Физиологическое течение беременности значительно зависит от обеспеченности рядом микронутриентов, многие из которых синергидны друг с другом. Синергидные микронутриенты, вовлеченные в гомеостаз железа, заслуживают особого внимания, так как именно от них во многом зависят эффекты железа, а соответственно и гемоглобина.
До 50% беременных имеют ту или иную степень анемии, более 90% из всех анемий — железодефицитные. В конце гестационного процесса дефицит железа развивается у всех без исключения беременных либо в скрытой, либо в явной форме [1]. Беременность предрасполагает к возникновению железодефицитного состояния, поскольку в этот период происходит повышенное потребление железа, необходимое для развития плода, связанное с гормональными изменениями, развитием раннего токсикоза, препятствующим всасыванию в желудочно-кишечном тракте железа, меди, цинка, магния, необходимых для кроветворения.
Известно, что железодефицитная анемия (ЖДА) может вызвать ряд осложнений как у матери, так и у плода: невынашивание, гипотонию и слабость родовой деятельности, преэклампсию, кровотечение в родах, гнойно-септические заболевания в послеродовом периоде, хроническую гипоксию плода, синдром задержки развития плода и др.
Несмотря на свое название, ЖДА обусловлена не только дефицитом железа.
Во-первых, белки гомеостаза железа не могут функционировать без ряда микронутриентов (витаминов группы В, аскорбиновой кислоты, ретиноидов), из которых синтезируются соответствующие кофакторы ферментов. В качестве кофакторов ферментов не менее важны ионы цинка, меди, марганца и др. Поэтому дефицит всех этих кофакторов соответствует функциональному дефициту железа.
Во-вторых, фармакокинетика и фармакодинамика железа, даже при условии достаточного потребления с пищей, изменяется в зависимости от дополнительных условий. Так, например, присутствие в пище таких широко распространенных компонентов, как фитиновая кислота (Е 391), содержащихся в крупах, бобовых продуктах, а также наличие воспалительного процесса, дефицита меди и избытка кальция снижают усвоение железа организмом [2, 3].
В-третьих, практически любое заболевание является результатом течения многофакторного патофизиологического процесса, и ЖДА у беременных не является исключением. ЖДА проявляется прежде всего анемическими симптомами, обусловленными недостаточным поступлением кислорода к тканям. Железо необходимо для синтеза гема, входящего в состав гемоглобина, — белка-переносчика кислорода. Помимо железа, в процессах биосинтеза гема участвуют многие белковые кофакторы (производные витаминов В
Необходимо учитывать, что гемоглобин активен только в составе эритроцитов, так что на анемию влияют интенсивность клеточных процессов гемопоэза и гемолиза. Медь и марганец — интегральные составляющие активных центров ферментов так называемой «дыхательной цепи», т. е. ферментов, непосредственно вовлеченных в усвоение молекулярного кислорода. Поэтому гомеостаз железа существенно страдает на фоне дефицита меди и марганца. Как видим из этого краткого обзора, железо — безусловно важный, но далеко не единственный фактор, определяющий возникновение и течение ЖДА.
Приведенные факты наглядно показывают важность синергидных микронутриентов для осуществления биологических функций железа. Хотя о существовании таких синергидных железу микронутриентов известно, по крайней мере, с 30-х годов прошлого века [4], фундаментальные молекулярные механизмы, через которые осуществляется воздействие других микронутриентов при ЖДА, не были систематизированы. В настоящей статье представлены результаты систематического биоинформационного анализа синергидных железу микронутриентов. Анализ основан на современных данных по биохимии, молекулярной биологии и фармакологии и указывает на спектр микронутриентов, необходимых для поддержания гомеостаза железа и, следовательно, для терапии и профилактики железодефицитных состояний.
В ходе исследования была проанализирована существующая информация по 23 500 белкам протеома человека, для которых установлены биологические роли. Среди 23 500 белков 1760 белков в той или иной мере участвуют в гомеостазе железа. К анализу белков гомеостаза железа был применен метод анализа функциональных взаимосвязей — новый биоинформационный подход для постгеномной биологии и биомедицины [5]. Этот метод основан на использовании аннотации генома и позволяет проводить систематические анализы взаимодействий различных биологических лигандов (нутриенты, микронутриенты, лекарства, ксенобиотики и др.) друг с другом и с белками протеома человека.
Данный метод анализа функциональных взаимосвязей позволил установить спектр микронутриентов, непосредственно необходимых для поддержания биологических эффектов железа и сформулировать соответствующие молекулярные механизмы, с указанием конкретных белков и генов (табл. 1).
Биологические функции железа в организме человека осуществляются при посредстве таких синергидных железу кофакторов, как ионы меди, цинка, кальция, марганца, кобальта, а также кофакторов ФАД (флавинадениндинуклеотид) и ФМН (флавинмононуклеотид), образующихся из витамина В
Анализ подтвердил, что большинство железосодержащих белков с перечисленными выше кофакторами участвуют, так или иначе, в процессах окисления—восстановления и связанных с этим процессах переноса электронов, ответа на гипоксию и др. Практически каждый из кофакторных синергистов железа участвует в реакциях окисления-восстановления. В табл. 1 приведены основные функции железосодержащих белков, дополнительные к уже упомянутым окислительно-восстановительным функциям.
Отметим, что приведенные в табл. 1 синергисты железа являются «кофакторными синергистами», т. е. входят, наравне с ионом железа и/или гемом, в состав белков гомеостаза железа. В то же время очевидно наличие и так называемых «физиологических» микронутриентных синергистов железа — т. е. тех, которые участвуют в тех же физиологических процессах, что и белок гомеостаза железа. Анализ таких «физиологических» синергистов железа является предметом отдельного исследования.
Перечисленные в табл. 1 «кофакторные синергисты» железа способствуют осуществлению биологических функций железа, входя в состав белков гомеостаза железа в различных сочетаниях. Например, в структуру цитохром-С-оксидазы (один из ключевых ферментов «дыхательной цепи» переноса электронов) входят ионы меди, ионы железа в составе гема. В структуру синтетазы оксида азота (NO) входят ион цинка, ион железа в составе гема, НАДФ и т. д. Информация о вхождении в состав белков протеома человека перечисленных в табл. 1 «кофакторных» синергистов железа позволила рассчитать своего рода «расстояния» между кофакторами и провести кластерный анализ взаимодействий между кофакторами-синергистами железа (рис. 1).
Кластерный анализ кофакторов-синергистов железа показал наличие двух кластеров:
— кластера «окислительно-восстановительных» кофакторов (НАД, ФАД, ФМН, железо-серные кластеры 2Fe-2S и 4Fe-4S, хинон и молибдоптерин);
— кластера «центральных» синергистов иона железа, т. е. микронутриентов, которые наиболее часто сочетаются с ионом железа или с гемом в соответствующих белках — это ионы меди, цинка, марганца и аскорбиновая кислота.
В белках гомеостаза железа ионы кальция, магния, кобальта, а также витамин, А характеризуются набором уникальных биологических свойств и не входят в описанные выше кластеры.
Наиболее типичные биологические роли белков гомеостаза железа, включающих перечисленные выше кофакторы, приведены в табл. 2. Кластерный анализ взаимодействий между биологическими ролями белков гомеостаза железа (рис. 2) указал на существование двух кластеров «окислительно-восстановительных» биологических ролей железа и его синергистов (включающих такие роли, как цепь передачи электрона, ответ на гипоксию, цитохромы Р450, ответ на этанол, аэробное дыхание, цитохром-С-оксидаза и др.), а также кластера морфогенетических ролей железа и синергистов (развитие сердца, антиапоптоз, формирование органа зрения, развитие печени, развитие нейронов, морфогенез эмбриона и др.).
Заметим, что железо в составе гема, равно как и в составе железо-серного кластера 2Fe-2S, является кофактором ферментов, контролирующих преимущественно «окислительно-восстановительные» функции железа в организме (см. рис. 2). В то же время белки, в состав которых входит железо-серный кластер 4Fe-4S в качестве кофактора, отличаются более широким спектром биологических функций, включающих также участие в цикле трикарбоновых кислот и биосинтез молибдоптерина.
В отличие от гемсвязывающих белков, участвующих преимущественно в процессах окисления—восстановления, белки, связывающие ионы железа Fe2+/Fe3+, необходимы для осуществления и многих других ролей железа. Значительная часть этих белков (рис. 3) вовлечена в транспорт ионов железа, поддержание структуры хроматина ДНК, метаболизм лейкотриенов, морфогенез глаз, биосинтез допамина из тирозина, биосинтез жирных кислот и коллагена (проколлаген-пролин-4-диоксигеназа, проколлаген-лизин-5-диоксигеназа).
Ионы меди являются одними из «центральных» синергистов железа (см. рис. 1) и прежде всего участвуют в осуществлении процессов аэробного дыхания в митохондриях за счет активности фермента цитохром-С-оксидазы. Цитохром-С-оксидаза (гены MTCO1, MTCO2) — компонент дыхательной цепи переноса электронов, катализирующей восстановление молекулярного кислорода до воды. В ходе этого процесса происходит синтез АТФ в митохондриях. Цепь переноса электронов обязательно включает гем и атом меди — кофакторы цитохром-С-оксидазы. Падение активности цитохром-С-оксидазы (вследствие генетических дефектов или глубокого дефицита железа и меди) ассоциированы с наследственной невропатией Лебера (номер 535000 по OMIM), идиопатической сидеробластической анемией (OMIM 516030) [6] и миоглобинурией (OMIM 550500).
Помимо цитохром-С-оксидазы, медь входит в состав десятков ферментов, задействованных как в окислительно-восстановительных реакциях, так и в поддержке состояния соединительной ткани, синтезе нейротрансмиттеров, активации пептидных гормонов, каскаде свертывания крови, всасывании железа и др. К наиболее известным медьзависимым белкам относятся:
— Cu/Zn-супероксиддисмутаза (антиоксидантный эффект),
— лизилоксидаза (модификация коллагена, соединительная ткань),
— дофамин-β-гидроксилаза (синтез катехоламинов),
— тирозиназа (синтез меланина, пигментация и защитные свойства кожи),
— металлоредуктазы STEAP (абсорбция железа),
— гефестин.
Медьсодержащие металлоредуктазы типа STEAP (гены STEAP1-STEAP4) являются эндосомальными ферриредуктазами, которые необходимы для эффективной абсорбции железа посредством трансферрина. Эти металлоредуктазы восстанавливают токсическое железо Fe3+ в биологически полезное, двухвалентное Fe2+ и регулируют поглощение железа и меди клетками-предшественниками эритроцитов. STEAP-металлоредуктазы также восстанавливают двухвалентную медь Cu2+ в одновалентную Cu+, являющуюся сильным восстановителем [7]. Недостаток активности металлоредуктазы STEATP4 связан с резистентностью к инсулину [8] и с развитием артрита через регулировку провоспалительных цитокинов [9]. Кофакторами ферментов являются ФАД и НАД — производные витаминов В
Гефестин — медьзависимый белок гомеостаза железа. Гефестин является ферроксидазой и обеспечивает взаимопревращения двух- и трехвалентного железа. Белок содержит 6 ионов меди и регулирует поток железа, связанный с транспортом через ферропортин.
Ярковыраженные синергидные взаимоотношения между ионами железа и цинка достаточно сложны. Во-первых, ион цинка является «кофакторным» синергистом иона железа: т. е., многие белки гомеостаза железа связывают и ион железа, и ион цинка. Эти белки поддерживают процессы окисления—восстановления, сохранения структуры хроматина ДНК, ответа на гипоксию (рис. 4). Во-вторых, цинк является и «физиологическим» синергистом железа и поддерживает, в частности, процессы транспорта кислорода и клеточного дыхания [10, 11].
Проведенный анализ протеома человека показал, что существует более 20 белков, которые могут выполнять свою биологическую функцию только при адекватных уровнях ионов цинка и железа. Заметим, что из этих белков только отдельные белки задействованы в регулировании кислородного баланса и, следовательно, участвуют в патогенезе ЖДА. Остальные Zn, Fe-связывающие белки контролируют самые разнообразные биологические функции (табл. 3).
С точки зрения патогенеза ЖДА, особый интерес представляет синергизм между железом и цинком, обеспечивающий реакцию клеток на гипоксию. Эглнин-1 (известен также как «пролилгидроксилаза 2-го фактора гипоксии») является сенсором кислорода в клетке. При связывании одной молекулы кислорода, эглнин включает гидроксилирование пролиновых остатков фактора гипоксии (HIF-1), помечая этот белок для убиквитинзависимой деградации, модулируя тем самым реакцию организма беременной и плода на гипоксию [12]. Реакция гидроксилирования пролинов в белке HIF-1 происходит в соответствии с уравнением L-пролин + 2-оксоглутарат + O
Как было отмечено ранее, цинк является не только «кофакторным» синергистом железа, но также и «физиологическим» синергистом железа. Ионы цинка необходимы для функционирования многих сотен ферментов, участвующих в различных физиологических процессах, в которых также участвует и железо: транспорт кислорода и клеточное дыхание, антиоксидантная защита и др. Например, цинк входит в состав пространственной структуры NO-синтетаз – ферментов, необходимых для синтеза нейромедиатора и вазодилататора оксида азота. Ион железа является частью каталитического центра в составе гема, а ион цинка необходим для стабилизации пространственной структуры NO-синтетазы [13].
Наиболее важным представляется физиологическое взаимодействие железа и цинка на уровне дыхательной системы (обмен O
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 O
Помимо ионов меди и цинка, к «центральным» кофакторным синергистам железа также относятся аскорбиновая кислота и ионы марганца (см. рис. 1). Белки, связывающие аскорбиновую кислоту и железо, участвуют в таких физиологических процессах, как ответ на гипоксию, синтез коллагена (проколлаген-лизин-5-диоксигеназа, проколлаген-пролин-4-диоксигеназа, проколлаген-пролин-3-диоксигеназа) и биосинтез карнитина (рис. 5).
Анализ показал, что марганецсвязывающие белки гомеостаза железа необходимы для метаболизма гликогена и также для осуществления активности сигнальных белков серин/треонинфосфатаз, способствующих внутриклеточной передаче сигнала от рецепторов. Большинство белков вовлечены в ответ на гипоксию (табл. 4).
Серин-треонин-фосфатазы (S/T-фосфатазы, гены PPP1CA, PPP2CA, PPP2CB, PPP4C, PPP5C, PPP6C и т. д.) — ферменты, гидролизующие фосфорилированные формы остатков серина и треонина белков. Активность S/T-фосфатазы-1 необходима для деления клетки, метаболизма гликогена, мышечного сокращения и синтеза белка. Так как и марганец, и железо необходимы для активности S/T-фосфатаз, то дефицит этих элементов будет приводить к замедлению роста клеток (в том числе эритроцитов) и, следовательно, к микроцитарной ЖДА.
Гуанилатциклазы (гены GUCY1A2, GUCY1A3, GUCY1B2, GUCY1B3) модулируют передачу сигнала от окиси азота (NO). NO, наименьшая из сигнальных молекул, диффундирует внутрь клеток гладкой мускулатуры и активирует гуанилат-циклазу. Гуанилатциклаза производит циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) из гуанозинтрифосфата (ГТФ). Молекулы цГМФ активируют протеинкиназу G (PKG), фосфорилирующую белки, которые регулируют уровни кальция, чувствительность мышечной клетки к кальцию, гиперполяризацию клетки через калиевые каналы, актин, миозин, что и приводит, в конечном счете, к вазодилатации [14]. Менее известен факт, что гуанилатциклазы также могут выступать как сенсор обеспеченности тканей кислородом, т. е. имеют непосредственное отношение к предотвращению анемии [15]. Для каталитической активности гуанилатциклаз необходим гем как кофактор; ионы марганца активируют фермент [16].
Ионы-транспортеры типа DMT (транспортер двухвалентных металлов, гены SLC11A1, SLC11A2) важны для транспорта двухвалентных ионов металлов и прежде всего железа и марганца. Эти ионные транспортеры вовлечены в адсорбцию железа в дуоденальных энтероцитах и также в транспорт железа внутрь клеток-предшественников эритроцитов. DMT-транспортеры влияют на накопление железа и марганца в печени и других органах. Дефекты в генах транспортеров приводят к гипохромной анемии (код по OMIM 206100), характеризующейся субнормальным содержанием гемоглобина в эритроцитах и малым размером последних.
Малатдегидрогеназа (ген MЕ3) — один из ферментов, вовлеченных в аэробное клеточное дыхание. Этот фермент расположен в матриксе митохондрии и связывает две ветви метаболизма сахаров: гликолиз и цикл трикарбоновых кислот («цикл Кребса»). Малатдегидрогеназа имеет НАДФ (никотинамиддинуклеотид, производное витамина РР) и ионы марганца в качестве кофакторов и катализирует превращение малата в пируват — основой субстрат цикла трикарбоновых кислот. Уровень активности различных форм малатдегидрогеназ уменьшаются при ЖДА [17].
Митохондриальная пептидаза (ген MIPEP) регулирует импорт различных белков в митохондрии, в том числе белков гомеостаза железа, таких как феррохелатаза и др. Функцией этой пептидазы является протеолиз N-концевых октапептидов импортируемых белков, что приводит к приобретению этими белками полной биологической активности (так называемое «созревание» полипептидов). Этот фермент является регулятором уровней железа: фермент стимулирует накопление железа митохондриями. Избыточное падение активности фермента приводит к потери митохондриями запасов железа [18]. Активность фермента стимулируется ионами марганца, магния и кальция.
Такие синергидные железу «окислительно-восстановительные» кофакторы, как хинон, ФАД, ФМН, НАД, помимо участия в процессах окисления, также входят в состав одного из важнейших ферментов в биосинтезе оксида азота — NO-синтетазы. Оксид азота II (NO) является важной сигнальной молекулой, модулирующей тонус сосудов, секрецию инсулина, тонус дыхательных путей, перистальтику кишечника, ангиогенез и, также, является нейромедиатором. Синтез NO в эндотелиальных клетках сосудов регулируется прямым взаимодействием эндотелиальной синтазы окиси азота с кальцийзависимым белком кальмодулином, который катализирует производство окиси азота (NO) из L-аргинина. NO-синтетаза необычна тем, что требует сразу пять кофакторов, необходимых для синтеза NO: флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), гем, тетрагидробиоптерин (BH4) и кальций в составе кальмодулина [19].
Связывание ретиноидов белками гомеостаза железа ассоциировано именно с гем-связывающими белками: из этих 19 ретиноидсвязывающих белков 16 также связывают железо в виде гема. Эти белки необходимы для ответа на гипоксию, метаболизма порфиринов (в том числе синтеза гема), ранозаживления, эмбрионального развития, сперматогенеза и морфогенеза конечностей эмбриона (рис. 6). Витамин, А (ретинол) участвует в формировании скелета плода, обеспечивает нормальное существование клеток эпителия кожи, слизистых оболочек глаз, дыхательных, мочевыводящих путей и пищеварительного тракта. При недостаточности витамина, А поражается эпителий слизистых оболочек, усиливаются процессы ороговения, развивается сухость роговицы (ксерофтальмия). Дефицит витамина приводит к замедлению развития плода во время беременности и замедлению процессов репарации и роста тканей. У беременных наблюдается поражение эмали зубов, развивается гипохромная анемия и склонность к камнеобразованию (желчные камни, нефролитиаз, зубной камень). К дефициту витамина, А ведет продолжительное несбалансированное питание и недостаток витамина в пище, особенно в зимне-весенний период [3].
Весьма уникальным и в некотором роде «экзотическим» синергистом железа является молибден, входящий в состав кофактора тетрагидробиоптерина. Тем не менее экзотичность вовсе не подразумевает «ненужность» или «избыточность». В организме человека содержится около 1 мг ультрамикроэлемента молибдена; при этом большая часть поступающего в организм элемента откладывается в печени. В результате дефицита молибдена увеличиваются уровни мочевой кислоты, повышается риск развития кариеса у беременных.
Синергидная активность ионов молибдена и железа необходима для осуществления биосинтеза молибдоптерина, активности ксантиндегидрогеназы, альдегидоксидазы, ксантиноксидазы. Связывание молибденсодержащего тетрагидробиоптерина белками гомеостаза железа необходимо для активности фермента фенилаланин-4-монооксигеназы, биосинтеза тирозина, синтазы оксида азота и регулирования артериального давления у беременных (рис. 7).
Молибденсодержащая ксантиндегидрогеназа — ключевой фермент деградации пуринов, катализирующий окисление гипоксантина в ксантин. Этот процесс способствует детоксикации организма беременной за счет устранения избытка мочевой кислоты.
Рассмотренные выше синергисты железа (медь, цинк, аскорбат, марганец, витамины В
Заключение
Таким образом, в организме гомеостаз того или иного микроэлемента не существует в отрыве от гомеостаза многих других микронутриентов [22]. Результаты настоящей работы указывают на спектр микронутриентов, необходимых для полноценного усвоения железа организмом и проявления биологических эффектов железа у беременных и плода.
Поэтому, какой бы ни была потеря железа во время беременности, ее необходимо возместить. К сожалению, с пищей поступает незначительное количество железа, и этого недостаточно. Для профилактики и лечения анемии у беременных необходимо назначение препаратов, содержащих не только железо, но и его синергисты, которые способствуют предотвращению развития дефицита железа не только у беременной, но и анемии у грудных детей.
Синергидные свойства микроэлементов в обеспечении тех или иных физиологических процессов вряд ли возможно оспаривать в свете огромного фактического материала, накопленного современной биохимией и молекулярной биологией. Однако детальные молекулярные механизмы, посредством которых микроэлементы поддерживают определенные физиологические процессы, остаются вне внимания большинства врачей. Вследствие этого в среде практических врачей часто возникают крайне упрощенные взгляды на биологические и физиологические процессы, связанные с тем или иным заболеванием. Настоящая работа восполняет существенные пробелы в этой важной области фармакологии беременных.
Препарат Витрум Пренатал Форте содержит достаточную дозу железа — 60 мг фумарата железа и многочисленные синергидные железу микронутриенты: ретинол (витамин А) 2500 МЕ, β-каротин (2500 МЕ), токоферол (30 мг), аскорбиновую кислоту (120 мг), рибофлавин (3,4 мг), пиридоксин (10 мг), никотинамид (20 мг), медь (2 мг), цинк (25 мг), марганец (5 мг) и молибден (25 мкг).
Совместное назначение органической формы железа и его синергистов позволяет использовать безопасные дозы микронутриентов и вместе с тем успешно справляться с задачей профилактики и лечения легкой степени анемии у беременной и плода.
Использование лекарственного препарата со сбалансированным содержанием железа и его синергистов (Витрум Пренатал Форте) позволяет добиться хороших результатов в лечении железодефицитной патологии, а профилактический прием во время беременности и лактации предотвращает развитие тяжелых осложнений со стороны матери и ребенка.
Витрум Пренатал Форте — сбалансированный витаминно-минеральный комплекс для подготовки к беременности и применения в течение всей беременности — способствует созданию у новорожденных более высоких запасов железа, тем самым предотвращая развитие дефицита железа и анемии у детей.