鐵在體內是如何消化吸收的？

1和近端小腸(十二指腸和空腸)是鐵吸收的主要部位，是調節鐵平衡的關鍵環節。動物消化道的其他部位，如胃、回腸、盲腸等，也能吸收少量的鐵。達雷爾在1965中使用了結紮小腸段的技術，得到了如下結果:十二指腸>；回腸>；中腸>胃。可見，動物的整個消化道都可以吸收鐵，但主要吸收部位是十二指腸[1]。雖然鐵可以被整個消化道吸收，但動物攝入的鐵只有壹小部分(5% ~ 8%)被吸收，其余隨糞便通過腸道排出體外。人體約三分之二的鐵存在於紅細胞的血紅蛋白和肌肉的肌紅蛋白中，20%的鐵以不同形式存在於肝、脾等組織中，其余以不能利用的形式存在於肌球蛋白、纖連蛋白和金屬結合酶中[2]。鐵在體內的穩定狀態主要由鐵在腸道的吸收率控制。盡管在過去的幾十年裏人們做了相當大的努力，並相繼提出了各種假說，如載體轉運和離子通道，但小腸粘膜吸收鐵的機制壹直不清楚。壹般認為，鐵通過轉鐵蛋白(Tf)和轉鐵蛋白受體(TfR)的經典途徑被許多組織和細胞吸收(或攝入)[2]。即三價鐵先與Tf結合，然後二者結合與細胞表面的TfR結合。鐵經過內吞、酸化、釋放和易位，進入細胞質，最終被細胞用來合成血紅蛋白等物質。而小腸腔表面的吸收性上皮細胞中沒有TfR表達，因此鐵不可能通過TF-TFR的經典轉運途徑經小腸進入體內。近年來出現了DMT 1(二價金屬轉運蛋白1，二價金屬離子轉運蛋白)和DCb(十二指腸細胞色素b，腸細胞色素b)，MTP 1(金屬轉運蛋白1)，Fp1(鐵轉運蛋白1，膜鐵轉運蛋白1)和HP(膜鐵轉運蛋白輔助蛋白)等與鐵轉運有關的蛋白。這些蛋白質的發現是近年來鐵代謝領域的最大突破，也對小腸如何吸收鐵這壹重要問題給出了基本答案。新的研究證實，DMT1和DCb蛋白參與了粘膜鐵吸收的過程(鐵通過腸吸收上皮細胞的頂部進入細胞)，而Fp1和Hp參與了粘膜轉運的過程(從腸上皮細胞的基底側到血液循環)。近年來，國外學者從腸道中純化出壹種新的鐵結合蛋白——移動鐵蛋白(Mf ),並發現了Mf2整合素的壹種新的鐵轉運途徑。同時提出了新的腸道鐵吸收理論[3]。但是這些新的假設和理論都需要在未來得到進壹步的驗證。2鐵的生理功能鐵對動物有多種功能，主要表現在以下幾個方面:鐵是血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素和各種氧化酶的重要成分，作為氧的載體，保證氧在機體組織中的正常運輸；血紅蛋白中的鐵對於維持身體各個器官組織的正常生理功能是不可或缺的；鐵在胎盤中以轉鐵蛋白的形式存在；它以乳鐵蛋白的形式存在於哺乳動物的乳汁、胰液、淚液和白細胞細胞質中。它以鐵蛋白和血紅素的形式存在於肝臟中；存在於鳥類和爬行動物卵蛋白中的卵轉鐵蛋白；而且鐵還是體內許多代謝酶的活性成分，如:鐵硫蛋白、細胞色素、細胞色素氧化酶、過氧化物酶等。鐵與壹些酶的活性密切相關，如乙酰輔酶a、琥珀酸脫氫酶、黃嘌呤氧化酶、細胞色素還原酶等，這些酶在細胞生物氧化過程中起重要作用。現代研究證明，鐵與能量代謝密切相關，因為三羧酸循環中壹半以上的酶和因子含有鐵或只有鐵存在時才能發揮其生化作用，完成其生理功能；鐵還影響動物的蛋白質合成和免疫功能。缺鐵或鐵利用不良，會導致氧的運輸和儲存、二氧化碳的運輸和氧化還原等代謝過程的紊亂，影響生長發育，甚至引起貧血等各種疾病。缺鐵性貧血發生在身體鐵儲存或攝入不足，或因寄生蟲感染而缺鐵，或紅細胞分解速度快於合成速度的情況下。貧血可以發生在生長的任何階段，需要人工補鐵。3影響動物吸收利用鐵的因素動物補鐵的效果受多種因素的影響，可以概括為動物本身、飼料和鐵的狀態三個方面[4]。3.1不同種類的動物對鐵的吸收和利用有很大差異。不同的動物，如反芻動物和單胃動物，其日糧組成和消化道結構不同，對鐵的吸收和利用也明顯不同。而同壹動物的不同物種之間、同壹物種的不同性別之間(人類除外)對鐵的吸收利用沒有明顯差異。幼小的畜禽(尤其是新生的)容易缺鐵，這是由於它們體內鐵的儲存量相對較低。因此，幼齡畜禽的鐵吸收利用率高於成年畜禽。隨著年齡的增長，鐵的吸收減少，鐵在組織器官中的沈積也減少。不同生理狀態下動物對鐵的吸收和利用也有很大差異，如妊娠雌性動物鐵吸收率增加(Robert，1977；馬尼斯，1962).動物的胃腸環境也會影響鐵的吸收。當腸腔內pH值大於4時，鐵離子與氫氧根離子形成不溶性的羥基絡合物聚合物，從而降低其吸收利用率。3.2飼料方面，飼料中的鐵含量影響鐵的吸收和利用，日糧中鐵含量減少，鐵吸收增加，反之亦然。我國飼料中鐵含量的特點是:動物飼料中鐵含量最高，其次是麩皮、餅粕和草粉，豆類和谷物中含量最少(杜榮1989) [7]。同壹種飼料的鐵含量差異很大。因此，在實際應用中，應以實測值為基礎。總的來說，植物性飼料中鐵的吸收利用率低於動物性飼料(楊文政1993) [1]。比如玉米、大豆、小麥鐵的吸收率只有1-5%，而魚(11%)、牛肉(22%)、牛肝(14-16%)等動物飼料鐵的利用率要高得多。這主要是因為動物飼料中的壹些鐵以血紅素鐵的形式存在，血紅素鐵的吸收代謝特性決定了其吸收利用率高於非血紅素鐵。此外，飲食中的成分影響鐵的吸收和利用。當飼料中富含維生素C、A、B等還原性物質、動物蛋白、某些氨基酸(如組氨酸、賴氨酸、半胱氨酸)和糖類時，可提高鐵的吸收利用率。同時，壹些有機酸(如飼料中的草酸、植酸腦殼磷酸鹽)和纖維素能與鐵形成不溶性鐵鹽，阻礙鐵的吸收利用。飼料中存在棉酚和高濃度的鋅、錳、碘、銅、鈷時，也會降低鐵的吸收利用率[8]。3.3在鐵的實際生產中，通常選擇二價鐵作為鐵添加劑，因為含有三價鐵的化合物的生物利用率極低。當溶液pH=7時，溶液中二價鐵的濃度可達1M，而三價鐵幾乎不溶。當溶液pH >:4時，三價不溶。所以，鐵能否被被動物吸收利用，取決於它的溶解度。但在小腸的pH環境中，只有二價鐵是可溶的，所以在腸腔中，鐵要先還原成二價鐵，才能被機體吸收利用。此外，不同鐵補充劑的生物效價是不同的，壹般來說，亞鐵化合物優於鐵化合物。同樣是二價鐵化合物，不同化合物的生物效價也不同[9]。4鐵吸收利用的技術研究進展隨著相關學科的發展，鐵吸收利用的研究技術發展迅速，大致可分為三個階段:傳統平衡試驗階段、同位素應用階段和細胞生物學技術應用階段[10]。4.1平衡試驗平衡試驗是測量動物在壹定時間內鐵的攝入和排出量，從而得到動物吸收或利用的量。這種方法的原理和操作簡單，所需的測試設備也不復雜，只要能準確分析出樣品的鐵含量，準確記錄食物的攝入和排出即可。但其缺點也很明顯，因為動物對鐵的需求量很小，在動物體內的排泄量很低，再加上實驗誤差的幹擾，很難獲得真實可靠的數據[1]。但這種方法仍然是研究動物對某些營養物質吸收利用的經典方法:可以延長實驗周期，使動物自然生長，使實驗結果更接近自身的生理條件，這是其他任何方法都無法替代的。4.2同位素示蹤技術的應用Georgede於1924年首次將放射性同位素應用於動物研究，但直到20世紀50年代，放射性同位素和輻射技術才被廣泛應用於動物代謝和臨床研究。Moore(1951)首次用55 Fe標記研究了鐵在不同食物中的吸收利用。此後，利用該技術對膳食原料中鐵的吸收利用研究取得了很大進展，技術不斷發展和完善，最終形成了內標和外標兩個獨立的研究體系。庫克(1972)已經詳細講解了兩個系統的具體實現過程以及各自的優缺點[10]。利用同位素示蹤技術研究不同鐵化合物中鐵的生物價態和吸收利用主要有兩種方法:壹種是外標法，即外翻腸囊法，即將小腸從活體中取出並分成不同的段，將每段外翻成膠囊，放入培養液中壹段時間，取出後放入裝有被測物質的燒瓶中，觀察被測物質在腸粘膜、漿膜和腸體內的變化。該技術操作簡單，速度快，成本低，還能詳細觀察鐵進入腸粘膜和漿膜的變化規律。缺點是小腸的功能不能正常發揮作用，因為是在非生理條件下進行的(無備註，無供血)。另外，僅限於鐵吸收的研究，無法研究鐵在動物體內的進壹步代謝。二是內標法，根據向動物體內導入鐵的方法分為兩類，壹類是直接餵食或通過胃管導入鐵，另壹類是十二指腸灌註。當以動物為對象時，主要使用後者，而前者主要用於人體研究。該方法具有試驗周期短、操作簡單、可在動物身上進行等優點，已被研究者廣泛應用(Wheby，1970；亨格福德，1983；辛普森，1996；範坎彭，1973；休伯斯，1983).周等(2000)采用原位結紮腸段和灌流技術結合放射性同位素示蹤技術研究了氨基酸螯合鐵在大鼠體內的吸收特性，認為放射性同位素示蹤技術結合結紮十二指腸段和灌流技術是研究動物對微量元素吸收的理想實驗手段[10]。4.3細胞培養技術的應用細胞培養是壹種在體內人為提供模擬生理條件，使細胞在體外繼續生長繁殖的實驗技術。利用細胞培養進行研究有其獨特的優勢。首先，體外培養的細胞不受生物體復雜環境因素的影響，便於控制實驗條件和進行單因素試驗；其次，在實驗中可以直接觀察到細胞的變化；第三，可以提供大量同質細胞用於研究。20世紀90年代以來，細胞培養和同位素示蹤技術的有機結合被用來研究鐵的吸收特性。Carcia(1996)研究了細胞的培養條件、時間以及作為模型研究鐵的吸收利用的可行性。Glahn(1997)利用細胞培養研究了幾種氨基酸對細胞鐵吸收的影響。結果表明，細胞培養技術是研究細胞鐵吸收的有效方法，但不能用於研究細胞鐵轉運[10]。近年來，我國細胞生物學技術發展迅速。借助同位素示蹤技術，將細胞培養用於動物營養研究成為可能。但由於技術要求高，且為體外培養，不能完全反映機體的真實情況，因此該技術在國內尚未見報道。5鐵對基因表達的調節鐵可以通過控制轉鐵蛋白和鐵蛋白mRNA的穩定性和mRNA的翻譯來調節基因的表達[11][12]。轉鐵蛋白受體和鐵蛋白在細胞鐵代謝過程中具有非常重要的作用。5.1鐵含量對轉鐵蛋白基因表達的調控轉鐵蛋白是血清中轉運鐵的蛋白質，它將鐵從肝臟轉運到網織紅細胞中以合成血紅蛋白。當飲食中血紅蛋白合成量不足時，身體需要更多的轉鐵蛋白來加快鐵的運輸。Mcknight等人(1980)發現，飲食中缺鐵會導致血清轉鐵蛋白含量迅速升高，肝臟轉鐵蛋白基因的mRNA含量增加到正常水平的2.5倍[11]。因此，可以認為缺鐵引起的轉鐵蛋白基因表達的增強是通過提高轉錄水平實現的。在日糧中補充鐵時，轉鐵蛋白基因的mRNA含量和蛋白質合成在3天內恢復到正常水平，雞肝中鐵的儲存量也增加[13]。在血液中，鐵和轉鐵蛋白(Tf)以復合物的形式轉運，轉鐵蛋白通過與細胞表面的特異性轉鐵蛋白受體(TfR)結合釋放到細胞中。轉鐵蛋白受體是壹種由非二硫鍵連接的跨膜糖蛋白，由兩條相同的肽鏈組成，每條肽鏈的分子量為95KD。TFR-TF-鐵復合物通過細胞內小泡的內化從細胞膜進入細胞液。鐵保留在胞質溶膠中，TFR-TF復合物通過再循環回到細胞表面。事實上，所有細胞表面都有特征性的轉鐵蛋白受體，成熟紅細胞是少數例外。然而，正常成人中約80%的受體固定在紅骨髓中的紅細胞前體上。血清或血漿中的可溶性TfR是組織受體的壹種分離形式，主要來源於成熟過程中脫落的未成熟紅細胞。細胞表面轉鐵蛋白受體的數量反映了與之相關的可用細胞鐵的需求。因此，鐵供應的減少將迅速導致TfR合成的調整。有證據表明，感染或炎癥性疾病不會引起血清轉鐵蛋白(sTfR)濃度的任何顯著變化。因此，sTfR測定的臨床解釋比鐵蛋白測定更簡單、更可靠。STfR壹直被認為在臨床上特別有用，包括區分缺鐵性貧血和慢性病引起的貧血(感染、炎癥性疾病或腫瘤引起的貧血)以及識別孕婦缺鐵。在壹些簡單的情況下，鐵蛋白主要用於消耗或減少體內儲存的鐵，sTfR用於指示組織水平的鐵供應減少。因此，sTfR被認為是指示缺鐵紅細胞生成期的第壹指標。有證據支持使用sTfR來確定亞臨床貧血。近年來，缺鐵已成為壹個新的研究領域。即使在貧血尚未出現時，sTfR濃度的測定也提供了有關鐵儲存的有價值的信息。有助於缺鐵性貧血與其他貧血，特別是慢性疾病引起的非缺鐵性貧血的鑒別診斷。還發現sTfR的值可以預測貧血患者對促紅細胞生成素(EPO)治療的反應。5.2鐵含量對鐵蛋白基因表達的調節鐵以鐵蛋白的形式儲存在肝臟中。鐵蛋白是壹種由20個亞單位組成的蛋白質，周圍有大量的鐵離子。鐵的營養狀況可以影響鐵蛋白mRNA的翻譯速度和轉鐵蛋白mRNA的穩定性(Klausner，1989) [14]。鐵對鐵蛋白基因表達的調節與轉鐵蛋白基因正好相反。鐵含量越高，鐵蛋白基因表達越強。鐵可以促進鐵蛋白的生物合成，這種調節不發生在轉錄水平。Zabringer等人(1976)發現，這是因為當鐵含量較低時，鐵蛋白的亞基與基因的mRNA結合，使後者不能與核糖體結合，從而抑制了基因的表達。當鐵含量增加時，鐵蛋白亞基與鐵離子結合，從而可以刺激基因的mRNA與核糖體結合，開始大量表達鐵蛋白[15]。鐵蛋白受體可以調節細胞對鐵的吸收。鐵通過鐵-轉鐵蛋白受體分泌釋放到內體中；鐵和鐵蛋白結合可以儲存鐵。利用核酸雜交技術，發現鐵營養狀況對鐵蛋白mRNA水平沒有影響。利用缺失分析技術，科學家已經確定了鐵蛋白mRNA中控制翻譯速率的甜瓜元件(Aziz et al .，1987；Hehtze等人，1987) [17]。體外研究表明，在小鼠成纖維細胞或小鼠肝癌中表達完整的人鐵蛋白cDNA時，也可合成正常的人鐵蛋白，其合成量可隨培養基中鐵含量的不同而變化約100倍(Aziz等，1987；Hehtze等人，1987)。與鐵蛋白不同，鐵蛋白受體合成的變化與細胞質中的mRNA壹致(Klausner，1989)，但鐵對mRNA轉錄沒有影響。這說明mRNA的變化明顯是鐵對mRNA穩定性的影響引起的。轉鐵蛋白控制mRNA穩定性的核苷酸元件位於mRNA的3 '非翻譯區，包含680個核苷酸片段和五個環狀結構。當第二或第三環元件被轉移到5’非翻譯區時，它們也可以像鐵蛋白壹樣起翻譯調節元件的作用。鐵反式作用反應元件可以作為細胞質中的鐵結合蛋白受體(Koeller等，1989) [17]。當結合蛋白與5’元件結合時，翻譯被阻斷，而當結合蛋白與3’元件結合時，mRNA的穩定性可以提高。與鐵反應元件的結合依賴於鐵結合蛋白的親和力。培養無鐵細胞時，50%的鐵結合蛋白處於高親和力狀態，因此轉鐵蛋白mRNA的穩定性增加，鐵蛋白與RNA之間的翻譯減少。相反，鐵豐富時，高親和力形式僅在1%以下，有利於鐵蛋白mRNA的翻譯。鐵結合蛋白可以在翻譯水平調節基因表達。當細胞缺鐵時，翻譯的起點被鐵反應元件覆蓋，鐵反應元件作為負調節因子，使翻譯無法進行。但是，當細胞內存在鐵時，它與反應元素結合，導致mRNA的翻譯起始位點暴露，從而可以進行翻譯。很多mRNA翻譯都是營養物質這樣調控的[15]。5.3血漿轉鐵蛋白含量的變化及其與增重率的關系血清轉鐵蛋白是壹種β球蛋白，是脊椎動物運輸鐵離子的主要蛋白質。能從腸道向血紅蛋白、肌紅蛋白和各種需鐵酶轉運鐵離子，還能與Mn 2+、Cr 3+、Co 3+、Zn2+等微量元素結合。近年來，國內外壹些學者開始對畜禽Tf進行定量研究，並相繼發現了馬血漿中轉鐵蛋白含量與鐵含量平衡變化的規律；母雞血漿轉鐵蛋白含量與產蛋性能密切相關。豬血漿轉鐵蛋白與體重和日增重顯著相關[17]。這些報道開辟了Tf研究的新領域。劉麗萍發現，雜交豬的轉鐵蛋白含量與體重和日增重有關。二年級豬轉鐵蛋白含量與日增重的相關性高達0.89513，0.15，二年級豬轉鐵蛋白含量與日增重的相關性高達0.516669。轉鐵蛋白與體重的相關性也很大，分別達到0.883461，0.485559，0.445438+0 [18]。轉鐵蛋白含量與體重和日增重的相關性隨著日齡的增加而增加，與出生體重的相關性最小，與20日齡體重的相關性最大，與35日齡體重的相關性最大。有資料表明，轉鐵蛋白含量與體重和日增重的相關性在45日齡之前很大，在45日齡達到最大。45日齡以後隨著日齡的增長逐漸降低，成年豬以後穩定在壹個範圍內[19]。這種動態變化與轉鐵蛋白的功能有關。轉鐵蛋白作為細胞生長和分化的必需生長因子，在仔豬早期生長發育中起著重要作用[18]。5.4鐵對造血系統基因表達的調節金屬對基因表達的調節系統由誘導金屬(IM)-金屬效應子(MRE)-金屬效應子結合蛋白(MRE)組成。BP)，其中IM是發揮調節作用的先決條件，MRE是響應誘導金屬的效應基因(DNA或RNA)序列中的片段，以及MRD。BP是IM結合識別MRE並調節其表達的結構變化。鐵是人體必需的微量金屬元素，也是壹種重要的誘導金屬。構成壹個調節系統，不僅調節鐵自身的平衡代謝，還參與血紅素/血紅蛋白合成的壹些過程，影響血細胞的分化、增殖、成熟和功能。鐵參與的金屬調節系統有:鐵效應子結合蛋白調節系統和鐵吸收調節蛋白調節系統[20]。綜上所述，日糧中的鐵可以保證機體組織中氧氣的正常運輸，維持各個器官組織的正常生理功能，影響動物體內的蛋白質合成和免疫功能，通過調節動物基因的表達來影響動物的代謝過程，最終影響動物的生長。因此，如何選擇合適的鐵源，有效預防缺鐵的發生，在日糧配方中充分考慮動物生長、育肥或生產所需的微量金屬元素——鐵，以及鐵與基因的相互作用，並兼顧各種微量金屬元素的平衡，是今後動物營養領域需要研究的領域。