Železo bolo prvým chemickým prvkom o ktorom sa zistilo, že je prvkom esenciálnym. Najpreskúmanejšou funkciou železa v organizme je jeho účasť na dýchaní buniek, pretože železo v hemoglobíne erytrocytov, slúži na prenos kyslíka krvou z pľúc do tkanív. U človeka je hemoglobín jediným prenášačom vzdušného kyslíka O2 do mitochondrií buniek organizmu. Jeden gram hemoglobínu viaže 3,34 mg a môže viazať a preniesť 1,34 cm3 O2. Hemoglobín je červené krvné farbivo vyšších živočíchov. Skladá sa z hému (nebielkovinovej časti) a bielkoviny globínu (obr. 1) Hém má vo vnútri porfyrínového kruhu centrálne viazaný železnatý ión Fe2+.

Obr. 1. Hém.

Molekula hemoglobínu obsahuje štyri porfyrínové kruhy s železnatým iónom Fe2+. Koordinácia iónov železa je analogická ako pri cytochrómoch, je tu však voľné šieste koordinačné miesto železa, potenciálne predurčené pre molekulu kyslíka. Pred koordináciou molekuly kyslíka je ión železa v hemoglobíne vychýlený z roviny porfyrínového kruhu smerom k bielkovinovému reťazcu (≈ 80 pm). Po koordinácii molekuly kyslíka zaujme ión železa miesto v rovine porfyrínového kruhu pri súčasnej deformácii bielkovinového reťazca. Uvedený mechanizmus predstavuje príklad, ako jednoduché elektrónové zmeny (prechody z vysokospinového stavu na nízkospinový stav železa) zabezpečujú jednu z najdôležitejších biologických funkcií – dýchanie.

Zatiaľ, čo v héme hemoglobínu a myoglobínu je oxidačné číslo atómu železa stále, rýchlo sa mení v cytochrómoch: . Cytochrómy zabezpečujú transport elektrónov, pri biochemických oxidáciách v živých organizmoch redukujú kyslík. Aktívne centrum cytochrómov je hémová skupina, ktorá sa skladá z porfyrínového kruhu a atómu železa s oxidačným číslom II alebo III. Piate a šieste koordinačné miesto iónu železa obsadzuje atóm dusíka histidínového fragmentu peptidového reťazca a atóm síry metínového fragmentu. Atóm železa je teda hexakoordinovaný a preto cytochrómy nemôžu viazať molekulu kyslíka.

Zásobné železo je viazané vo feritíne a hemosideríne. Hemosiderín sa uplatňuje pri extrémne vysokom prísune železa do organizmu. Jedna molekula feritínu môže viazať až 2 000 atómov železa. Železo viazané vo feritíne odstraňuje nebezpečenstvo tvorby nerozpustných solí železa a znižuje jeho toxicitu. Na základe zisteného množstva feritínu v krvnej plazme sa určujú endogénne zásoby železa v organizme. Molekulu feritínu tvorí hydratovaný hydroxid železitý Fe(OH)3•n H2O obklopený proteínovým obalom apoferitínu.

Z feritínu môže byť železo uvoľnené interakciou s superoxidovým aniónom (), za súčasnej redukcie železa

Uvoľnené železnaté ióny Fe2+ reagujú s peroxidom vodíka H2O2 za vzniku aktívneho hydroxylového radikálu a hydroxidového aniónu

Hydroxylový radikál OH je veľmi aktívny, spôsobuje oxidáciu lipoproteínov a tak zvyšuje ich aterogenitu. Hydroxylový radikál je jedna z najreaktívnejších zlúčenín. Voľné kyslíkové radikály poškodzujú všetky typy biologických molekúl, vrátane nukleových kyselín, lipidov, proteínov a sacharidov. Súčasné výskumy sledujú funkcie voľných radikálov v organizme, ako aj ich toxické účinky.

Transportnou formou železa je transferín. Transferín sa nachádza v krvnej plazme a viaže len dva ióny železa na molekulu. Zabezpečuje prenos železa zo sleziny na miesto jej spotreby. Na železe je závislý aj rast buniek. Nádorové bunky produkujú proteíny schopné viazať železo, aby si ho zabezpečili pre svoj rast v dostatočnom množstve.

Pri uvoľňovaní železa z feritínu a naviazaní na transferín sa uplatňuje ceruloplazmín (obsahuje meď). Ceruloplazmín je schopný oxidovať Fe2+ ióny na Fe3+ióny. Železo sa do organizmu resorbuje a využíva ako železnatý ión Fe2+, ale transportuje a ukladá sa v organizme ako železitý ión Fe3+.

Ďalší typ metaloproteínov (nehémového typu) viaže železo na sulfhydrilové skupiny cysteínu, prípadne za spoluúčasti sulfidových iónov. Táto tzv. labilná síra sa uvoľňuje po okyslení ako sulfán H2S. Podľa štruktúry centra obsahujúceho železo rozlišujeme FeS-proteíny, Fe2S2-proteíny a Fe4S4-proteíny. Prvý typ metaloproteínu sa nazýva rubredoxín a ďalšie dva spoločným názvom feredoxíny.

V prvom prípade tvoria štyri ligandy iónu železa sulfhydrilové skupiny cysteínu:

V druhom, kombinácie dvoch sulfhydrilových skupín a dvoch S2− iónov:

V prípade Fe4S4-proteínov tvorí prostetickú skupinu zhluk (cluster) štyroch iónov železa a štyroch sulfidových iónov (obr. 2). Skupina je spojená s bielkovinou cysteínovými ligandami:

Obr. 2 Feredoxín

Všetky FeS-proteíny sú prenášače elektrónov a ich funkcia spočíva vo vratnej zmene oxidačného čísla železa. Uplatňujú sa pri fotosyntéze, v dýchacom reťazci a tiež v niektorých oxygenázových systémoch.

V ľudskom organizme neexistuje fyziologický systém, ktorý by ho zbavoval železa. Biologický polčas železa je 10 – 20 rokov. Denné straty železa (0,01 – 0,02 %) sú spôsobené odlupovaním črevného epitelu (0,3 – 0,6 mg), potením (0,03 mg) a močením (0,06 – 0,27 mg). Pri priemernej menštruačnej strate 60 cm3 krvi sa z organizmu vylúči 24 mg železa.

Do organizmu sa dostávajú ióny železa potravou. Ióny železa sa vstrebávajú prevažne v duodéne, len veľmi malá časť v ďalších častiach tenkého čreva. V potrave sa železo nachádza v dvoch formách (hémové a nehémové). V živočíšnej potrave je to hémové železo (Fe2+) a v rastlinnej potrave nehémové železo (Fe3+). Železité ióny Fe3+ sú ťažšie vstrebateľné ako železnaté ióny Fe2+. Z hémového železa sa vstrebe 10 – 30 % množstva prijatého v trávenine a z nehémového železa len 1 – 5 %, a navyše je vstrebávanie ovplyvnené mnohými ďalšími faktormi. Vstrebateľnosť hémového železa je menej ovplyvnená zložením potravy (prítomnosťou iných látok) ako vstrebateľnosť nehémového železa. Mäso jatočných zvierat, hydiny, aj rýb zvyšuje absorpciu hémového i nehémového železa dvoj- až štvornásobne. Napríklad špenát má lepšiu využiteľnosť železa pri konzumácii so zemiakmi, mäsom, resp. vajcom. Pravdepodobne je to vplyvom polypeptidov alebo aminokyselín.

Absorpciu podporuje aj kyselina askorbová. 1 mg kyseliny askorbovej má takmer rovnaký účinok na vstrebávanie iónov železa ako 1 g mäsa. Pomarančová šťava (bohatá na kyselinu askorbovú) zvýši absorpciu iónov železa z tráveniny až dvojnásobne Ak k bezmäsitému jedlu pridáme 100 mg vitamínu C, zvýši sa vstrebateľnosť na 377 %, pri mäsitom jedle (hamburger) sa absorpcia zvýši len o 67 %. Absorpciu iónov železa zvyšujú aj kyseliny citrónová a jablčná. Okrem organických kyselín na vstrebávanie železa priaznivo pôsobia aj aminokyseliny (histidín, lyzín a cysteín) a sacharidy. Účinnosť sacharidov klesá v rade: laktóza > sacharóza > glukóza > škrob. Ak jedlo zapíjame čajom, zníži sa absorpcia iónov železa až trikrát, pitím kávy o 40 až 60 %. Podobný účinok má aj mlieko (Ca2+ ióny). Mlieko zníži absorpciu iónov železa u dojčiat asi o 75 % v porovnaní so železom podávaným samostatne, bez mlieka. Materské aj kravské mlieko má nízke koncentrácie iónov železa, ale rozdielny biologický účinok. Dojča z materského mlieka absorbuje 50 % prítomného železa, kým z kravského len 10 %. Dojčené deti preto menej trpia na anémiu, ako deti prikrmované kravským mliekom (Sunar a pod.). Z uvedených dôvodov sa zaviedla fortifikácia dojčenskej výživy železom.

Kyselina fytová, šťaveľová, fosfáty, vláknina, vápnik, mangán i zinok sú inhibítormi absorpcie iónov železa. Je známa zlá biologická dostupnosť iónov železa z obilnín, celozrnej múky a strukovín. Z kukurice, ryže a čiernych fazúľ sa absorbuje len 0,8 – 5,7 % iónov železa. Pretože vegetariánska strava obsahuje veľa vlákniny bohatej na fytáty, tanín a sójový proteín, nezabezpečuje potrebnú vstrebateľnosť iónov železa. Ovocná vláknina neobsahuje kyselinu fytovú, a preto neznižuje vstrebateľnosť iónov železa. Pridaním surového vajca k potrave znížime absorpciu iónov železa (fosfoproteín fosvitén vaječného žĺtka), ale pridaním vareného vajca sa zvýši vstrebané množstvo i napriek zníženej absorpcii, pretože varené vajce obsahuje vstrebateľné ióny železa. Inhibítormi absorpcie iónov železa sú aj niektoré lieky, napr. antacidy (Anacid, Gastrogel…) a antibiotiká (tetracyklíny).

Absorpciu iónov železa ovplyvňuje aj celkové množstvo železa v organizme. Pri nedostatku iónov železa sa zvýši absorpcia hémového železa na 46 % (26 % pri dostatku) a nehémového železa na 22 % (2,5 % pri dostatku).