Что такое микроэлементы? Их роль в здоровье и болезни

Элементы встречаются в природе в разных формах и крайне важны для функций организма. Микроэлементы необходимы клеткам биологически, химически и молекулярно: как кофакторы ферментов опосредуют жизненно важные реакции, как атомные центры стабилизируют структуру ферментов и белков. Некоторые называются следовыми / микроэлементами называются и в клеточной мембране в области рецептора связываясь с молекулами либо изменяя структуру мембраны для предотвращения проникновения определённых молекул, контролируют важные биологические процессы.

Название отражает малое количество. Они стабилизируют клеточные структуры, а дефицит может активировать альтернативные пути и вызвать болезнь.

О роли элементов человека известно менее 100 лет. Примерно % 98 массы составляют девять неметаллических элементов.

Четыре основных / количественных электролита — натрий, магний, калий, кальций — составляют около % 1.89, а остальные % 0.02, или 8.6 грамма, — микроэлементы. Малые доли влияют на все функции.

Большинство элементов как кофакторы или катализаторы (ускорители реакций) опосредуют жизненно важные процессы. Ферменты и белки также стабилизируют структуры. Накопление металлов или дефицит может запускать альтернативный болезнетворный путь.

Аномальное взаимодействие микроэлементов может вызывать нарушения питания.

Термин также означает элемент, токсичный при повышении уровня. Железо, цинк и селен — основные части ферментов.

Железо связывает, переносит и высвобождает кислород. Некоторые микроэлементы контролируют важные процессы образования жизненных белков.

Элементы организма делят на:

• Четыре основных органических: H (водород), C (углерод), N (азот), O (кислород) 
• Количественные: Na (натрий), Mg (магний), K (калий), Ca (кальций), P (фосфор), S (сера), Cl (хлор)
• Основные микроэлементы: Mn (марганец), Fe (железо), Co (кобальт), Ni (никель), Cu (медь), Zn (цинк), Mo (молибден), Se (селен), I (йод) 
• Найденные у человека с ещё неясной биохимической функцией: Li (литий), V (ванадий), Cr (хром), B (бор), F (фтор), Si (кремний), As (мышьяк)

Биологическая классификация

Разные авторы предлагали классификации элементов, необходимых для нормального развития и роста.

Классификация Frieden (1981) по количеству в тканях на микро-, следовые и ультраследовые:

• Основные: бор, кобальт, медь, йод, железо, марганец, молибден, цинк.
• Возможно основные: хром, фтор, никель, селен, ванадий.
• Физически поддерживающие: бром, литий, кремний, олово, титан.

Категориальная классификация

У взрослого обнаружено не менее 29 разных металлов и неметаллов. Эти 29 элементов делят на пять основных групп:

• Группа I: Компоненты макромолекул углеводов, белков и липидов: углерод, водород, кислород, азот.
• Группа II: Важные пищевые минералы, основные или макроэлементы. Взрослому нужно более 100 mg в день. Без надлежащей помощи дефицит часто смертелен. Это натрий, калий, хлорид, кальций, фосфор, магний, сера.
• Группа III: Необходимые микроэлементы с потребностью менее 100 mg в день; дефицит вызывает болезнь и может быть смертельным. Медь, железо, цинк, хром, кобальт, йод, молибден, селен. Только йод не металл.
• Группа IV: Дополнительные микроэлементы, роль неясна и может быть важна: кадмий, никель, кремнезём, олово, ванадий, алюминий.
• Группа V: Необязательные металлы с токсичностью и без известной функции: золото, ртуть, цианид, свинец.

Микроэлементы ферментных систем человека

Медь (Cu)

Важна для метаболизма, обеспечивая работу критических ферментов. Токсичность у растений редка по сравнению с дефицитом. Источники: печень, моллюски, сухофрукты, молоко и продукты, подсолнечные семечки, устрицы, кунжут, тахини, вяленые помидоры. В растениях обычно от 4 до 20 mg на сухой вес. Взрослый 70 kg содержит около 100 mg меди. Потребность 2–5 mg в день, % 50 всасывается желудочно-кишечным трактом, остальное выводится желчью и почками.

Медь крови распределена между эритроцитами и плазмой. % 60 — эритроцитарный медно-цинковый металлофермент супероксиддисмутаза, % 40 слабо связаны с другими белками и аминокислотами.

Медь имеет биохимическую функцию в синтезе гемоглобина (Hb), метаболизме соединительной ткани и развитии костей. Триптофана аминокислоты синтез идёт в присутствии меди. Как церулоплазмин медь помогает переносу железа в клетки.

Дефицит меди: Длительный дефицит, особенно при активном росте, вызывает анемию, задержку роста, дефектную кератинизацию и пигментацию волос, гипотермию, умственную отсталость, изменения скелета и дегенерацию эластина аорты.

Избыток меди: Избыток из пищи или других источников вызывает тошноту, рвоту, диарею, потливость, нарушение почек.

Уровень крови растёт при инфаркте, лейкозе, солидных опухолях, инфекциях, циррозе, тиреотоксикозе, гемохроматозе. При снижении встречаются нефротический синдром, Kwashiorkor, Wilson, тяжёлая диарея и рвота. Длительный избыток повышает медь сыворотки и тканей, вызывает окислительный стресс и влияет на иммунитет. В немногих раках, чаще быстро распространяющихся или метастатических , наблюдается снижение меди.

Железо (Fe)

Железо обильно в земной коре, доступно из растений и животных. Кислота повышает растворимость ионов, поэтому лимонный или апельсиновый сок усиливает всасывание. Всего в теле 3–5 граммов, %75 в крови, остальное в костном мозге, печени и мышцах. Есть 2 формы: гемовая и негемовая. Гемовое — в гемоглобине, миоглобине и цитохроме. Ферменты: цитохромы A, B, C, F 450, цитохром-C-редуктаза, каталазы, пероксидазы, ксантиноксидазы, триптофанпирролаза, сукцинатдегидрогеназа, глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа, сукрогендегидрогеназа, холиндегидрогеназа. Дневные 1–2 mg обеспечиваются пищей с 20 mg. Фолаты и оксалаты снижают всасывание. По потребности железо всасывается, транспортная форма известна как ферритин. Метаболизм уникален поддержанием гомеостаза (клеточного метаболического равновесия). При истощении запасов всасывание растёт.

Дефицит железа: Дефицит важного металла вызывает серьёзные нарушения, прежде всего железодефицитную анемию. Утомление, атрофия эпителия, раздражительность, невнимательность, утомляемость и забывчивость характерны для неё. Дефицит может вызвать сердечную недостаточность.

Анемия — вторая причина материнских смертей Индии и развивающихся стран. %20 прямо связаны с дефицитом анемии, %50 всех смертей предположительно связаны с ним.

Избыток железа: При накоплении возникают тошнота, рвота, диарея с повреждением печени. Есть печёночная недостаточность, диабет, атрофия яичек, артрит, кардиомиопатия, периферическая нейропатия, гиперпигментация.

Генетических болезней мало. Одна связана с аномальным геном короткого плеча хромосомы 6, сцепленным с локусом человеческого лейкоцитарного антигена A.

Рак и железо исследованы немногими работами: При раке головы и шеи прогрессирование сопровождалось снижением железа крови; предложено использовать для наблюдения. Есть и работы о роли железа в раке пищевода.

Оральный подслизистый фиброз — предзлокачественное (не раковое, но потенциально озлокачествляющееся) поражение рта со значительным снижением гемоглобина и железа.

Цинк (Zn)

Повсеместный амфотерный металл, ионизируемый в кислотной или щелочной среде. У взрослого 2–3 gr, %99 внутри клеток, остальное в плазме. Дневная потребность 15–20 mg; около 2–5 mg / день выводится поджелудочной и кишечником, также проксимальными почечными клетками и потовыми железами.

Плазменный цинк падает при беременности, обезвоживании, инфаркте, инфекциях и раке. Его функции связаны с металлопротеиназами репродуктивной, нервной, иммунной, кожной и пищеварительной систем. Нужен сперматогенезу, геномной целостности спермы, органогенезу, нейромедиаторам, тимусу, эпителизации ран, вкусу, секреции панкреатических и желудочных ферментов.

Основные зависимые ферменты — щелочные фосфатазы, алкогольдегидрогеназа, карбоангидраза, глутамат- и лактаздегидрогеназа, РНК-полимеразы.

Дефицит цинка: Проявления — ацидоз, блокирование биосинтеза белка, реакция трансмутации, разрушение клеток, блокированное супероксидными радикалами, угроза энергетическому обмену. Цинк важен размножению, дифференцировке и метаболизму; изменения происходят при участии многих цинксвязывающих белков.

Генетическое нарушение — энтеропатический акродерматит, аутосомно-рецессивный дефект кишечного всасывания. Цинк поддерживает рост при беременности, в детстве и юности, важен размножению, дифференцировке и метаболизму клеток млекопитающих.

Внеклеточные сигналы, например редокс-стресс, цитокины и факторы роста, высвобождают цинк из металлотионеина. Он связывает и активирует металлочувствительные факторы транскрипции. Активирующие H-Ras мутации в большинстве клеток онкогенны и вызывают злокачественную трансформацию; этот Ras-путь подавляется цинком.

Хром (Kr)

Название происходит из греческого «цвет». Полное название хрома — ацетилацетонат хрома.

У взрослого всего 0.006 грамма, дневная потребность около 0.005 mg для синтеза фактора толерантности к глюкозе. Дефицит нарушает её, токсичность вызывает почечную недостаточность, дерматит и рак лёгкого как последствия.

Богатые источники: цельнозерновые, бобовые, специи, переработанное мясо. Мало в молочных продуктах, большинстве фруктов и овощей. Мясо, птица, рыба содержат около 2.2 μg (микрограмма), одни из слабейших источников. Некоторые специи, например чёрный перец, богаты хромом.

Хром выделяется главным образом мочой, немного волосами, потом и желчью. После всасывания главный путь — кал.

При длительном вдыхании больших количеств, особенно профессионально, хром канцерогенен. Рак лёгкого у курящих и некурящих, некоторые раки ЖКТ и ЦНС возникали после шестивалентного (6) хрома. Новые данные у мышей связывают опухоли кожи с ультрафиолетом и хроническим воздействием хрома валентности 6 в питьевой воде.

Документировать дефицит трудно из-за низких уровней крови; тканевые в 10 раз выше.

Добавки изучались в подгруппах диабетиков. Длительное воздействие вызывает хронические язвы кожи, у работников — острый раздражающий дерматит. Хром считается риском плоскоклеточного рака рта (головы и шеи). Он есть в сварочном дыме, металлической пыли и раздражающих газах. Сварка нержавеющей стали связана с большим риском рака гортани и глотки из-за шестивалентного хрома.

Кобальт (Co)

Дневная потребность взрослого 0.0001 mg. Всего около 1.1 g. Кобальт — витамина B12 компонент. Препятствует поглощению йода щитовидной железой, контролирует перенос ферментов, например гомоцистеинметилтрансферазы, участвует в метаболизме метионина.

Дефицит кобальта: вызывает кардиомиопатию, застойную сердечную недостаточность, перикардиальный выпот, полицитемию и увеличение щитовидной железы.

Большинство производства — металлическая форма для суперсплавов. «Твёрдый металл» — карбид вольфрама, соединённый с матрицами кобальта (% 5–20) и никеля (% 0–5), при содержании карбида (% 80–95).

Главный источник населения — питание: мясо, печень, почки, устрицы, молоко. Есть в океанической рыбе и морских овощах, очень мало в наземных.

Всасывается через рот, дыхание и кожу. ЖКТ-всасывание дозозависимо: малые дозы около нескольких µg / kg почти полны, большие меньше. Нормальный уровень тела 80–300 mcg. Хранится в эритроцитах, плазме, печени, почках, селезёнке, поджелудочной. Полезен как часть B12, но вреден в избытке. Дефицит уменьшает B12, вызывая утомляемость, пищеварительные и нервно-мышечные проблемы. Выводится мочой и калом; независимо от пути (вдыхание, инъекция, проглатывание) большинство быстро удаляется.

Марганец (Mn)

Содержание пищи различно: больше всего в орехах и злаках, меньше в мясе, птице и морепродуктах. В растворимом кофе и чае сравнительно много. У взрослого 15 mg, потребность около 2–5 mg в день.

Марганец активирует ферменты. Богатые митохондриями ткани и пигменты (сетчатка, тёмная кожа) обычно богаче им. Кость, печень, поджелудочная и почки содержат больше других тканей. Кость — главный резерв.

Дефицит марганца: вызывает кровоточивость из-за увеличения протромбинового времени, тогда как

Избыток марганца: длительное накопление вызывает анорексию, апатию, головную боль, судороги ног, нарушения речи, энцефалит и паркинсоноподобные синдромы. Возможен психоз.

Селен (Se)

Связь с раком рта не полностью понятна, но есть данные о связи с синдромом Keshan.

При раке толстой кишки, желудка, поджелудочной железы и циррозе селен крови низок. Повышенное потребление может вызвать синдром Keshan, проявляющийся острым и хроническим кардиогенным шоком, увеличенным сердцем, застойной недостаточностью и аритмией.

- Связь селена с раком (подробно)

Фтор (F)

Самый лёгкий элемент VII группы с атомным номером 9. Важен твёрдым тканям — костям и зубам. Помогает плотности кости, фторид предлагался для остеопороза. Предполагается стимуляция остеобластов вместе с кальцием. Дефицит увеличивает кариес и, возможно, остеопороз; избыток вызывает флюороз (болезнь костей) и пятна зубов. Смертельная пероральная доза — 35–70 mg F / kg массы.

Острая токсичность быстро вызывает разлитую боль живота, диарею, рвоту, слюнотечение и жажду. Хроническая — длительное потребление меньших количеств с водой. Более 8 ppm ежедневно годами может вызвать скелетный и зубной флюороз. Тяжёлые случаи обычно в тёплом климате с очень высоким фторидом воды. Постепенно растёт плотность кости, суставы становятся жёсткими и болезненными.

Йод (I)

Жизненно необходим на всех этапах, особенно плоду и раннему детству. Основной компонент гормонов щитовидной железы тироксина (T4 тетрайодтиронина) и (T3 трийодтиронина). Также важен паращитовидным железам.

Поддерживает рост и развитие. Из-за метаболической роли симптомы дефицита широки.

Тяжёлый дефицит йода обычно вызывает зоб с нарушением щитовидной железы.

Симптомы: крайнее утомление, замедление физических и умственных процессов, набор веса, отёк лица, запор и сонливость.

Избыточная йодная нагрузка вредна, но встречается реже. Органически связанный йод выводится мочой: у здоровых после 1–5 mg из водорослей весь удаляется за 48 часов. Лишь очень большие дозы органического йода водорослей вредят щитовидной железе. Избыток вызывает тиреотоксикоз, хронический и Hashimoto-тиреоидит, гипертиреоз и даже увеличивает риск рака железы.

- Что такое дефицит йода? Симптомы, лечение и связь с раком молочной железы

Методы определения микроэлементов

Содержание в пище и тканях недавно привлекло интерес. Нужны чувствительные точные методы сверх стандартных. Большинство оценивают колориметрией и спектрографией. 

• Атомно-абсорбционная спектрометрия
• Эмиссионная спектроскопия 
• Нейтронно-активационный анализ
• Электрохимические методы
• Масс-спектрометрия с изотопным разбавлением
• Атомная рентгенофлуоресцентная спектроскопия

В заключение, понимание взаимодействий микроэлементов и металлов помогает определить причины болезней, быстро диагностировать и создавать эффективное лечение. Но избыток почти каждого тоже опасен. Поэтому без медицински доказанной необходимости мы не рекомендуем витаминно-минеральные добавки.

*

- Витаминно-минеральные добавки — что должны знать врачи и пользователи