第三节 微量元素

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人体是由几十种元素组成的,含量占人体总重量万分之一以下,每日需要量在100mg以下者称为微量元素。如铁、铜、锌、碘等41种元素,其总量约占人体的0.05%。目前公认的人体必需微量元素有铁、铜、锌、碘、锰、硒、氟、钼、钴、铬、镍、钒、锶、锡等14种,绝大多数为金属元素。在体内一般结合成化合物或络合物,广泛分布于各组织中,含量较恒定。微量元素主要来自食物,动物性食物含量较高,种类也较植物性食物多。

微量元素在体内的作用是多种多样的,其主要通过形成结合蛋白、酶、激素和维生素等发挥作用。微量元素生理作用主要有以下方面:(1)参与构成酶活性中心或辅酶:人体内有一半以上的酶其活性部位含有微量元素。有些酶需要一种以上的微量元素才能发挥最大活性。有些金属离子构成酶的辅基。如细胞色素氧化酶中有Fe2+,谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)为含硒酶。(2)参与体内物质运输:如血红蛋白中Fe2+参与O2的送输:碳酸酐酶含锌、参与CO2的送输。(3)参与激素和维生素的形成:如碘是甲状腺素合成的必需成分,钴是维生素B12的组成成分等。

随着对微量元素的生物作用的不断深入研究,其在人体中的作用日益受到人们的重视,发现许多微量元素在生化、生理、营养、致癌及临床诊断中有重要意义,并揭示了一些原来病因不明、防治不易的疾病的发病机理。如缺硒导致的克山病、缺锌诱发的侏儒症、缺碘地方性甲状腺肿等。因此,对微量元素认识及检测人体中微量元素的水平,对疾病的发生、发展、诊断及防治均有重要意义。本节分别介绍一些微量元素的代谢及功能。

一、铜

成人体内含铜量约100-50mg,在肝、肾、心、毛发及脑中含量较高。人体每日需要量约1.5-2.0mg,而推荐量为2-3mg。

食物中铜主要在胃和小肠上部吸收,吸收后送至肝脏,在肝脏中参与铜蓝蛋白(coruloplasmin)的组成。肝脏是调节体内铜代谢的主要器官。铜可经胆汁排出,极少部分由尿排出。

体内铜除参与构成铜兰蛋白(见血液生化)外,还参与多种酶的构成,如细胞色素C氧化酶、酪氨酸酶、赖氨酸氧化酶,多巴胺β羟化酶、单胺氧化酶、超氧化物歧化酶等。因此,铜的缺乏会导致结缔组织中胶原交联障碍,以及贫血白细胞减少、动脉壁弹性减弱及神经系统症状等。体内铜代谢异常的遗传病目前除wilson病(肝豆状核变性)外,还发现有Menke病,表现为铜的吸收障碍导致肝、脑中铜含量降低,组织中含铜酶活力下降,机体代谢紊乱。

二、锌

人体内含锌约2-3g,遍布于全身许多组织中,不少组织含有较多锌,如眼睛含锌达0.5%。成人每日需要量为15-200mg。

锌主要在小肠中吸收。肠腔内有与锌特异结合的因子,能促进锌的吸收。肠粘膜细胞中的锌结合蛋白能与锌结合并将其转动到基度膜一侧,锌在血中与白蛋白结合而送输。锌主要随胰液、胆汁排泄入肠腔。由粪便排出,部分锌可从尿及汗排出。

锌是80多种酶的组成成分或激动剂。如DNA聚合酶,碱性磷酸酶、碳酸酐酶,乳酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶、超氧化物歧化酶等,参与体内多种物质的代谢。锌还参与胰岛素合成。近来还发现,在固醇类及甲状腺素的核受体中DNA结合区,有锌参与构成的锌指结构(详见第一章)。可推测锌在基因调控中亦有重要作用。因此,缺锌会导致多种代谢障碍,如儿童缺锌可引起生长发育迟缓,生殖器发育受损,伤口愈合迟缓等。另外,缺锌还可致皮肤干燥味觉减退等。

三、碘

正常成人体内碘含量25-50mg,大部分集中于甲状腺中。成人每日需要量为0.15mg。

碘主要由食物中摄取,碘的吸收快而且完全,吸收率可高达100%。吸收入血的碘与蛋白结合而送输,主浓集于甲状腺被利用。体内碘主要由肾排泄,约90%随尿排出,约10%随粪便排出。

碘主要参与合成甲状腺素(三碘甲腺原氨酸,(T3),和四碘甲腺原氨酸(T4))。甲状腺素在调节代谢及生长发育中均有重要作用。成人缺碘可引起甲状腺肿大,称甲状腺肿。胎儿及新生儿缺碘则可引起呆小症、智力迟钝、体力不佳等严重发育不良。常用的预防方法是食用含碘盐或碘化食油等。

四、锰

成人体内含锰量约10-20mg,主储存于肝和肾中。在细胞内则主要集中于线粒体中。每日需要量为3-5mg。

锰在肠道中吸收与铁吸收机制类似,吸收率较低,仅3?%。吸收后与血浆β1球蛋白、运锰蛋白结合而送输。主要由胆汁和尿中排出。

锰参与一些酶的构成,如线粒体中丙酮酸羧化酶、精氨酸酶等。不仅参加糖和脂类代谢,而且在蛋白质、DNA和RNA合成中起作用。锰在自然界分布广泛,以茶叶中含量最丰富。镁的缺乏较少。若吸收过多可出现中毒症状,主要由于生产及生活中防护不善,以粉尘形式进入人体所致。锰是一种原浆毒,可引起慢性神经系统中毒,表现为锥体外系的功能障碍。并可引起眼球集合能力减弱,眼球震颤、睑裂扩大等。

五、硒

硒是人体必需的一种微量元素,体内含量约14-21mg,广泛分布于除脂肪组织以外的所有组织中。主要以含硒蛋白质形式存在。人体每日硒的需要量为50-200μg。

硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH桺x)及磷脂过氧化氢谷胱甘肽氧化酶(PHGSH桺x)的组成成分。GSH桺x中每克分子酶四聚体含有4克原子硒,硒半胱氨酸的硒醇是酶的催化中心。该酶在人体内起抗氧化作用,能催化GSH与胞液中的过氧化物反应,防止过氧化物对机体的损伤。GSH桺x活力下降,线粒体不可逆地失去容积控制和收缩能力并最后破裂。缺硒所致肝坏死可能是过氧化物代谢受损的结果。PHGSH桺x与GSH桺x不同,它存在于肝和心肌细胞线粒体内膜间隙中,作用是抗氧化、维持线粒体的完整,避免脂质过氧化物伤害。此外,I型碘甲腺原氨酸5′-脱碘酶(5′ID1)也是一种含硒酶,其活性中心为SeCys,分布于甲状腺、肝、肾和脑垂体中。能催化甲状腺激素T4向其活性形式T3的转化。

近年来研究发现硒与多种疾病的发生有关。如克山病、心肌炎扩张型心肌病大骨节病、及碘缺乏病均与缺硒有关。硒还具有抗癌作用,是肝癌、乳腺癌皮肤癌结肠癌鼻咽癌肺癌等的抑制剂。硒还具有促进人体细胞内新陈代谢、核酸合成和抗体形成、抗血栓及抗衰老等多方面作用。

硒是人体必需的微量元素,但硒过多也会对人体产生毒性作用,如脱发指甲脱落、周围性神经炎、生长迟缓及生育力降低等。因此不可盲目补硒、推荐的补硒安全值为400-500μg/d。

六、氟

在人体内氟含量约为2-3g,其中90%积存于骨及牙中。每日需要量为2.4mg。

氟主要经胃部吸收,氟易吸收且吸收较迅速。氟主要经尿和粪便排泄、体内氟约80%从尿排出。

氟能与羟磷灰石吸附,取代其羟基形成氟磷灰石,能加强对龋齿的抵抗作用。

3(Ca3(PO4)2)·Ca(OH)2+2F-→3(Ca3(PO4)2·CaF2+2OH-。

此外,氟还可直接刺激细胞膜中G蛋白,激活腺苷酸环化酶或磷脂酶C,启动细胞内cAMP或磷脂酰肌醇信号系统,引起广泛生物效应。

氟过多亦可对机体产生损伤、如长期饮用高氟(>2mg/L)水。牙釉质受损出现斑纹、牙变脆易破碎等。

七、钒

钒在人体内含量极低,体内总量不足1mg。主要分布于内脏,尤其是肝、肾、甲状腺等部位,骨组织中含量也较高。人体对钒的正常需要量为100μg/d。

钒在胃肠吸收率仅5%,其吸收部位主要在上消化道。此外环境中的钒可经皮肤和肺吸收入体中。血液中约95%的钒以离子状态(VO2+)与转铁蛋白结合而送输,因此钒与铁在体内可相互影响。

钒对骨和牙齿正常发育及钙化有关,能增强牙对龋牙的抵抗力。钒还可以促进糖代谢,刺激钒酸盐依赖性NADPH氧化反应,增强脂蛋白脂酶活性,加快腺苷酸环化酶活化和氨基酸转化及促进红细胞生长等作用。因此钒缺乏时可出现牙齿、骨和软骨发育受阻。肝内磷脂含量少、营养不良性水肿及甲状腺代谢异常等。

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