食べ物から鉄がどこで吸収されてどのように運ばれ貯蔵されるのか調べてみた

食べ物から入って来た鉄は、2価の鉄になり小腸の腸管上皮細胞から吸収されます。腸管上皮細胞内に鉄が貯蔵される時は3価の鉄としてタンパク質フェリチンにくるまれます。腸管上皮細胞の外に出て、血液中を運搬されるときは、再び3価の鉄になりタンパク質トランスフェリンと結合します。主要な行き先は骨髄ですが、全ての細胞に鉄は必要です。細胞の中で余ると3価の鉄としてタンパク質フェリチンにくるまれます。フェリチンが多い場所は、小腸上皮細胞のほか、肝臓、脾臓、骨髄、筋肉などです。

鉄分

以前から、鉄の移動についてじっくり読んで、わからないところを調べて理解したいと思っていました。この記事は、すみません、ほぼ自分のために書いています。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版に詳しく説明されていました。

イラストレイテッド ハーパー・生化学について
2017年の春にイラストレイテッド ハーパー・生化学原書29版を買ってそれ以来使っています。きっかけは、アセチルCoAからコレステロールが合成される図を見たからです。最新版は2016年刊行の30版です。出版社に敬意を表して先に最新版を表示し

まず、大まかに鉄の流れを解説します。

食べ物から鉄の吸収

最初に、食べ物に含まれている鉄がどのように吸収されてどこに貯められるか、簡単に書いておきます。

食べ物に含まれている鉄は、胃のすぐ下、小腸の内皮細胞から吸収され、一部、腸管上皮細胞に貯蔵されます。腸管上皮細胞から出た鉄は、トランスフェリンというタンパク質と結合し血液中を流れ、体内を運搬されます。

鉄は必要な細胞に配られますが、余ればフェリチンというタンパク質にくるまれて細胞内に保存されます。主な行き先は骨髄です。

フェリチンにくるまれた貯蔵鉄が多いのは、肝臓、脾臓(ひぞう)、小腸粘膜、骨髄、筋肉などです。また、血液中の液性成分である血しょうにも少し含まれています。

昔から貧血気味ならレバー(肝臓)を食えといわれていますが、その通りですね。

次にもう少し細かく見ていきます。その前に。

ところで、鉄剤は2価の鉄じゃないと体に吸収されないって聞いたことないですか?

食品に含まれる鉄が体に吸収され体内を運搬される話を詳しく知ると、2価の鉄じゃないと体に吸収されない理由がわかるようになります。

鉄分補給のサプリメントで、「2価の鉄じゃないと体に吸収されない」って聞いたことはないですか?私は以前、鉄分補給のドリンクを扱う会社で働いていたことがあります。なぜ2価鉄(Fe2+)じゃないとだめなんだろうと思っていました。

これから書いて行く話の中に、2価鉄は何度も出てきます。

読んでいただくうちに、その理由がわかっていただけると思います。

鉄は小腸の腸管上皮細胞から吸収される

鉄には2価(Fe2+)と3価(Fe3+)のものがあり、腸管上皮細胞を通過できるのは、2価(Fe2+)です。

食べ物から鉄が入って来る様子を、図を見ながら追って行きましょう。

下図は、イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にあった図を私がマネして描きました。

上が小腸内腔、つまり食べ物が通過する腸の内部です。その下に腸管上皮細胞があり、その下が血管です。

食べ物に含まれている鉄は、上から下に入ってくると思ってください。また、図にでてくることばは、説明文の中では太字にしてあります。

非ヘム鉄輸送

腸管上皮細胞での非ヘム鉄輸送

食物に含まれた鉄は、胃酸(塩酸)によって鉄イオンになり、胃の幽門とつながる十二指腸の小腸上皮細胞から吸収されます。つまり、胃から出たらすぐに鉄は吸収されるのです。

腸管上皮細胞に入る前、3価の鉄(Fe3+)が2価鉄(Fe2+)に還元される

2価鉄(Fe2+)はそのまま、3価の鉄(Fe3+)は酵素によって還元されて2価鉄(Fe2+)になって、腸管上皮細胞に入ります。

食品中の鉄は、植物由来の非ヘム鉄と肉からのヘム鉄があります。非ヘム鉄は、3価の鉄(Fe3+)が多く、ヘム鉄は2価(Fe2+)の鉄です。

野菜(植物)からの鉄は吸収されにくいとは、よく聞く話です。

3価の鉄(Fe3+)は、酵素Dcytbによって2価(Fe2+)に還元されてから腸管上皮細胞に取り込まれます。つまり、3価の鉄(Fe3+)は入れないのですね。これが吸収されにくい根拠です。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にはこのように書かれています。

食物中の鉄は非ヘム鉄またはヘム鉄として摂取される.近位十二指腸の小腸上皮細胞での鉄の吸収過程は高度に制御されている.

食事性無機鉄は刷子縁膜に結合した鉄還元酵素である十二指腸シトクロム bduodenal cytochrome b(Dcytb)によって3価(Fe3+)から2価(Fe2+)に還元される.

ビタミンC,胃酸や食物中の多くの他の還元剤も3価から2価への鉄の還元に有利にはたらく.

文中に出てきたことばを解説します。

近位というのは、胃の幽門とつながる位置、つまり、胃のすぐそばだという意味です。胃から出たらすぐに鉄は吸収されるのですね。

刷子縁膜(さっしえんまく)とは、小腸の上皮細胞の頂端膜のことです。これは上の図で酵素Dcytbがある場所を見ていただければよいでしょう。刷子とは「はけ」「ブラシ」のことです。図を見るとそんな形になっています。

duodenalは十二指腸の意味です。

2価鉄(Fe2+)が腸管上皮細胞内に取りこまれ、そのまま貯蔵される場合も、再び外に出た場合も、3価鉄(Fe3+)に戻される

鉄は、腸管上皮細胞内に取りこむ時に2価鉄(Fe2+)にされましたが、腸管上皮細胞内で貯蔵される時、また、腸管上皮細胞から外に出され、血液中に入ると、3価鉄(Fe3+)に戻されます。

2価鉄(Fe2+)が腸管上皮細胞内に取りこまれた後、どうなるか?

これは図を見ていただいた方が早いです。是非、図を見ながら読み進めてください。

2価鉄(Fe2+)は、DMT1(2価金属輸送体)によって腸管上皮細胞内に輸送されます。(いろいろ横文字の名前が出てきますが、覚える必要は全くありませんので、ふーんと流して下さい)

腸管上皮細胞内に鉄が貯蔵される

腸管上皮細胞内に鉄がフェリチンというタンパク質にくるまれて貯蔵される場合は、3価鉄(Fe3+)に戻ります。

腸管上皮細胞の外に鉄が排出される

また、2価鉄(Fe2+)が腸管上皮細胞から血液中に排出される場合は、鉄排出タンパク質フェロポーチンを通過して排出されます。

血液中に排出された2価鉄(Fe2+)は、酵素ヘファエスチンによって再び3価鉄(Fe3+)になります。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にはこのように書かれています。こちらは読むと難しいですが、上で書いたことと同じです。

小腸上皮細胞の頂端膜透過による鉄輸送は,2価金属輸送体 1(DMT1あるいはSLC11A2)が行う.(中略)

一度上皮細胞内に取り込まれると,鉄はフェリチン ferritin として貯蔵されるか,鉄排出タンパク質であるフェロポーチン ferroportin あるいは鉄調整タンパク質 1 iron-regulated protein 1 (IREG1 あるいは SLC40A1)によって基底膜から血流中に輸送される.

この過程はヘファエスチン hephaestin と共同で行われる.ヘファエスチンは,セルロブラスミンに似た銅含有フェロオキシダーゼで,Fe2+をFe3+に酸化する.

3価鉄(Fe3+)はタンパク質トランスフェリンに結合して体内を運ばれる

血管内で、3価鉄(Fe3+)に血中にある運搬タンパク質トランスフェリンが結合します。そして、3価鉄(Fe3+)を体内のさまざまな必要としている場所へ輸送します。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にはこのように書かれています。

鉄は,血漿中では輸送タンパク質トランスフェリン transferrin によってFe3+の状態で輸送される.過剰な鉄は,フェリチンとして上皮細胞に貯蔵され,上皮細胞が腸管内腔に剥離するときに失われる.

血漿(血しょう:けっしょう)とは、血液の例えば、赤血球、白血球、血小板などの細胞成分以外の液性成分のことです。(出典:血液、血清、血漿、についてトランスフェリンと結合した鉄は、血液の中を流れていくと考えておいてよいです。

トランスフェリンと結合した鉄の主要な行き先は骨髄

トランスフェリンと結合した鉄は、どこに行くか?鉄といえば赤血球に必要なものです。骨髄に行くようです。日本人の食事摂取基準(2020年版)のミネラル(微量ミネラル)の冒頭、鉄(Fe)に書かれています。

トランスフェリン結合鉄(血清鉄)として全身に運ばれる。多くの血清鉄は、骨髄においてトランスフェリン受容体を介して赤芽球に取り込まれ、赤血球の産生に利用される。

約 120 日の寿命を終えた赤血球は網内系のマクロファージに捕食されるが、放出された鉄はマクロファージの中に留まってトランスフェリンと結合し、再度ヘモグロビン合成に利用される。

赤血球が古くなって掃除屋マクロファージに食べられても、そこから出た鉄はまたトランスフェリンと結合して、再利用されます。鉄は貴重なのですね。

細胞に配られ余った鉄は、細胞の中でタンパク質フェリチンにくるまれ貯蔵される

トランスフェリンと結合した鉄は、鉄を必要としている細胞に運ばれます。ミトコンドリア内にある酵素の中に鉄が含まれているものがあるので、鉄は全ての細胞で必要だといえます。細胞の中で鉄が離れ、トランスフェリンはまた細胞外に戻ります。

細胞の中で鉄が余ると、今度はタンパク質フェリチンにくるまれて貯蔵されます。日本蛋白質構造データバンク(PDBj)のフェリチンとトランスフェリンを見ると、フェリチンの構造図も見ることができます。

また、このように説明されていました。

細胞内における余分な鉄イオンは、フェリチンによるタンパク質の殻の中へ安全に閉じこめられている。(中略)

鉄イオンはフェリチンの殻に入ると、三価イオン状態に変換されリン酸イオン(phosphate ion)および水酸化物イオン(hydroxide ion)と共に小さな微結晶を形成する。この殻の内部には約4500個の鉄イオンを収納できる部屋がある。

観察眼が鋭い方は、鉄がフェリチンに閉じこめられる時に、「三価イオン状態に変換され」で引っかかったと思います。トランスフェリンと結合している時は、3価の鉄だったからです。

これは説明するととても長くなります。

トランスフェリンと結合していた鉄が、離れる時には2価になり、フェリチンに閉じ込められる時には、また、3価になるものだと思って下さい。

もう一つ、「リン酸イオンおよび水酸化物イオン」と書かれた意味は、「酸素と結合したのではない」ことが重要なのです。その理由は、次の段落で説明します。

ちなみに、体の中でフェリチンが多い場所は、小腸上皮細胞のほか、肝臓、脾臓(ひぞう)、骨髄、筋肉などだそうです。(出典:コトバンク フェリチン

2価鉄(Fe2+)になったり3価鉄(Fe3+)になったりするのはなぜ?

鉄は、細胞の中では2価鉄(Fe2+)になっていますが、細胞の外では3価鉄(Fe3+)になり、また、細胞の中でも貯蔵される時は、3価鉄(Fe3+)になり、タンパク質と結合します。

それには理由があります。

2価鉄(Fe2+)をそのままにしておくと、細胞内では有害になりやすく、では、3価鉄(Fe3+)に変化させればよいかというと、酸素と結合すると「さび」のような酸化物となり水に溶けなくなってしまいます。そのため、3価鉄(Fe3+)はタンパク質と結合させます。

2価鉄(Fe2+)をそのままにしておくとFenton(フェントン)反応に関わる

まず、2価鉄(Fe2+)をそのままにしておくと、有毒な酸素フリーラジカルの反応を触媒するのです。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にはこのように書かれています。

遊離状態の鉄は,Fenton(フェントン)反応による有害な酸素フリーラジカルの生成反応を触媒するため,非常に毒性が強い.生体系では,毒性のあるラジカル生成を制限するために,鉄は常にタンパク質に結合している.

反応式はこれです。

フェントン反応

フェントン反応

化学式の下にはこんな説明がありました。H2O2が過酸化水素です。

遊離した鉄は,過酸化水素からのヒドロキシルラジカル(OH)の生成を触媒するため極めて有毒である.ヒドロキシルラジカルは,寿命は短いが,反応性が非常に高く,細胞内高分子を酸化して組織に障害をもたらす.

過酸化水素(H2O2)水は、私が子供の頃、消毒薬オキシドールとして使われていました。傷口にかけると泡が出てしみるやつです。それを覚えていたので、過酸化水素は、果たして体の中でいつも発生しているのかな?と思いました。それで調べました。

過酸化水素は細胞内で普通にみられる

過酸化水素は、ヒトの細胞のような好気的細胞内ではあたりまえのものでした。

過酸化水素は好気的細胞では普通にみられる代謝物であり、その細胞内濃度は生成と分解のバランスにより 10-9~10-7 M に調節されているといわれている(Chance et al., 1979)。

酸素正常状態では、麻酔された健常ラットの肝臓における H2O2 生成速度は、肝臓 1 g 当たり380 nmol /分と測定されている。ラット 100 g 当たりの H2O2 推定総生成量は 1,450 nmol/分であることから、H2O2 全生成量の約 75%が肝臓によるものであることが示された(Chance et al., 1979)。(出典:過酸化水素

文中、Mは、mol/L(濃度)のことです。nmolの「n」はナノです。ナノは10億分の1です。

過酸化水素は、ヒトのような酸素呼吸をして生きている細胞では普通に見られるものだとわかりました。さらに、ラットもヒトも体の仕組みに大差はないですから、特に、肝臓で多くつくられると考えてよさそうです。

血液中に入ってきたFe2+は過酸化水素からヒドロキシルラジカル(OH・)が生成しないよう、酵素によってFe3+に変えられますが、Fe3+ならよいかというと、そうではないのです。

3価鉄(Fe3+)になると錆びてしまう

日本蛋白質構造データバンク(PDBj)のフェリチンとトランスフェリンにはこのように書かれています。

水で満たされている細胞と空気中の酸素が協同して、鉄イオンを三価イオン状態にするが、これは大変水に溶けにくく、さび様の酸化物を作り出してしまう。

細胞は鉄イオンをどうにかして隔離し、必要な量を貯蔵し供給できるようにしておかなければならない。この仕事を行っているのがフェリチン(ferritin)とトランスフェリン(transferrin)である。

釘(くぎ)を雨ざらしにするとすぐに赤さびが発生しますが、体の中でも同じことが起こるのです。

赤さびのでき方

腐食のメカニズムについてでは、赤さびのできる過程が説明されています。

鉄の腐食反応は電気化学的な現象であり、この腐食メカニズムを電気化学式で示すと以下の通りとなります。

ア)鉄板表面の鉄が鉄イオンとなって溶け出す。
2Fe → 2Fe2+ + 4e

イ)鉄板内部を移動してきた電子が酸素と水とに反応し水酸イオンが生成する。
02 + 2H20 + 4e → 40H

ウ)この2つの反応から、水酸化第1鉄が生成し、更に酸素と反応し酸化第2鉄(Fe2O3=赤さび)となる。
2Fe2+ + 40H → 2Fe(OH)2

2Fe(OH)2 + 1/202 Fe203・H20

上の反応式に出てくるeは電子です。

このように3価鉄(Fe3+)は酸素と結合すると赤さびになりやすく、さびると水に溶けなくなるので細胞の中で使えなくなります。そのためにタンパク質が3価鉄(Fe3+)に結合して酸素を避けているのです。

隠れ貧血を発見するフェリチン検査は血漿に含まれるフェリチンを測定する

JA 尾道総合病院のサイトにフェリチン検査が予約できますという記事がありました。血液検査のオプションとして案内されています。

フェリチンを測定することで、体に鉄がどのくらい予備があるのか【在庫】がわかります。現在、検査をしている血色素(ヘモグロビン)は、体にどのくらい鉄がまわっているか【出荷】を測定しています。

そのため、従来の検査に加え、フェリチン値も併せて測定することで鉄欠乏性貧血を早期に発見すること(=隠れ貧血の発見)が可能になります。

血漿中のフェリチン量が体内鉄貯蔵量の指標とみなされている

血漿中のフェリチン量を測定して体内の総鉄貯蔵量を予測できるのは、血漿中のフェリチン量が、体内の総鉄貯蔵量に合わせて増減するからです。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版にはこのように書かれています。

正常時のヒト血漿中には,体内の総鉄貯蔵量に見合った少量のフェリチン(50~200㎍/dL)がある.したがって,血漿中のフェリチン量は,体内鉄貯蔵量の指標と見なされている.しかし,血漿中のフェリチンが損傷された細胞に由来するのか,積極的に細胞から分泌するのかはわかっていない.

ところで、鉄はどこにあるのだろう?

鉄は大半がヘモグロビンにあります。その他に貯蔵鉄(フェリチンが)用意されています。ミオグロビンは、酸素分子を代謝に必要な時まで貯蔵する筋肉中にあるタンパク質です。

イラストレイテッド ハーパー・生化学 原書29版に表と説明がありました。

70kgの成人男子の鉄分布1
トランスフェリン3~4mg
赤血球中のヘモグロビン2500mg
ミオグロビンおよび諸酵素300mg
貯蔵鉄(フェリチン)1000mg
吸収量1mg/日
喪失量1mg/日
1同体重の成人女子では一般に、貯蔵鉄がより少なく
(100~400mg),喪失量がより多い(1.5~2mg/日)

体重70kgの健康な成人男性の体内には3~4gの鉄があり,表に示すように分布している.通常の状態では,生体は鉄の量を厳密に調節している.健康な成人男性が1日に失う鉄の量は約1mgであり,小腸からの吸収で補える程度である.

閉経前の成人女性は1日に約1.5mgの鉄を必要とし,月経で血液を失うために男子より欠乏状態になりやすい.

NOTE

鉄の吸収は、2価鉄(Fe2+)になったり3価鉄(Fe3+)になったり忙しいですが、それぞれに理由があり、よくできた仕組みだなと思います。3価鉄(Fe3+)が「さび」ないように、細胞がタンパク質を作って結合したりくるんだりするのが本当に面白い。

昔、野菜からの鉄は吸収されにくいと聞いて、「ホントかよ?」と思ったものですが、最後まで書くと「なるほどなあ」と思うようになりました。

ミネラルについては、ミネラルについての記事一覧をご覧下さい。

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