عناصر کمیاب کدام‌اند؟ نقش آنها در سلامت و بیماری چیست؟

عناصر در طبیعت شکل‌های مختلف دارند و برای وظایف بدن مهم‌اند. عناصر کمیاب برای کار سلول در سطح زیستی، شیمیایی و مولکولی حیاتی‌اند؛ در واکنش‌های سلولی نقش کلیدی دارند و با کوفاکتور بودن برای آنزیم‌ها واکنش زیست‌شیمیایی را میانجی می‌شوند. همچنین مرکز اتمی تثبیت ساختار مولکولی آنزیم و پروتئین‌اند. برخی، عنصر ردی / کمیاب، نام دارند و با اتصال به مولکول ناحیه گیرنده غشا یا تغییر غشا برای جلوگیری از ورود مولکول مشخص، فرایند مهم زیستی را کنترل می‌کنند.

به‌علت مقدار اندک «ردی» نام دارند؛ ساختار سلولی را پایدار می‌کنند و کمبودشان مسیر جایگزین و بیماری را تحریک می‌کند.

کمتر از 100 سال درباره نقش عناصر بدن می‌دانیم. حدود % 98 جرم بدن از نه عنصر غیرفلزی است.

چهار الکترولیت اصلی سدیم، منیزیم، پتاسیم و کلسیم حدود % 1.89 بدن و عناصر ردی % 0.02 یا 8.6 گرم باقی را می‌سازند. این مقدار کوچک بر همه وظایف اثر بزرگ دارد.

بیشتر عناصر کوفاکتور یا کاتالیزور (تندکننده واکنش) هستند. آنزیم و پروتئین نیز مرکز تعادل ساختارند. تجمع فلز یا کمبود عنصر می‌تواند مسیر جایگزین بیماری‌زا را تحریک کند.

تعامل غیرعادی عناصر ردی علت برخی اختلالات تغذیه‌ای نیز هست.

عنصر ردی همچنین یعنی عنصر سمی در سطح بالا. آهن، روی و سلنیوم جزء اصلی آنزیم‌اند.

آهن در اتصال، حمل و آزادسازی اکسیژن نقش دارد. برخی عناصر فرایند زیستی تشکیل پروتئین‌های زندگی را کنترل می‌کنند.

طبقه‌بندی عناصر بدن:

• چهار عنصر آلی پایه: H (هیدروژن)، C (کربن)، N (نیتروژن)، O (اکسیژن) 
• عناصر عمده: Na (سدیم)، Mg (منیزیم)، K (پتاسیم)، Ca (کلسیم)، P (فسفر)، S (گوگرد)، Cl (کلر)
• کمیاب ضروری: Mn (منگنز)، Fe (آهن)، Co (کبالت)، Ni (نیکل)، Cu (مس)، Zn (روی)، Mo (مولیبدن)، Se (سلنیوم)، I (ید) 
• موجود در انسان با کار زیست‌شیمیایی هنوز نامشخص: Li (لیتیم)، V (وانادیم)، Cr (کروم)، B (بور)، F (فلوئور)، Si (سیلیکون)، As (آرسنیک)

طبقه‌بندی زیستی عناصر ردی

نویسندگان برای عناصر لازم رشد طبیعی طبقه‌بندی‌های مختلف داده‌اند.

Frieden در 1981 بر پایه مقدار بافت به میکرو، ردی و فوق‌ردی تقسیم کرد:

• ردی ضروری: بور، کبالت، مس، ید، آهن، منگنز، مولیبدن و روی.
• احتمالاً ضروری: کروم، فلوئور، نیکل، سلنیوم و وانادیم.
• حمایت‌کننده فیزیکی: برم، لیتیم، سیلیکون، قلع و تیتانیوم.

طبقه‌بندی گروهی

در بزرگسال دست‌کم 29 عنصر فلز و غیرفلز دیده می‌شود. این 29 به پنج گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

• گروه I: اجزای اصلی ماکرومولکول کربوهیدرات، پروتئین و چربی؛ کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن.
• گروه II: مواد معدنی مهم تغذیه، عناصر اصلی یا ماکرو. نیاز روزانه بزرگسال بیش از 100 mg است؛ کمبود بدون مداخله مناسب اغلب کشنده است. سدیم، پتاسیم، کلرید، کلسیم، فسفر، منیزیم و گوگرد.
• گروه III: عناصر ردی ضروری با نیاز زیر 100 mg در روز که کمبودشان بیماری‌زا و گاه کشنده است؛ مس، آهن، روی، کروم، کبالت، ید، مولیبدن و سلنیوم. ید غیرفلز و بقیه فلزند.
• گروه IV: ردی اضافی / دیگر با نقش نامشخص اما شاید مهم؛ کادمیم، نیکل، سیلیکا، قلع، وانادیم و آلومینیوم.
• گروه V: ضروری نیستند و حضورشان سمی است؛ کار شناخته‌شده ندارند. طلا، جیوه، سیانور و سرب.

عناصر ردی در آنزیم انسان

مس (Cu)

برای کار آنزیم‌های حیاتی در متابولیسم مهم است. سمیت مس در گیاه نسبت به کمبود نادر است. در جگر، صدف، میوه خشک، لبنیات، تخمه آفتابگردان، اویستر، کنجد، ارده و گوجه خشک آفتابی هست. میانگین فلز گیاه در وزن خشک 4 تا 20 mg است. بزرگسال 70 kg حدود 100 mg مس دارد؛ نیاز روزانه 2-5 mg که % 50 در گوارش جذب و بقیه از صفرا و کلیه دفع می‌شود.

مس خون عمدتاً بین گلبول قرمز و پلاسماست. % 60 در گلبول قرمز به‌صورت متالوآنزیم مس-روی سوپراکسید دیسموتاز و % 40 به پروتئین و آمینواسید دیگر سست متصل است.

مس در ساخت هموگلوبین (Hb)، متابولیسم همبند و رشد استخوان کار زیست‌شیمیایی مشخص دارد. تریپتوفانِ آمینواسید، در حضور مس ساخته می‌شود. مس به‌صورت سرولوپلاسمین به حمل آهن به سلول کمک می‌کند.

کمبود مس: کمبود طولانی به‌ویژه در رشد فعال موجب کم‌خونی،اختلال رشد، کراتینی‌شدن و رنگ مو معیوب، افت دما، عقب‌ماندگی ذهنی، تغییر اسکلت و تحلیل الاستین آئورت می‌شود.

افزونی مس: مس زیاد غذایی یا منبع دیگر تهوع، استفراغ، اسهال، تعریق و اختلال کلیه می‌دهد.

مس خون در سکته قلبی، لوسمی، تومور جامد، عفونت، سیروز، تیروتوکسیکوز و هموکروماتوز زیاد می‌شود؛ در کاهش سطح، سندرم نفروتیک، Kwashiorkor، Wilson، اسهال و استفراغ شدید رخ می‌دهد. دریافت بالای طولانی مس سرم و بافت را زیاد، استرس اکسیداتیو و اختلال برخی وظایف ایمنی ایجاد می‌کند. در برخی سرطان‌ها، عمدتاً سریع‌گستر یا متاستاتیک، کاهش مس دیده می‌شود.

آهن (Fe)

در پوسته زمین فراوان و از گیاه و حیوان قابل‌دریافت است. اسید حلالیت یونی و جذب را بالا می‌برد، پس لیمو و پرتقال کمک می‌کنند. کل آهن بدن 3-5 گرم؛ %75 خون و بقیه مغز استخوان، کبد و عضله است. 2 شکل هِم و غیرهِم دارد. هِم در هموگلوبین، میوگلوبین و سیتوکروم است. آنزیم‌های مرتبط سیتوکروم A، B، C، F 450، سیتوکروم C ردوکتاز، کاتالاز، پراکسیداز، گزانتین اکسیداز، تریپتوفان پیرولاز، سوکسینات دهیدروژناز، گلوکز 6 فسفات دهیدروژن، سوکروژن دهیدروژناز و کولین دهیدروژنازند. نیاز روزانه 1-2 mg با غذای دارای 20 mg تأمین می‌شود. فولات و اگزالات جذب گوارشی را کم می‌کنند. هنگام نیاز از غذا جذب و شکل حمل آن فریتین نام دارد. متابولیسم یکتاست، چون همئوستاز (تعادل متابولیک سلول) را حفظ می‌کند و با تخلیه ذخیره جذب بیشتر می‌شود.

کمبود آهن: کمبود این فلز مهم اختلال شدید می‌دهد؛ مهم‌ترین، کم‌خونی فقر آهن،با خستگی، آتروفی اپیتل، تحریک‌پذیری، بی‌توجهی، خستگی و فراموشی است. کمبود آهن می‌تواند نارسایی قلب بدهد.

آنمی در هند و کشورهای درحال‌توسعه دومین علت مرگ مادر است؛ %20 مستقیم و حدود %50 کل مرگ مادر مرتبط با آن است.

افزونی آهن: با تجمع زیاد چه می‌شود؟ تهوع، استفراغ، اسهال و آسیب کبد؛ نارسایی کبد، دیابت، آتروفی بیضه، آرتریت، کاردیومیوپاتی، نوروپاتی محیطی و پررنگی پوست.

بیماری ژنتیکی آهن اندک است؛ یکی ژن غیرطبیعی بازوی کوتاه کروموزوم 6 مرتبط با جایگاه آنتی‌ژن لکوسیت انسانی - A است.

سرطان و آهن، مطالعات اندکی دارند: سرطان سر و گردن، در بیماران با پیشرفت تومور، غلظت آهن خون کاهش یافت و گفته شد می‌تواند ابزار پیگیری باشد. همچنین پژوهش‌هایی وجود دارد که نقش آهن در ایجاد سرطان مری را مطرح می‌کنند.

فیبروز زیرمخاطی دهان، ضایعه پیش‌بدخیم (غیرسرطانی با امکان سرطانی‌شدن)، کاهش آشکار هموگلوبین و آهن دارد.

روی (Zn)

فلز آمفوتری فراگیر است و در محیط اسیدی یا قلیایی یونیزه می‌شود. بزرگسال 2-3 gr دارد؛ %99 درون سلول و بقیه پلاسما. نیاز روزانه 15-20 mg؛ حدود 2-5 mg / روز از پانکراس و روده دفع و از سلول لوله پروگزیمال کلیه و عرق هم دفع می‌شود.

در بارداری، کم‌آبی، سکته قلبی، عفونت و سرطان روی پلاسما کم می‌شود. کار بافتی وابسته به متالوپروتئیناز و مرتبط با تولیدمثل، عصب، ایمنی، پوست و گوارش است؛ برای اسپرم‌سازی طبیعی، یکپارچگی ژنوم اسپرم، اندام‌زایی، پیام‌رسان عصبی، رشد تیموس، اپیتلیالی‌شدن زخم، چشایی و ترشح آنزیم پانکراس و معده لازم است.

آنزیم‌های مهم روی: فسفات‌های قلیایی، الکل دهیدروژناز، کربوانیدراز، گلوتامات و لاکتاز دهیدروژناز و RNA پلیمراز.

کمبود روی: اسیدوز، انسداد زیست‌ساخت پروتئین، واکنش transmutation و تخریب سلول مسدودشده با رادیکال سوپراکسید و خطر متابولیسم انرژی از علائم‌اند. روی در تکثیر، تمایز و فعالیت متابولیک مهم است و این تغییرها با پروتئین‌های متصل‌شونده روی رخ می‌دهند.

آکرودرماتیت انتروپاتیک نقص اتوزوم مغلوب جذب روده‌ای روی است. روی رشد طبیعی بارداری، کودکی و نوجوانی و تکثیر، تمایز و کار متابولیک سلول پستاندار را حمایت می‌کند.

پیام برون‌سلولی مثل استرس ردوکس، سیتوکین و عامل رشد،روی را از متالوتیونین آزاد می‌کند؛ سپس به فاکتور رونویسی حساس به فلز وصل و فعال می‌کند. فعال‌کننده H-Ras یعنی جهش‌ها، در بیشتر سلول‌ها انکوژن‌اند و تبدیل بدخیم می‌دهند؛ روی این مسیر Ras را مهار می‌کند.

کروم (Kr)

از واژه یونانی به معنی «رنگ» است؛ نام کامل کروم استیل‌استونات است.

بزرگسال 0.006 گرم و نیاز روزانه حدود 0.005 mg دارد، برای ساخت عامل تحمل گلوکز. کمبود تحمل گلوکز را مختل و افزونی نارسایی کلیه، درماتیت و سرطان ریه می‌دهد.

غله کامل، حبوبات، ادویه و گوشت فراوری‌شده غنی، لبنیات و بیشتر میوه و سبزی کم‌اند. گوشت، مرغ و ماهی حدود 2.2 μg (میکروگرم) از ضعیف‌ترین منابع‌اند؛ برخی ادویه‌ها مثل فلفل سیاه زیاد دارند.

عمدتاً ادرار و اندک مو، عرق و صفرا دفع می‌کند؛ پس از جذب راه اصلی مدفوع است.

کروم به‌ویژه با استنشاق شغلی زیاد و طولانی، سرطان‌زا،است. سرطان ریه در سیگاری و غیرسیگاری، گوارش و برخی اعصاب مرکزی نتیجه مواجهه کروم 6 ظرفیتی بوده است. داده تازه تومور پوست موش را از مواجهه مزمن آب با کروم 6 ظرفیتی همراه UV خورشید نشان می‌دهد.

اثبات کمبود با مقدار اندک خون دشوار است؛ سطح بافت 10 برابر بیشتر است.

مکمل در زیرگروه دیابت بررسی شده. مواجهه طولانی زخم مزمن پوست و در کارکنان درماتیت حاد تحریکی می‌دهد. برای کارسینوم سلول سنگفرشی دهان (سر و گردن) عامل خطر محسوب می‌شود. دود جوش، گرد فلز و گاز محرک حاوی کروم‌اند؛ جوش فولاد ضدزنگ با کروم شش‌ظرفیتی و افزایش خطر حنجره و حلق مرتبط است.

کبالت (Co)

نیاز روزانه بزرگسال 0.0001 mg و مقدار بدن حدود 1.1 g است. کبالت جزء ویتامین B12، است. جذب ید تیروئید را مهار، انتقال آنزیمی مانند هموسیستئین متیل‌ترانسفراز را کنترل و در متابولیسم متیونین نقش دارد.

کمبود کبالت: کاردیومیوپاتی، نارسایی احتقانی، مایع پریکارد، پلی‌سیتمی و بزرگی تیروئید می‌دهد.

بیشتر تولید برای سوپرآلیاژ شکل فلزی است. «فلز سخت» کاربید تنگستن با ماتریس کبالت (% 5-20) و نیکل (% 0-5) و کاربید تنگستن (% 80-95) است.

رژیم منبع اصلی عموم است؛ گوشت، جگر، کلیه، اویستر و شیر. ماهی اقیانوس و سبزی دریایی دارند، سبزی خشکی اندک دارد.

از دهان، تنفس و پوست جذب می‌شود. جذب گوارشی وابسته به دوز است؛ چند µg / kg تقریباً کامل، دوز بیشتر کمتر جذب می‌شود. سطح معمول بدن 80-300 mcg است؛ در گلبول قرمز و پلاسما و کبد، کلیه، طحال و پانکراس ذخیره می‌شود. مفید و مضر است؛ به‌عنوان جزء B12 برای سلامت لازم است. کمبود با کاهش B12 خستگی، اختلال گوارش و عصب‌عضله می‌دهد. از ادرار و مدفوع دفع و مستقل از راه مواجهه، تنفس، تزریق یا بلع، بیشترش سریع دفع می‌شود.

منگنز (Mn)

مقدار غذایی متفاوت؛ بیشترین در چَرَز، غله و حبوبات، کمترین گوشت، طیور و دریایی است. قهوه فوری و چای نسبتاً زیاد دارند. بزرگسال 15 mg و نیاز روزانه 2-5 mg دارد.

فعال‌کننده آنزیم است. بافت پرمیتوکندری و رنگدانه مثل شبکیه و پوست تیره زیاد دارد. استخوان، کبد، پانکراس و کلیه معمولاً از بافت دیگر بیشتر و استخوان بزرگ‌ترین ذخیره است.

کمبود منگنز: با افزایش زمان پروترومبین اختلال خون‌ریزی می‌دهد؛

افزونی منگنز: تجمع طولانی، بی‌اشتهایی،بی‌تفاوتی، سردرد، گرفتگی پا، اختلال گفتار، انسفالیت، سندرم پارکینسون‌مانند و گاه روان‌پریشی می‌دهد.

سلنیوم (Se)

رابطه سلنیوم با سرطان‌های دهان هنوز به‌طور کامل روشن نشده است، اما شواهدی از ارتباط سلنیوم با سندرم Keshan وجود دارد.

در سرطان کولون، معده، پانکراس و سیروز خون کم است. دریافت زیاد ممکن است Keshan بدهد که با شوک قلبی حاد و مزمن، قلب بزرگ، نارسایی احتقانی و آریتمی ظاهر می‌شود.

- سلنیوم و سرطان (مفصل)

فلوئور (F)

فلوئور سبک‌ترین عنصر گروه VII جدول تناوبی با عدد اتمی 9 است. در بافت سخت مانند استخوان و دندان مهم است؛ به ساخت استخوان متراکم کمک می‌کند و فلوراید برای درمان پوکی استخوان پیشنهاد شده است. تصور می‌شود همراه کلسیم فعالیت استئوبلاستی (استخوان‌ساز) را تحریک کند. کمبود، پوسیدگی بیشتر و شاید پوکی استخوان می‌دهد. سطح بالا فلوروز (بیماری استخوان) و لکه دندان ایجاد می‌کند. مقدار خوراکی کشنده 35-70 mg F / kg وزن بدن است.

سمیت حاد سریعاً درد شکم، اسهال، استفراغ، بزاق و تشنگی زیاد می‌دهد. مزمن از آب با مقدار کمتر در طولانی‌مدت است؛ بیش از 8 ppm روزانه برای سال‌ها فلوروز دندان و اسکلت می‌دهد. شدید معمولاً اقلیم گرم با آب پر‌فلوراید است. تراکم استخوان آهسته بیشتر، مفصل سفت و دردناک می‌شود.

ید (I)

ریز‌مغذی ضروری همه عمر، به‌ویژه جنینی و کودکی زودرس است. جزء هورمون تیروکسین (T4 تترایدوتیرونین) و (T3 تری‌یدوتیرونین) و مهم برای پاراتیروئید است.

رشد و تکامل عمومی را حمایت می‌کند؛ نقش متابولیک باعث گستردگی علائم کمبود است.

کمبود شدید ید، معمولاً گواتر با اختلال تیروئید می‌دهد.

خستگی شدید، کندی جسم و ذهن، وزن‌گیری، پف صورت، یبوست و خواب‌آلودگی از علائم‌اند.

بار ید زیاد، هم مضر و هم کم‌شایع‌تر است. ید آلی از ادرار دفع می‌شود؛ در سالم با جلبک 1-5 mg، همه طی 48 ساعت دفع می‌شود. فقط دوز آلی بسیار بالا بر تیروئید زیان دارد؛ تیروتوکسیکوز، تیروئیدیت مزمن، هاشیموتو و پرکاری و حتی افزایش خطر سرطان می‌دهد.

- کمبود ید چیست؟ علائم، درمان و رابطه با سرطان پستان

فنون شناسایی عنصر ردی

اخیراً مقدار عناصر کمیاب در مواد غذایی و بافت‌ها برای پژوهشگران جالب شده است. چنین سنجشی فراتر از روش معمول آزمایشگاه، حساسیت و تحلیل دقیق می‌خواهد. بیشتر عناصر با کمک روش رنگ‌سنجی و طیف‌نگاری برآورد می‌شوند. 

• طیف‌سنجی جذب اتمی
• طیف‌سنجی گسیلی 
• تحلیل فعال‌سازی نوترونی
• روش الکتروشیمیایی
• طیف‌سنجی جرمی رقیق‌سازی ایزوتوپی
• طیف‌سنجی فلورسانس پرتو X اتمی

در نتیجه، فهم تعامل عنصر ردی و فلز، علت بیماری و تشخیص سریع و درمان مؤثر را ممکن می‌کند. اما افزونی تقریباً همه آنها نیز مشکل جدی می‌دهد؛ پس مکمل ویتامین و معدنی را بدون ضرورت پزشکی اثبات‌شده توصیه نمی‌کنیم.

*

- مکمل ویتامین و معدنی – دانستنی پزشک و مصرف‌کننده