этих белков - транскрипционные факторы типа «цинковый палец», необходимые для активации транскрипции многих тысяч генов. Например, все рецепторы стероидов содержат ДНК-взаимодействую-щий домен, который не может активироваться при отсутствии цинка в структуре рецептора.
Среди цинксодержащих белков также много ферментов. В настоящее время известно, что цинк необходим для функции нескольких сотен ферментов, которые участвуют в различных метаболических процессах, включая синтез и распад углеводов, жиров, белков, нуклеиновых кислот и др. Следует отметить наиболее важные функции цинка:
• Метаболизм белков и углеводов.
• Влияние на рост и деление клеток. Цинк контролирует экспрессию генов в процессе клеточного цикла. В частности, цинк необходим для G2-фазы и индукции ДНК-полимеразы-а.
• Кислотный баланс крови.
• Участие в иммунитете. Цинк ответственен за созревание и дифференцировку Т-лимфоцитов по пути Т-хелперов первого или второго типа.
• Участие в реакциях антиоксидантной защиты. Цинк входит в состав супероксиддисмутазы. Кроме того, цинк активирует супероксиддис-мутазы эритроцитов и цитозоля.
• Цинк необходим для метаболизма ретинола, который должен постоянно поступать в палочки сетчатки глаз для образования зрительного пигмента.
Фармакокинетика цинка
В организме человека содержится 1,5-2,5 г цинка, из них 90 % концентрируется в цинковом депо - скелетной мускулатуре (60 %) и в костях (30 %). Цинк - внутриклеточный металл и особенно концентрируется в печени, мышцах, предста-
тельной и поджелудочной железе, глазном яблоке, гипофизе, гипоталамусе и обонятельных луковицах. Лишь 2 % этого элемента определяется в сыворотке, а в плазме - лишь 0,1 % всего цинка. Суточная потребность человека в цинке составляет 8-15 мг для взрослых (11 мг - мужчины; 8 мг -женщины; 15 мг при повышенных физических нагрузках) и 4-6 мг для детей.
Ключевым этапом усвоения цинка является тонкокишечная рециркуляция, заключающаяся в поддержании баланса между абсорбцией элемента и его эндогенной секрецией панкреатическими и интестинальными клетками. Всасывание цинка происходит в верхнем отделе кишечника, причём в двенадцатиперстной кишке поглощается 40-45 %, а в тощей и подвздошной - 15-21%. В желудке и прямой кишке всасывается не более 2 % цинка.
В зависимости от лигандной формы цинка (пи-колинат, оксид и др.) всасывается от 50 до 60 % от поступившего с пищей и водой цинка. Абсорбция увеличивается по мере снижения содержания элемента в пищевом рационе. Неорганические формы цинка имеют низкую биодоступность (менее 10%), которая несколько возрастает при глубоком дефиците цинка. Интересно, что чечевица является хорошим источником и цинка, и железа с высокой биодоступностью: 100 г сухой чечевицы содержат суточные нормы обоих микроэлементов [13].
Улучшают всасывание цинка белок миозин, содержащийся в пище, глицин, глутаминовая кислота, цистеин, гистидин, лактоза, гонадотропин, глюкокортикостероиды, а также витамины А и В6. Дефицит витамина А сопровождается недостаточным синтезом транспортных белков, необходимых для всасывания и циркуляции цинка в организме. Ухудшают всасывание цинка воспалительные процессы в слизистых оболочках желудка и кишечника, фитиновая кислота, кальций, фосфаты, железо, медь, магний, марганец. Кадмий и свинец способны вытеснять цинк из организма. Выделение цинка осуществляется в основном с калом (в т. ч. с клетками слущивающегося эпителия), значительно меньше - с потом и мочой. Период полуэлиминации цинка составляет от 20 суток до 1 года [1].
Ведущими причинами дефицита цинка являются: алиментарная недостаточность (дефицит белка, вегетарианство); алкоголизм; нарушение всасывания других макро- и микроэлементов; болезни почек (протеинурия), кишечника, печени. Симптоматика дефицита цинка широка и включает разнообразные проявления, обусловленные, во многом, иммуномодулирующим воздействием цинка. Типичная симптоматика дефицита цинка включает: атопический дерматит; нарушения роста волос и ногтей; склонность к гнойничковым заболеваниям, угревой сыпи; склонность к анемии; снижение аппетита; гиперактивность; часто и длительно протекающие вирусно-бактериальные инфекции слизистых оболочек (носоглотки, бронхов, мочевых путей, кишечника); у мальчиков - замедленный рост (карликовость), дефицит массы.
Молекулярные механизмы гомеостаза цинка
Так как существует почти 2 000 белков, для которых цинк необходим (по некоторым оценкам, 3 000 [14]), то становится понятной вся сложность гомеостаза цинка. Парадоксально, но гомеостаз железа к настоящему времени изучен намного более подробно, чем гомеостаз цинка. В плазме примерно 18 % цинка связано с альфа-2-макроглобулином, 80 % - с альбумином и 2 % - с транспортными белками, такими как трансферрин, церулоплазмин и металлотионеины. Альфа-2-макроглобулин и альбумин осуществляют неспецифический транспорт
ионов металлов, а трансферрин, церулоплазмин и металлотионеины - специфический транспорт.
Металлотионеины (МТ) являются плейотроп-ными низкомолекулярными белками, богатыми цистеином. В настоящий момент у человека известны 4 класса МТ, насчитывающие 16 изоформ [15]. Металлотионеины имеют молекулярную массу до 6-7 кДа и способны связывать широкий спектр металлов, в т. ч. и токсичных (Pb, Cd), тем самым имея антиоксидантный эффект. Ионы металлов индуцируют экспрессию металлотионеинов в различных тканях (мозг, печень, миокард и т. д.). Интересно, что уровень транспортных белков для цинка максимален в молодом возрасте, а с возрастом содержание цинка в тканях сердца, печени и других жизненно важных органов резко уменьшается, снижая их функциональную активность.
Среди генов, экспрессия которых регулируется цинком, многие участвуют во внутриклеточной передаче сигнала (в частности, влияющие на иммунный ответ), в ответе на окислительный стресс и энергетическом метаболизме.
Транспортёры цинка (ZnT) регулируют уровни этого микроэлемента внутри клеток. Экспрессия ZnT-1 и ZnT-2 регулируется диетарным цинком во многих органах, включая тонкий кишечник и почки. Экспрессия ZnT-1, ZnT-2 и ZnT-4 резко меняется во время беременности и кормления грудью и уменьшается практически до нуля. Увеличение уровней ZnT-1 и ZnT-2 диетарным цинком подразумевает, что эти транспортёры вовлечены в усвоение и хранение цинка для последующего системного использования. ZnT-2 наиболее чувствителен к регулированию диетарным цинком, ZnT-4 наименее чувствителен [16].
Физиологическое взаимодействие цинка и железа
Как было отмечено ранее, в организме человека существует не менее 1 700 белков, взаимодействующих с цинком, и более 200 белков - с железом. Как цинк-, так и железосодержащие белки работают во всех физиологических системах организма и взаимодействуют на разных уровнях иерархии управления гомеостазом. На наш взгляд, наиболее фундаментальным представляется физиологическое взаимодействие на уровне дыхательной системы (обмен O2/CO2) и регуляции pH крови.
Общеизвестно, что железо входит в состав гемоглобина - основного транспортного белка кислорода. Гемоглобин (от др.-греч. ai^a - кровь и лат. globus - шар), основной белок эритроцитов, обратимо связывается с кислородом в капиллярах лёгких (рис. 2). Током крови эритроциты, содержащие молекулы гемоглобина со связанным кислородом,
о
OJ
оо
Ж.
О
I—
со
го
I ЭССЕНЦИАЛЬНЫЕ МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
доставляются ко всем органам и тканям, где кислорода мало, здесь необходимый для протекания окислительных процессов кислород освобождается из связи с гемоглобином. Эритроциты также переносят углекислый газ и выделяют его в капиллярах лёгких одновременно с забором кислорода.
В гемоглобине простетической группой выступает гем. Гем представляет собой комплекс прото-порфирина IX с ионом железа (II). Связываемая гемоглобином молекула кислорода координируется к железу и оказывается заключённой между ионом железа и аминокислотными остатками гемоглобина. Так как гемоглобин является тетрамером (т. е. состоит из четырёх субъединиц), всего в гемоглобине четыре участка связывания кислорода.
То, что эритроциты переносят кислород посредством гемоглобина - факт, хорошо известный более 70 лет. Известно также, что именно эритроциты способствуют удалению углекислого газа из организма. О том, что для этого процесса абсолютно необходим цинк, намного менее известно. Дело в том, что большая часть цинка крови содержится в эритроцитах в составе цинковых металлофермен-тов - карбоновых ангидраз (прежде всего карбоан-гидразы I). Карбоангидразы - ферменты, взаимо-превращающие угольную кислоту и углекислый газ: Н2С03^С02| + Н20. Угольная кислота является как депо углекислоты, выделяющейся при клеточном дыхании, так и основным компонентом карбонатного буфера, поддерживающего pH крови в физиологическом диапазоне (pH 7,25-7,35). Существует по меньшей мере 15 типов карбоангид-раз, выполняющих различные функции в организме и принимающих важнейшее участие в поддержании функций почек, мозга и других систем организма [8].
Таким образом, с физиологической точки зрения, железо и цинк участвуют в двух комплементарных процессах дыхания: транспорте кислорода и элиминации углекислоты. При недостатке любого из микроэлементов нарушается баланс 02/С02. Так как цинк также способствует поддержанию кислотности крови на должном уровне, недостаток цинка будет способствовать сдвигу pH крови в сторону ацидоза.
Лекарственные взаимодействия железа и цинка
Как показывают приведённые выше данные по биологической роли железа и цинка, и гомеостаз цинка, и гомеостаз железа - крайне сложные явления, взаимодействия которых могут происходить на многих уровнях. Поэтому представляется целесообразным последовательно рассмотреть все известные разновидности лекарственного взаимодействия, как то: фармацевтическое, фармакокинетическое и фармакодинамическое взаимодействия с учётом всей вышеприведённой информации касательно обмена железа и цинка.
Фармацевтическое взаимодействие
Фармацевтическое взаимодействие веществ подразумевает протекание химической реакции (например, реакция между щелочами и кислотами, окислительно-восстановительные реакции, воздействие УФО и др.) между компонентами лекарства до поступления в организм. Как известно из основ химии железа и цинка [17], в обычных условиях жизнедеятельности человека химическое взаимодействие между ними в принципе невозможно, так как оба эти элемента представлены катионами, не образуют окислительно-восстановительную пару и, в общем случае, не могут образовывать нерастворимый осадок.
Возможны, однако, взаимодействия между некоторыми конкретными соединениями цинка и
Таблица. Клинические исследования на здоровых добровольцах по изучению эффектов взаимодействия диетарных цинка и железа
Fe, мг Zn, мг Fe : Zn, мг Носитель Эффект Источник
25 25 1 1 Лимонад ^п (слабо) [21]
50 25 2 1 Лимонад ^п [21]
75 25 3 1 Лимонад ^п [21]
100 54 1,9 1 Устрицы нет [21]
50 25 2 1 Лимонад ^п [22]
47 2,5 2 1 Вода ^п [23]
100 50 2 1 Вода ^п [24]
51 6 10 1 Вода ^п [6]
26 6,2 5 1 Вода ^п [6]
17 4 5 1 Индюшка нет [6]
34 4 10 1 Индюшка нет [6]
2,2 2,6 1 1 Вода нет [25]
5,6 2,6 2,5 1 Вода нет [25]
56 26 25 1 Вода ^п [25]
2,2 2,6 1 1 Рис и мясо нет [25]
5,6 2,6 2,5 1 Рис и мясо нет [25]
56 2,6 25 1 Рис и мясо ^п [25]
47 22 2,4 1 Вода нет [3]
24 27 1 1 Вода ^п (слабо) [3]
24 68 1 2,5 Вода ^п [3]
3 15 1 5 Вода ^п [4]
3 45 1 15 Вода ^п [4]
3 15 1 5 Бутерброд Нет [4]
10,3 0,4 23,3 1 Детское питание Нет [26]
25,3 0,4 57,4 1 Детское питание Нет [26]
4,5 0,5 8,8 1 Бутерброд Нет [26]
5,5 0,5 10,2 1 Детск. питание Нет [26]
Примечание. - уменьшенная абсорбция цинка
железа. Например, совмещение в одном препарате субстанций карбоната цинка и любой водорастворимой соли железа (сульфата, нитрата, фумара-та) приведёт к выпадению осадка из карбоната и гидроксида железа при попадании воды в лекарственную форму (уравнение реакции типа FeS04 + ZnC03 = FeC03| + ZnS04). Следует избегать совместного применения любых карбонатов (карбоната цинка, карбоната кальция и др.) и любых форм железа. Это правило хорошо известно в фармацевтике и обязательно учитывается в технологии изготовления лекарств.
Фармакокинетическое взаимодействие
При фармакокинетическом взаимодействии веществ меняется активная часть препарата, воздействующая на специфические рецепторы органов и тканей. Превращения ионов металлов невозможны. На фармакокинетику и железа, и цинка в значительной степени влияют взаимодействия обоих ионов с транспортными и прочими белками, рассмотренные далее.
Роль соотношений Zn : Fe при поступлении в организм. Экспериментальные и клинические исследования фармакокинетики железа и цинка при совместном применении показывают, что ингибирование цинком всасывания железа зависит от их соотношения. При молярном соотношении Fe : Zn ниже 2 : 1 у нормальных крыс никакого существенного влияния железа на цинк не наблюдалось. При более высоких соотношениях усвоение цинка значительно уменьшилось (р < 0,05), а при отношении Fe : Zn, равном 5:1, дозозависимое торможение поглощения цинка перестает увеличиваться [18]. Иначе говоря, увеличение соотношения Fe : Zn более 5 : 1 не приводит к дальнейшему ухудшению всасывания цинка.
В исследовании на 22 добровольцах каждый получал 0,5 мг препарата железа с различным соотношением цинка. Никакого существенного влияния цинка на всасывание железа не было выявлено при молярных соотношениях Zn : Fe менее 2 : 1 [19, 20].
При соотношениях 5 : 1, 10 : 1 и 20 : 1 наблюдалось 28-40 % торможение поглощения железа (р = 0,02) [18, 19]. В других исследованиях при соотношениях 1 : 1 наблюдалось самое слабое торможение всасывания и железа, и цинка [3, 21]. Эти и другие клинические исследования показали, что высокие концентрации железа могут ингибировать абсорбцию цинка и наоборот. Краткое описание этих исследований приведено в таблице. Таким образом, при создании комплексов, включающих цинк и железо, следует стремиться к молярному соотношению цинка к железу 1 : 1.
Условия поступления цинка и железа: роль жидкости и твёрдой пищи. Как показывает совместный анализ результатов этих исследований, угнетающее воздействие железа на всасывание цинка наблюдалось в основном только при приёме обоих минералов в жидкой фазе. В случае приёма минералов с едой угнетения всасывания цинка практически не наблюдалось. Используя критерий х2 для данных в таблице, нетрудно сосчитать, что этот результат был статистически значимым с высокой достоверностью (О.Ш. - 52, 95 % ДИ 5-570; р < 0,0001). Иначе говоря, при приёме обоих минералов с жидкостью риск угнетения усваивания цинка возрастает в 52 раза.
В 2006 году были опубликованы итоги многоцентрового исследования совместного и раздельного применения препаратов цинка и железа, в котором приняли участие около 2,5 тыс. детей из Юго-Восточной Азии. В результате было показано, что приём монодобавок железа не влияет негативно на концентрацию цинка в крови у детей. Однако приём монодобавок цинка может негативно влиять на статус железа. Совместный приём препаратов железа и цинка менее эффективен в предотвращении развития анемии, чем раздельный приём [36].
Другое исследование, проведённое в 2004 году с участием 650 детей из Индонезии, показало, что при приёме цинка значительно улучшается рост, железа - рост и психомоторное развитие, но в комбинации эти элементы не оказывают значительного эффекта ни на рост, ни на развитие ребёнка [37].
В инструкциях по применению большинства витаминно-минеральных комплексов, включающих одновременно и цинк, и железо, рекомендуется запивать таблетку/драже водой или другой жидкостью. Как показывают данные исследований (таблица), выполнение этой рекомендации создаёт условия для антагонизма между цинком и железом на уровне всасывания в ЖКТ.
Фармакодинамическое взаимодействие цинка и железа
Фармакодинамическое взаимодействие цинка и железа имеет два аспекта: синергидный и конкурентный (антагонистический). Вряд ли можно отрицать существование синергизма между цинком и железом. Помимо упомянутого ранее физиологического взаимодействия, анализ функциональной взаимосвязи цинка и железа, проведённый нами по авторской методике [8, 9], в геноме человека показал, что существует, по крайней мере, 230 генов, белки которых вовлечены в гомеостаз железа. Из этого числа более 10 генов кодируют белки, которые могут выполнять свою биологическую функцию только при адекватных уровнях и цинка, и железа. Ряд этих белков необходим для регулирования кислородного баланса, и они активируются при гипоксии. Известно, что совместное применение пре-
паратов железа и цинка существенно улучшает показатели крови [27, 28].
Особый интерес представляет синергизм между железом и цинком, обеспечивающий реакцию клеток на гипоксию. Эглнин-1 (известен также как про-лилгидроксилаза 2 фактора гипоксии) является сенсором кислорода в клетке. При связывании одной молекулы кислорода эглнин включает гидроксили-рование пролиновых остатков фактора гипоксии (Н№-1), помечая этот белок для убиквитинзависи-мой деградации, модулируя, тем самым, реакцию на гипоксию [29]. Эглнин связывает 1 ион железа Fe2+ в активном центре и ион цинка специальным регулирующим участком белка (т. н. «MYND-доменом») для модуляции активности эглнина.
Гистон-деметилаза J1A является одним из белков, активируемых фактором гипоксии при недостатке кислорода. Этот фермент удаляет метиль-ную группу на осадке лизин-9 гистона Н3. Гисто-ны - белки, стабилизирующие структуру ДНК [30]. Деметилирование гистонов приводит к разрыхлению упаковки ДНК и облегчает доступ рецепторов к ДНК, тем самым поддерживая более оперативную реакцию клетки на гипоксию. Известно, что и цинк, и железо необходимы для функции этого белка [31].
Митохондриальная пептидаза (ген М№ЕР) отрезает ^концевые пептиды, что необходимо для созревания аминокислотных последовательностей белков, импортируемых в митохондрии. Пространственная структура фермента показана на рис. 3. Ион цинка является частью активного центра фермента. Этот фермент активируется ионами магния, кальция и марганца. Этот цинкзависимый фермент является регулятором уровней железа: фермент промотирует забор железа митохондриями, вызывая созревание транспортных белков железа и, в то же время, активность фермента падает при избытке железа [32].
Ферменты N0-синтетазы необходимы для синтеза одной из важных сигнальных молекул: оксида азота. Оксид азота II (N0, в химии известен как «окись азота») является нейромедиатором и вазоди-лататором. Окись азота синтезируется N0-синтета-зами из аргинина по реакции Ь-аргинин + НАДФ + Н+ + 02 = цитруллин + окись азота + НАДФ+. Ион железа является частью каталитического центра в составе гема, а ион цинка необходим для стабилизации пространственной структуры фермента [33].
Рис. 3. Пространственная структура митохондриальной пептидазы. Показан ион цинка в активном центре фермента
Несмотря на очевидность синергидного эффекта, существует также и конкурентное взаимодействие цинка и железа. Ионы микроэлементов могут менять носители (связываться с определёнными белками, например) и вызывать другие изменения в организме, изменяющие абсорбцию. Исторически считалось, что за взаимодействие и цинка, и железа могут отвечать транспортёры типа DMT1 (см. ранее) [2]. Однако более детальные исследования показали, что DMT1 представляет собой скорее транспорт железа, чем цинка [34]. Более вероятным кандидатом на молекулярный механизм взаимодействия железа и цинка является транспортёр типа ZIP14, вовлечённый в транспорт железа, не связанного с трансферрином, и также в транспорт цинка (рис. 4). В энтероцитах и других клетках, снабжённых белком ZIP14J
Рис. 4. Конкуренция между цинком и железом за транспортёры типа 11Р14, DMT1, 1пТ и др. при разных условиях: избыток железа, соотношение цинка к железу 1:1, избыток цинка___________________
Избыток Ре2+ Вытеснение Zr^i*
Соотношение гп : Ре ~ 1 : 1
Транспортёр гп ммттшмш двухвалентных ионов (Ме2+)
1Л „ ,, тттшт
Избыток гп2’
Вытеснение Ре2+ шшииинш тнтштмт
транспорт посредством ZIP14 происходит, по всей видимости, под воздействием АТФ [10], т. е. является активным транспортом. Следует также принимать во внимание, что 60 % цинка в плазме неспецифически связываются с альбумином, в то время как около 10 % цинка переносятся самим трансферрином. Поэтому избыток железа может тормозить абсорбцию цинка и наоборот [35].
Сформулированная выше гипотеза о возникновении антагонизма между цинком и железом как следствие конкуренции за транспортные рецепторы подтверждается приведёнными выше результатами экспериментальных и клинических исследований (исследования [3, 4, 21-25] и др.). Эти исследования показали, что только при высоких молярных соотношениях наблюдаются эффекты взаимодействия. Если бы взаимодействие было опосредованно через изменения уровней транскрипии, оно было бы уже заметным при молярных соотношениях порядка 1 : 1. Рассмотренные ранее механизмы взаимодействий между железом и цинком суммированы на рис. 5.
Заключение
Взаимодействие цинка и железа - это сложный, многосторонний, быстро меняющийся во времени процесс, зависящий от множества факторов, характера пищи, фазы пищеварения, состояния пищеварительной системы, пропорции поступления этих элементов с пищей или в составе препаратов, а также от химической природы соединений - источников этих элементов. Зачастую в клинической практике встречается сочетанный дефицит железа и цинка, что приводит к необходимости совместного назначения цинк- и железосодержащих препаратов.
В настоящей работе были подробно рассмотрены все этапы взаимодействия цинка и железа. Имеющиеся данные позволяют утверждать, что
Рис. 5. Синергизм и антагонизм цинка и железа
Антагонизм
&
Конкуренция за трансферрин и другие транспортные белки
Синергизм
2х\ <-----------► Ре
Обмен О2/СО2, регуляция pH
Исследования на добровольцах, изучение взаимодействия диетарных и Ре
Оптимум
употребления
Соотношение Тх\» Ре, 1п « Ре
Консистенция
(жидкость)
Соотношение
гп:1=е~-\:-1
Приём с твёрдой пищей
Раздельный по времени приём 2п и Ре
Белки, для функционирования которых одновременно необходимы ионы 2п и Ре
между цинком и железом имеется как несомненный физиологический и фармакодинамический синергизм, так и определённый антагонизм. При одновременном поступлении в организм в жидкой среде цинк и железо конкурируют за транспортные белки. Взаимодействуя с белками-пере-носчиками цинка, железо замедляет всасывание цинка. И наоборот, взаимодействуя с белками-пе-реносчиками железа (прежде всего с трансферри-ном), цинк тоже замедляет всасывание железа через конкурентное замещение. Степень проявления антагонизма зависит от соотношения цинка и железа в принимаемом препарате и также от консистенции (при приёме минералов с твёрдой пищей угнетение всасывания цинка сведено к минимуму). Результаты проведённого анализа позволяют внести ряд рекомендаций по созданию витаминно-минеральных комплексов с целью избежания антагонизма цинк-железо.
Для предотвращения конкуренции между цинком и железом следует соблюдать следующие важные правила:
1. Одновременный приём приведёт к минимальному антагонизму, если соотношение Fe : Zn не превышает 1 : 1.
2. При раздельном приёме конкуренция между цинком и железом за транспортные белки исключается, биодоступность элементов несколько повышается.
3. При совместном приёме минералов следует избегать приёма с жидкостью, а принимать препарат во время еды.
Эти правила, конечно же, относятся к восполнению физиологических суточных потребностей в железе и цинке. В случаях более глубокого дефицита пропорции Fe : Zn должны прописываться врачом индивидуально по результатам обследования. Таким образом, с точки зрения биоусвояемости наиболее оптимальным является приём железа и цинка в разное время в течение суток, что позволяет рекомендовать приём витаминно-минеральных препаратов, разработанных с учётом взаимодействия между железом и цинком [1, 2].
Литература
1. Ребров В.Г., Громова О.А. Витамины, макро- и микроэлементы. М.: ГэотарМед, 2008; 957.
2. Kordas K., Stoltzfus R.J. New evidence of iron and zinc interplay at the enterocyte and neural tissues // J Nutr 2004;134: 6: 1295-8.
3. Crofton R.W., Gvozdanovic D., Gvozdanovic S. et al. Inorganic zinc and the intestinal absorption of ferrous iron // Am J Clin Nutr 1989; 50: 141-4.
4. Rossander-Hulten L., Brune M., Sandstrom B., Lonnerdal B., Hallberg L. Competitive inhibition of iron absorption by manganese and zinc in humans // Am J Clin Nutr 1991; 54: 152-6.
5. Solomons N.W., Cousins R.J. Zinc. In Solomons N.W., Rosenberg I.H. (eds). Absorption and malabsorption of mineral nutrients. Alan R Liss, New York, 2004; 125-197.
6. Valberg L.S., Flanagan P.R., Chamberlain M.J. Effects of iron, tin, and copper on zinc absorption in humans // Am J Clin Nutr 1984; 40: 3: 536-41.
7. Torshin I.Yu., Gromova O.A. Magnesium and pyridoxine: fundamental studies and clinical practice. Nova Science Publishers, NX 2009, ISBN-10: 1-60741-704-9.
8. Torshin I.Yu. Bioinformatics in the post-genomic era: sensing the change from molecular genetics to personalized medicine. Nova Biomedical Books, NY USA, 2009, In «Bioinformatics in the Post-Genomic Era» series, ISBN: 978-1-60692-217-0.
9. Torshin I.Yu. Bioinformatics in the Post-Genomic Era: The Role of Biophysics, 2006 Nova Biomedical Books, NX ISBN-10: 1-60021-048.
10. Pietrangelo A. Physiology of iron transport and the hemochromatosis gene // Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2002; 282: 3: G403-14.
11. Borch-Iohnsen B., Hagve T.A., Hauge A., Thorstensen K. Regulation of the iron metabolism // Tidsskr Nor Laegeforen. 2009; 129: 9: 858-62.
12. Brooks W.A., Santosham M., Naheed A., Goswami D., Wahed M.A., Diener-West M., Faruque A.S., Black R.E. Effect of weekly zinc supplements on
incidence of pneumonia and diarrhoea in children younger than 2 years in an urban, low-income population in Bangladesh: randomised controlled trial // Lancet. 2005; 366: 9490: 999-1004.
13. Thavarajah D., Thavarajah P., Sarker A., Vandenberg A. Lentils (Lens culinaris Medikus Subspecies culinaris): a whole food for increased iron and zinc intake // J Agric Food Chem. 2009; 57: 12: 5413-9.
14. Maret W. Molecular aspects of human cellular zinc homeostasis: redox control of zinc potentials and zinc signals // Biometals. 2009; 22: 1: 149-57.
15. Thirumoorthy N., Manisenthil Kumar K.T., Shyam Sundar A., Panayap-pan L., Chatterjee M. Metallothionein: an overview // World J Gastroenterol. 2007; 13: 7: 993-6.
16. Cousins R.J., Blanchard R.K., Moore J.B., Cui L., Green C.L., Liuzzi J.P., Cao J., Bobo J.A. Regulation of zinc metabolism and genomic outcomes // J Nutr 2003;133: 5: Suppl 1: 1521S-6S.
17. Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: 1969; 857.
18. Peres J.M., BureauF., Neuville D., ArhanP., Bougle D. Inhibition of zinc absorption by iron depends on their ratio // J Trace Elem Med Biol. 2001; 15: 4: 237-41.
19. Olivares M., Pizarro F., RuzM. New insights about iron bioavailability inhibition by zinc // Nutrition. 2007; 23: 4: 292-5.
20. Olivares M., Pizarro F., Ruz M. Zinc inhibits nonheme iron bioavailability in humans // Biol Trace Elem Res. 2007; 117: 1-3: 7-14.
21. Solomons N.W., Jacob R.A. Studies on the bioavailability of zinc in humans: effects of heme and nonheme iron on the absorption of zinc // Am J Clin Nutr 1981; 34: 475-82.
22. Solomons N.W., Pinedea O., Viteri F., Sandstead H. Studies on the bioavailability of zinc in humans: mechanism of the intestinal interaction of nonheme iron and zinc // J Nutr 1983; 113: 337-49.
23. Aggett P.J., Crofton R.W., Khin C., Gvozdanovic S., Gvozdanovic D. The mutual inhibitory effect on the bioavailability of inorganic zinc and iron / Prasad A.S., Cavdar A.O., Brewer G.J., Aggett PJ. eds. Zinc deficiency in human subjects. New York: Alan R Liss, 1983; 117-24.
24. Meadows N.J., Grainger S.L., Ruse W., Keeling P.W.N., Thompson R.P.H. Oral iron and the bioavailability of zinc // Br Med J. 1983; 287: 1013-4.
25. Sandstrom B., Davidsson L., Cederblad A., Lonnerdal B. Oral iron, dietary ligands and zinc absorption // J Nutr 1985; 115: 411-4.
26. Davidsson L., Almgren A., Sandstrom B., Hurrell R.F. Zinc absorption in adult humans: the effect of iron fortification // Br J Nutr 1995; 74: 417-25.
27. Berger J., NinhN.X., KhanN.C., NhienN.V., LienD.K., TrungN.Q., KhoiH.H. Efficacy of combined iron and zinc supplementation on micronutrient status and growth in Vietnamese infants // Eur J Clin Nutr 2006; 60: 4: 443-54.
28. WasantwisutE., WinichagoonP., ChitchumroonchokchaiC., YamborisutU., Boonpraderm A., Pongcharoen T., Sranacharoenpong K., Russameesopaphorn W. Iron and zinc supplementation improved iron and zinc status, but not physical growth, of apparently healthy, breast-fed infants in rural communities of northeast Thailand // J Nutr 2006; 136: 9: 2405-11.
29. Choi K.O., Lee T., Lee N., Kim J.H., Yang E.G., Yoon J.M., Kim J.H., Lee T.G., Park H. Inhibition of the catalytic activity of hypoxia-inducible factor-1alpha-prolyl-hydroxylase 2 by a MYND-type zinc finger // Mol Pharmacol. 2005; 68: 6: 1803-9.
30. Choudhary C., KumarC., GnadF., NielsenM.L., Rehman M., WaltherT.C., Olsen J.V., Mann M. Lysine acetylation targets protein complexes and co-regu-lates major cellular functions // Science. 2009; 325: 5942: 834-40.
31. Yamane K., Toumazou C., Tsukada Y., Erdjument-Bromage H., Tempst P., Wong J., Zhang Y. JHDM2A, a JmjC-containing H3K9 demethylase, facilitates transcription activation by androgen receptor // Cell. 2006;125: 3: 483-95.
32. Branda S.S., YangZ.Y., Chew A., Isaya G. Mitochondrial intermediate peptidase and the yeast frataxin homolog together maintain mitochondrial iron homeostasis in Saccharomyces cerevisiae // Hum Mol Genet. 1999; 8: 6: 1099-110.
33. Hemmens B., Goessler W., Schmidt K., Mayer B. Role of bound zinc in dimer stabilization but not enzyme activity of neuronal nitric-oxide synthase // J Biol Chem. 2000; 275: 46: 35786-91.
34. Yamaji S., Tennant J., Tandy S., Williams M., Singh Srai S.K., Sharp P. Zinc regulates the function and expression of the iron transporters DMT1 and IREG1 in human intestinal Caco-2 cells // FEBS Lett. 2001; 507: 2: 137-41.
35. Rink L., Gabriel P. Zinc and the immune system // Proc Nutr Soc. 2000; 59: 4: 541-52.
36. Wieringa F.T. et al. Combined iron and zinc supplementation in infants improved iron and zinc status, but interactions reduced efficacy in a multicountry trial in Southeast Asia // J. Nutr 2007 Feb; 137: 2: 466-71.
37. Lind T., Lonnerdal B., Stenlund H. et al. A community-based randomized controlled trial of iron and zinc supplementation in Indonesian infants: effects on growth and development // The American journal of clinical nutrition. 2004 Sep; 80: 3: 729-36.
О
OJ
oo
2
О
I—
cn
J
