必需微量元素的代谢

(一)铁

1.铁(iron,Fe)的代谢

(1)铁的分布:铁在体内分布很广,其中以肝、脾组织含量最高,肺组织也含铁。铁在体内分两类,即功能铁和储存铁。功能铁是指在体内具有重要生理功能的铁,包括血红蛋白、肌红蛋白、少量含铁酶及运铁蛋白所含的铁;储存铁又分为铁蛋白和含铁血黄素,铁蛋白的铁是可被立即动用的储存铁,而含铁血黄素的铁是不能被立即动用的储存铁。

(2)铁的吸收与贮存:正常成年人含铁总量为3~5g。食物中的铁主要在十二指肠及空肠上段吸收。Fe2+较Fe3+易吸收,食物中的铁多为Fe3+,必须经过消化道将Fe3+还原成Fe2+才能充分吸收。Fe2+从小肠进入血液后,在铜蓝蛋白(ceruloplasmin)的催化下,氧化成Fe3+,再与血浆中运铁蛋白(transferrin,Tf)结合而运输。Tf是一种在肝内生成的β1球蛋白,相对分子质量为86 000,在血液中起运载铁的作用。运铁蛋白可将铁运送至骨髓,用于血红蛋白合成,或运送至网状内皮细胞储存起来,或运送至各种细胞供含铁酶合成等,只有少部分铁被运至其他各组织细胞,合成各种含铁蛋白或重新转变为铁蛋白形式贮存。

(3)影响铁吸收的主要因素:①与铁在胃肠道的存在状态有关,只有溶解状态的铁才能被吸收;②酸性环境有利于铁的溶解,故胃酸可促进铁的吸收,而枸橼酸、氨基酸、胆汁酸等能与铁形成不溶性盐,使铁的吸收减少;③食物中的铁多为Fe3+,不如Fe2+易吸收,食物中还原性物质如维生素C、谷胱甘肽、半胱氨酸等,能使Fe3+还原成Fe2+,促进铁的吸收。

2.铁的生物学作用 ①合成血红蛋白。血红蛋白中的铁约占体内总铁量的2/3,正是这些亚铁血红素中的铁原子,才是携带和输送氧的重要成分。铁缺乏影响血红蛋白的合成而致贫血。②合成肌红蛋白。每个肌红蛋白含一个亚铁血红素,肌红蛋白内的铁约占体内总铁量的3%。③构成人体必需的酶。铁参与细胞色素酶、过氧化氢酶、过氧化物酶的合成,并激活琥珀酸脱氢酶、黄嘌呤氧化酶等。④铁是细胞色素系统中重要的电子传递物质,铁硫蛋白作为呼吸链中的电子传递体。⑤铁参与能量代谢。机体内能量的释放与细胞线粒体聚集铁的数量多少有关,线粒体聚集铁越多,释放的能量就越多。⑥铁与免疫功能,缺铁将造成机体免疫机制受损、白细胞功能障碍、淋巴细胞功能受损、抗体产生受抑制等,容易导致感染。

3.铁缺乏症与缺铁性贫血

(1)铁缺乏症:机体铁量低于正常,根据缺铁的程度可分三个阶段。第一阶段为铁减少期(iron depletion,ID),属于缺铁的最早期,此期贮存铁减少,血清铁蛋白浓度下降;第二阶段为红细胞生成缺铁期(iron deficiency erythropoiesis,IDE),又称无贫血缺铁期(iron deficiency without anemia)此期除血清铁蛋白下降外,血清铁也下降,总铁结合力增高(运铁蛋白饱和度下降);第三阶段为缺铁性贫血期(iron deficiency anemia,IDA),此期除以上指标异常外,血红蛋白和红细胞比积(hematocrit)下降,出现不同程度低色素性贫血。

(2)缺铁性贫血:体内可用来制造血红蛋白的贮存铁已被用尽,机体铁缺乏,红细胞生成障碍发生贫血。引起缺铁性贫血的原因:①铁的需要量增加而摄入不足;②铁吸收不良;③失血。

4.铁中毒 可分为急性铁中毒和慢性铁中毒。

(二)锌

1.锌(zinc,Zn)的代谢 锌是体内含量仅次于铁的微量元素。正常成年人体内含锌2~ 2.5g,从普通膳食中每日摄取10~15mg锌,吸收率为20%~30%,主要在小肠内与胰腺分泌的小分子量配体-前列腺素E2结合后,经小肠上皮细胞吸收。锌进入毛细血管后由血浆运输至肝及全身,分布于人体各组织器官,体内锌以视网膜、前列腺及胰腺浓度最高。贮存于肌肉及骨骼中。锌主要经粪便、尿排泄,汗液、乳汁和毛发可排出微量。失血也是丢失锌的重要途径。

2.锌的生物学作用

(1)锌作为多种酶的功能成分或激活剂:如DNA、RNA聚合酶,胸腺核苷酸酶、谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶等。

(2)锌促进机体生长发育:锌是调节基因表达即调节DNA复制、转录DNA聚合酶的必需组成部分,缺锌会导致创伤组织的愈合困难、性器官发育不全或减退、生长发育不良,儿童出现缺锌性侏儒症或肠源性肢端皮炎。

(3)锌可促进维生素A的代谢和生理功能:锌参与维生素A还原酶和视黄醇结合蛋白的合成,促进视黄醛的合成与变构,维持血浆维生素A的正常浓度。

(4)参与免疫功能过程:人和动物缺锌可显著降低T细胞功能,引起细胞介导免疫改变,使免疫力降低。

(5)锌具有抗氧化、抗衰老及抗癌作用:锌亦是超氧化物歧化酶的组成成分,能防止自由基对细胞膜造成的损伤,减少过氧化脂质的生成。

3.锌缺乏症 常见食物含锌量低、吸收障碍、不良的饮食习惯、锌丢失增加(如失血、灼伤)、需要量增加(如妊娠、哺乳、生长期)等,其临床表现有食欲减退、消化功能减退、免疫力降低、厌食、异食癖、生长发育迟缓、性发育障碍、毛发枯黄等。

4.锌中毒 发生于大量口服、外用锌制剂,长期锌剂治疗及空气、水源、食品被锌污染等。

(三)铜

1.铜(cuprum,Cu)的代谢 正常成年人体内含铜80~100mg,主要在十二指肠和小肠上段吸收进入血液,与血浆中清蛋白疏松结合,形成铜-氨基酸-清蛋白络合物进入肝,该络合物中的部分铜离子与肝生成的α2-球蛋白结合,形成铜蓝蛋白,后者从肝进入血液和各组织,是运输铜的基本载体。50%~70%的铜存在于肌肉及骨骼,20%存在于肝。肝是重要的储铜库, 5%~10%分布于血液,微量的铜以酶的形式存在于组织中。铜主要经胆汁、肠壁、尿液和皮肤排泄。

2.铜的生物学作用 ①构成体内多种含铜的酶,如赖氨酸氧化酶、细胞色素酶、超氧化物歧化酶、多巴胺-β-羟化酶等,对细胞内代谢、神经传导和内分泌功能都有重要作用;②构成体内含铜的生物活性蛋白质,如血浆铜蓝蛋白、血铜蛋白、肝铜蛋白、乳铜蛋白等;③参与造血及铁的代谢。铜主要影响铁的吸收,促进Fe3+还原成Fe2+,增强小肠对铁的吸收,促进储存铁进入骨髓,加速血红蛋白及铁卟啉的合成。铜还促进幼稚红细胞的成熟,使成熟红细胞从骨髓释放进入血液循环,维持正常的造血功能。

3.铜缺乏症

(1)铜缺乏症主要原因:①处于生长阶段,需要量大而供给相对不足;②长期腹泻和营养不良;③伴有小肠吸收不良的病变;④肾病综合征,尿蛋白增加,铜丢失过多;⑤长期使用螯合剂。铜缺乏症的临床表现:①贫血,因为铜影响铁的吸收、运送、利用及细胞色素系与血红蛋白的合成;②骨骼发育障碍,缺铜骨质中胶原纤维合成受损,胶原蛋白及弹力蛋白形成不良;③生长发育停滞;④肝、脾大等。

(2)铜缺乏症的防治:可用硫酸铜溶液或葡萄糖酸铜。

4.铜中毒 金属铜属微毒类,铜化合物属低毒和中等毒类。

(1)急性铜中毒:饮用与铜容器或铜管道长时间接触的酸性饮料,误服铜盐等。

(2)慢性铜中毒:长期食用铜量超过正常供给量的10倍以上的,可出现胃肠道症状。

(四)硒

1.硒(selenium,Se)的代谢 人体含硒量仅14~21mg,主要通过肠道吸收入血,大部分与α-或β-球蛋白结合,小部分与极低密度脂蛋白结合而运输。硒分布于全身所有软组织,以肝、胰腺、肾和脾含量较多,主要随尿液和汗液排泄,部分未吸收的硒从肠道排出,毛发也能排出微量。

2.硒的生物学作用 ①硒是体内多种酶的组成成分,主要以硒代半胱氨酸的形式存在于酶分子的活性中心。谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)是体内重要的含硒酶,在体内抗氧化保护系统中占有重要地位,它能以还原型谷胱甘肽为供氢体消除体内的过氧化氢和过氧化物等,有效保护细胞成分,如膜脂质、核酸和蛋白质。硒的抗氧化功能与人类衰老、癌变、心血管疾病、中枢系统疾病的关系日益受到重视。②硒参与辅酶A和辅酶Q的合成,可增强丙酮酸、α-酮戊二酸氧化系统的酶活性,在三羧酸循环及呼吸链电子传递中发挥重要作用。③硒与视力和神经传导有密切关系,虹膜及晶状体含硒丰富,含有硒的GSH-Px和维生素E可使视网膜上的氧化损伤降低。视网膜的视力与含硒量有关,在视网膜、运动终板中可能起着整流器及蓄电器的作用。④硒具有拮抗和降低机体内许多重金属毒性的作用,与金属有很强的亲和力,与银、镉、汞、铅等形成不溶性盐,是一种天然的抗重金属的解毒剂。⑤硒能刺激免疫球蛋白及抗体的产生,增强机体对疾病的抵抗力。⑥硒参与保护细胞膜的稳定性及通透性,消除自由基的毒害作用,抑制脂质过氧化反应,保护心肌的结构和功能,防止镉引起的实验性高血压,防止冠心病及心肌梗死。⑦硒能调节维生素A、维生素C、维生素E、维生素K的代谢,并与维生素E起协同作用,增强维生素E的抗氧化作用。

3.硒缺乏 已证实,硒缺乏是发生克山病的重要原因,克山病是一种以心肌坏死为主的地方病,临床表现为心力衰竭或心源性休克、心律失常、心功能失代偿。投予亚硒酸(每周0.5~1mg)可有效地防治克山病的发生。缺硒还与大骨节病有关。

4.硒中毒 硒摄入过多可致中毒。

(五)铬

1.铬(chromium,Cr)的代谢 人体内含铬量约60mg,经口、呼吸道、皮肤及肠道吸收入血,与运铁蛋白结合运至肝及全身。以肌肉、肺、肾、肝和胰腺含量较高,主要随尿液排泄,少量经胆汁、粪便及皮肤排出。

2.铬的生物学作用 ①增强胰岛素的作用及调节血糖,主要通过形成“葡萄糖耐量因子”(glucose tolerance factor,GTF)使胰岛素与膜受体上的—SH形成—S—S—键,在糖代谢等过程中协助胰岛素发挥作用。②降低血浆胆固醇。缺铬可造成胰岛素生物学效应降低,糖及脂代谢紊乱,出现高胆固醇血症,诱发动脉粥样硬化和冠心病。③与机体核蛋白、蛋氨酸、丝氨酸等结合,故缺铬可影响蛋白质代谢及生长发育。

3.铬缺乏症 主要由摄入不足或消耗过多所致,临床表现为高血糖、高脂血症等与胰岛素缺乏相类似的症状,引起葡萄糖耐量降低,生长停滞,动脉粥样硬化和冠心病等。适当补充含铬量高的食物,如动物肝脏、粗粮、粗面粉、牛肉等可防治铬缺乏症。

4.铬中毒 过量摄入铬或长期接触铬化物将引起铬中毒。

(六)钴

1.钴(cobalt,Co)的代谢 正常人体内含钴量约为1.5mg,主要经消化道和呼吸道吸收。某些重金属离子能影响钴的吸收,如铁在十二指肠的转运过程与钴相似,这两种金属存在吸收竞争。钴通过小肠进入血浆后与三种钴铵传递蛋白(transcobalaminⅠ、Ⅱ、Ⅲ)结合运至肝及全身,以肝、肾和骨骼的钴含量较高,主要通过尿液排泄,少量通过肠道、汗腺、头发等排泄。

2.钴的生物学作用 钴是维生素B12的组成成分,主要以维生素B12的形式发挥作用。维生素B12参与造血,促进红细胞成熟,参与脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成及一碳单位的代谢。

3.钴缺乏 钴缺乏将影响维生素B12的形成,导致叶酸利用率下降,发生巨幼细胞性贫血。维生素B12缺乏还可引起口腔及舌溃疡、炎症、急性白血病、骨髓疾病等。

4.钴中毒 多为治疗贫血时引起钴中毒。

(七)锰

1.锰(manganese,Mn)的代谢 正常人体内含锰量为12~20mg,主要在小肠吸收入血,与血浆β-球蛋白结合为转锰素分布于全身,主要由肠道、胆汁、尿液排泄。

2.锰的生物学作用 ①锰是多种酶的组成成分及激活剂。锰是精氨酸酶、脯氨酸酶、丙酮酸羧化酶、RNA聚合酶、超氧化物歧化酶的组成成分,又是磷酸化酶、醛缩酶、半乳糖基转移酶等的激活剂,与蛋白质生物合成、生长发育有密切关系。②参与造血、卟啉合成、改善机体对铜的利用。③构成Mn-SOD,有抗衰老作用。衰老、肿瘤Mn-SOD活性降低。

3.锰缺乏 锰是硫酸软骨素合成酶的必需辅助因子,与硫酸软骨素代谢、黏多糖合成、结缔组织韧性和硬度及钙磷代谢密切相关。锰还有刺激红细胞生成素和促进造血的作用,缺锰导致软骨生长障碍,生长发育停滞,引起侏儒症和贫血。

4.锰中毒 职业性中毒见于锰矿的开采和冶炼,生产干电池、油漆、电焊条和陶瓷等,因长期接触大量的锰烟和锰尘所致。非职业性中毒见于口服高锰酸钾。

(八)碘

1.碘(iodine,I)的代谢 正常人体内含碘为20~25mg,主要从食物中摄入碘离子,以消化道吸收为主,经门静脉进入体循环,70%~80%吸收后的碘被摄入甲状腺贮存并利用,其余分布于血浆、肾上腺、皮肤、肌肉、卵巢和胸腺等。碘主要通过肾排泄,每日排出量相当于肠道的吸收量,占总排泄量的85%,其余经汗腺、乳腺、唾液腺和胃腺分泌排出。

2.碘的生物学作用 碘通过甲状腺素发挥其生物学作用,促进蛋白质的合成,活化多种酶,调节能量代谢等。

3.碘缺乏 是由长期碘摄入不足引起的一类疾病,具有地区性特点,故称为地方性甲状腺肿和地方性克汀病。

(1)地方性甲状腺肿:一般指碘缺乏所致的甲状腺肿,以甲状腺代谢性肿大,不伴有明显甲状腺功能改变为特征,见于包括新生儿在内的各年龄人群。采取食盐加碘法可预防。

(2)地方性克汀病:是全身性疾病,碘缺乏是克汀病发病的根本原因,临床表现为生长发育迟缓、身材矮小、智力低下、聋哑、神经运动障碍及甲状腺功能减退。可采用碘盐、口服碘剂及碘化油肌内注射等方法进行防治。

4.碘过量与高碘性甲状腺肿 碘过量常发生于摄入含碘量高的食物,以及治疗甲状腺肿等疾病中使用过量的碘剂等。常见的有高碘性甲状腺肿,碘性甲状腺功能亢进等。

(1)高碘性甲状腺肿:与碘缺乏相反,在一些平原由于碘离子富集,出现高碘区,过量无机碘在甲状腺内抑制激素合成,引起甲状腺滤泡胶质潴留,导致高碘性甲状腺肿。

(2)碘性甲状腺功能亢进:为碘诱发的甲状腺功能亢进,因长期大量摄碘所致,可发生于碘治疗的甲状腺肿大,也见于高碘性甲状腺。

主要必需微量元素的食物来源、日参考摄入量及成人参考区间见表8-8。

表8-8　主要必需微量元素的食物来源、日参考摄入量和成人参考区间