铁与能量代谢

一般正常成年人体内铁总量为3～5g，铁在几乎所有组织中都有，在肝脾中含量极高。其中约三分之二的铁以血红蛋白和肌红蛋白形式存在，在血液和肌肉中作为氧的运输载体，余下约三分之一的铁与肝脏、脾脏等器官蛋白质结合作为储备铁储存起来。此外，铁还是细胞色素氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、黄嘌呤氧化酶的重要成分，参与体内许多重要代谢过程。

生物体内的能量和物质代谢有其本身的特点：①生物体以自由能形式释放和贮存能量；②生物体内进行的物质及能量转化在恒温、近中性的水溶液中完成；③生物体内的物质与能量转化是多种多样的，每个细胞都能产生、贮存和利用自由能，以保证定时、定点、定量地提供能量和对物质进行加工；④有机物氧化反应的最终产物CO2最终由肺呼出。

5.1 运输及储存氧

血液中的血红素主要以血红蛋白的形式存在。血红素是一种卟啉类化合物，卟啉中心有一铁离子与四个氮原子配位结合，四个血红素连接起来再与四个球蛋白相连就形成血红蛋白，这种特定结构使铁离子表现出特定活性，易与氧配位结合形成配合物而不会被氧化。Hb含铁0.34%，每个红细胞含2.8亿个Hb分子，每个Hb分子由4个亚单位组成，每个亚单位以铁原子为核心，与C、H、O、N结合成亚铁血红素，再与肽链结合。每个铁原子和一个分子氧结合。可见，Hb的运氧效率是很高的。血红蛋白能与氧可逆结合，当血液流经氧分压较高的肺泡时，血红蛋白与氧结合成氧合血红蛋白；当血液流经氧分压较低的组织时，氧合血红蛋白又离解成血红蛋白和氧，从而完成把氧从肺泡送至组织的任务。因此，血红蛋白中铁参与氧的运输、交换和组织呼吸过程。Mb存在于肌肉中，每个肌红蛋白分子为单一的肽链，并含有1个亚铁血红素。在肌肉组织中，它能从血红蛋白中接受氧，并把氧储存起来，当机体氧供应不足时，可将储存的氧释放出来，供给各种氧化过程所需。

5.2 电子传递功能

有机物在生物体内氧化分解的产物是CO2、H2O和能量，即C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+能量（17.1k J·g-1）。这种氧化是与呼吸过程结合进行的。其释能过程通过线粒体内膜上的一套酶系统催化而成，此酶构成了链状反应，称之为呼吸链。有机营养物质经消化、吸收进入细胞内的线粒体，脱氢，经呼吸链的逐步传递，最后交给氧，使其变成水，与此同时产生能量供机体利用。

铁参与动物细胞内的氧化还原供能过程，是细胞色素的组成成分。细胞色素先从三羧酸循环中间途径中得到一个电子，使其中的低价铁原子氧化为高铁原子，离开线粒体膜，细胞色素氧化酶参与催化，三价铁转变为二价铁，脱下的电子再交给从三羧酸循环中脱下的氢原子，并与由血红蛋白从肺运来的氧化合成水。体内能量的释放与线粒体聚集铁的数量成正比，心、肝、肾等生理生化活动强烈的器官其细胞线粒体内铁的蓄积特别多（图1-2）。

图1-2 呼吸链的传递过程

如图1-2所示，呼吸链组成的前3种复合物中都含有铁硫蛋白（Fe-S）。Fe-S是一种重要的电子传递体，这类蛋白含有非血红素铁和对酸不稳定的硫。发生氧化过程中，铁硫蛋白中含三价铁；发生还原反应时，一个铁原子被还原成二价铁，发挥传递电子的作用。呼吸链中细胞色素的组成及电子传递顺序为b→C1→C→aa3，它们都是以血红素为中心的含铁蛋白，其分子内铁卟啉中的铁能够进行可逆的氧化还原反应，Fe2+把电子传递给Fe3+，再将电子传递给另一个Cyt，最后由Cytaa3将电子传递给O2，使氧活化成氧离子（O2-），再与介质中的2H+结合成水。

（盛小明）