微量元素对人体健康的影响

1、微量元素对人体健康的影响山西医科大学药学院毕小平教授微量元素与人体健康的关系密不可分.近年来,随着社会的进步和人们自我保健意识的不断提升,微量元素在治疗疾病、人体生长发育方面的作用越来越引起人们的重视.人体是由多种元素构成的,根据元素在体内含量不同,可将体内元素分为两类：一常量元素,占体重的99.9%,包括碳、氢、氧、磷、硫、钙、钾、镁、钠、氯等10种,它们构成机体组织,并在体内起电解质作用等；二微量元素,占体重的0.05%左右,包括铁、铜、锌、铭、钻、镒、馍、锡、硅、硒、铝、碘、氟、钮等14种元素,这些微量元素在体内含量虽然很微弱,但在人体生长、发育、疾病、衰老、死亡等过程中却能起到十分重要

2、的生理作用.如果某种元素供给缺乏,就会发生该种元素缺乏症；如果某种微量元素摄入过多,也可发生中毒.习惯上把含量高于0.01%的元素,称为常量元素,低于0.01%的元素,称为微量元素.人体假设缺乏某种主要元素,会引起人体机能失调,但这种情况很少发生,一般的饮食含有丰富的常量元素.微量元素虽然在体内含量很少,但它们在生命过程中的作用不可低估.没有这些必需的微量元素,酶的活性就会降低或完全丧失,激素、蛋白质、维生素的合成和代谢也就会发生障碍,人类生命过程就难以继续进行.一、环境对微量元素的影响及人对于微量元素的熟悉1847年,欧洲人发现铁与血红蛋白的结合,标志着对微量元素生理作用的最早熟悉.1850

3、1854年发现地方性甲状腺肿与环境中的食物缺碘有关.1930年以后,相继发现许多地区由于微量元素铁、钻等的缺少或过多而产生家畜体质衰弱、生长停滞和死亡率增高等.微量元素在生命过程中的作用,引起了人们的广泛关注.光谱分析法等的出现,使测试生物体内微量元素成为可能,大大推动了微量元素与健康关系的研究工作.人体内的化学元素有两种来源：1自然来源.如岩石层中的化学元素及其化合物经过多年风化、淋溶和生物作用变为土壤,通过土壤、水、食物进入机体.生物体以新陈代谢的形式与所生存的环境进行不停的物质交换,从而获得机体所需要的各种化学元素.近年来证实生物体的化学组成与所生存地区的地质环境有密切的关系.微量元素过

4、多或缺少而引起的疾病,往往具有明显的地区性.如缺碘地区多出现地方性甲状腺肿和地方性克汀病；含氟量过多地区常有地方性氟中毒氟斑牙和氟骨症；土壤含钻量过低的地区,牲畜多发生地区性干血跨症消瘦、虚弱,最后死亡等.2人为来源.如对含汞、镉、铅、神等矿的开采、冶炼和利用,使这些元素进入人类的的生存环境,并通过空气、水、土壤和食物进入人体.二、某些微量元素在人体中的主要功能微量元素在人体内的含量虽然极微,却具有巨大的生物学作用.其生理功能主要有：一协助常量元素并将其带到各组织中去.如含铁血红蛋白有输氧功能.二充当生物体内各种酶的活性中央,促进新陈代谢.酶在生物体内是许多化学反响必不可少的催化剂,微量元素是

5、体内各种酶的组成成分和激活剂.体内千余种酶大都含有一个或多个微量金属原子.如锌与200多种酶的活性或结构有关,锌能激活肠磷酸酶,肝、肾过氧化酶,又是合成胰岛素所必需；镒离子可激活精氨酸酶和胆碱酯酶等；钻是维生素B12的组成成分之一等等.三参与体内各种激素的作用,调节重要生理功能.如锌可以促进性激素的功能,铭可促进胰岛的作用,碘是甲状腺激素的重要成分之一,环境缺碘那么机体不能合成甲状腺激素,就会影响机体正常代谢和儿童的生长发育.四根据体外实验,一些微量元素可影响核酸代谢.核酸是遗传信息的载体,它含有浓度相当高的微量元素,如铭、钻、铜、锌、馍、锂等.这些元素对核酸的结构、功能和脱氧核糖核酸DNA的

6、复制都有影响.微量元素同其他元素一样,受体内平衡机制的调节和限制.摄入量过低,会发生某种元素缺乏症；但摄入量过多,微量元素积聚在生物体内也会出现急、慢性中毒,甚至成为潜在的致癌物质.大量流行病学调查证实,环境中微量元素的含量,对肿瘤的发生和开展有重大影响.微量元素的营养及毒性作用的研究,目前主要集中在：摄入量过多或过少对人体健康会造成什么影响；在人体内的分布及其靶器官；在体内的含量高限、低限和常见量；各元素的相互作用；营养对微量元素毒副作用的影响以及微量元素作用剂量从动物外推到人的过程中所存在的问题等.三、各种微量元素的重要作用一铁Fe铁是人体需要量最多的微量元素,在人体中含量约为45克.每日

7、铁需要量为1018毫克.其中27%的铁组成血红蛋白,3%的铁组成肌红蛋白,0.2%的铁构成多种含铁酶.它的功能主要是参与血红蛋白的形成而促进造血.铁是红细胞中血红蛋白的重要成分,血红蛋白是运输和交换氧气的必须工具,能将氧气送至全身组织,肌红蛋白和氧的结合力很强,能储藏局部氧气,在骨骼肌缺氧时可以释放这局部氧.人体中如缺少铁,就会使血红蛋白的制造发生困难,容易引起贫血,使细胞色素和含铁酶的活性减弱,以致氧的运输供给缺乏,使氧化复原、电子传递和能量代谢过程发生紊乱,免疫功能降低,影响生长发育.四肢无力,精神卷怠,食欲不振,神志冷淡,容易感冒,吞咽困难、脸色苍白,头痛心惊,口腔炎,肝癌.二锌Zn锌是

8、仅次于铁的需要量较大的微量元素,是200多种含锌酶的组成成分,也是酶的激活剂,在核酸代谢和蛋白质合成中发挥重要作用,它在生命活动过程中起着转换物质和交流能量的“生命齿轮作用.1 .锌的生物学作用1锌可作为多种酶的功能成分或激活剂：锌是碳酸酊酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶,胸喀咤核昔激酶、碱性磷酸酶、亮氨酸氨肽酶等含锌酶的组成成分.(2)促进机体生长发育,促进核酸及蛋白质的生物合成.缺锌后创伤溃疡难愈合,生长发育不良,性器官发育不全或减退,成为缺锌性侏儒或肠原性肢端皮炎.(3)增强免疫及吞噬细胞的功能.缺锌后免疫功能减退.(4)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,能预防自由

9、基对细胞膜造成的损伤,减少过氧化脂质的生成,某些肿瘤病人及衰老过程中有缺锌的倾向,因此锌可能具有抗氧化、抗衰老及抗癌作用.2 .锌在体内的代谢正常成人体内含锌22.5g,平均2.3go男性比女性稍高,锌以视网膜、前列腺及胰腺中的浓度最高,在肌肉及骨骼中贮存.肌肉内储锌占全身锌的62.2%,骨骼中的锌占全身体内锌的28.5%.正常人每日摄取1075mg锌,吸收率为20%30%,主要在小肠内被小肠上皮细胞吸收.锌进入毛细血管后由血浆运输至肝及全身.锌主要由粪便、尿、汗、头发及乳汁排泄,每天由尿排泄的锌不超过1mg.婴儿每天需锌量为35毫克,110岁儿童每天需锌量为10毫克.婴幼儿锌供给缺乏,影响生

10、长和智力发育,也影响味觉和免疫功能,缺锌是厌食症的主要原因.老年人缺锌那么加速衰老、引起缺血症、毒血症、肝硬化等.(三)铜(Cu)铜元素对于人体也至关重要,它是生物系统中一种独特而极为有效的催化剂.铜是30多种酶的活性成分,对人体的新陈代谢起着重要的调节作用.据报道,冠心病与缺铜有关.铜在人体内不易保存,故需经常摄入和补充.1、铜的生物学作用(1)参与造血及铁的代谢.铜含量在体内减少时,会影响铁的吸收,导致铁的利用障碍,最终发生缺铁性贫血.铜促进储存铁进入骨髓,加速血红蛋白及铁吓咻的合成.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.(2)构成体内许多含铜的酶(如丁酰辅酶A脱氢

11、酶、酪氨酸氧化酶、尿酸酶、超氧化物歧化酶等)及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)与DNA结合,在DNA两条链中形成架桥,形成金属配合物,与维持核酸结构的稳定性有关.(4)铜参与赖氨酸氧化酶的组成,促进弹性蛋白及胶原纤维中共价交联的形成,维持组织的弹性和结缔组织的正常功能.铜缺乏时,会引起皮肤枯燥粗糙、面色苍白、免疫力下降,甚至影响今后的生育功能.(5)含铜酶大部属氧化酶类,如细胞色素C氧化酶、酪氨酸酶、多巴胺-3羟化酶、胺氧化酶等,这些酶类参与儿茶酚胺类激素的代谢、黑色素的生成以及神经递质的代谢,因而对中枢神经系统的功能、智力及精神状态、防御功能及内

12、分泌功能等均有重要影响.2、铜的代谢铜主要参与造血及酶的合成.正常人体内含铜100mg200mg,平均150mg左右,约50%70%的铜存在于肌肉及骨骼内,20%存在于肝.肝是重要的储铜库,5%10%的铜分布于血液中,微量的铜以酶的形式存在于组织中.一般成年人每日从食物摄取2mg铜已能满足生理需要,富含铜的食品是贝壳类、动物内脏和豆类食品等.正常人每天从各种渠道排泄铜2mg左右,肠管可能通过含铜复合物的上皮细胞的脱落而排泄铜.(四)硒(Se)1、硒的生物学作用(1)硒是谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)的必需组成成分.每摩尔的酶含有4毫摩尔的硒,通过GSH-Px的作用,在去除自由基、分解过多的

13、H2O2,减少过氧化物、保护细胞膜、保护细胞敏感分子(DNA、RNA)中占有重要地位.(2)硒参与辅酶A和辅酶Q的合成,促进生酮酸脱氢酶系的活性,在三竣酸循环及呼吸链电子传递过程中发挥重要作用.(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,视网膜的视力与含硒量有关.硒是光电管根底物质之一,硒在视网膜、运动终板中可能起着整流器及蓄电器的作用.(4)硒能拮抗某些有毒元素及物质的毒性.硒可在体内外减低汞、镉、鸵、神等的毒性作用.(5)硒能刺激免疫球蛋白及抗体的产生,增强机体对疾病的反抗力.(6)硒与心血管结构和功能的关系.硒可预防镉引起的实验性高血压,并可预防冠心病及心肌梗死.硒参与保护

14、细胞膜的稳定性及正常通透性,抑制脂质的过氧化反响,消除自由基的毒害作用,从而保护心肌的正常结构、代谢和功能.投予亚硒酸(每周0.51mg)可有效地防治克山病的发生.(7)硒能调节维生素A、C、E、K的代谢.(8)硒的抗肿瘤作用.许多报道说明结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、直肠癌及白血病等的死亡率与其居住地区土壤的硒含量、日摄取量以及血硒水平呈逆相关关系.动物致癌试验中观察到硒对动物的实验性皮肤癌、肝癌、结肠癌、乳癌、肺癌等均有显著的抑制作用,且此种抑癌效果还受食物中维生素A、C、E等含量的影响.关于硒化合物的抗癌作用机制尚未说明,可能与硒能抑制致癌物质的致突变性、或改变致癌物的代谢、或通过抗氧化作用

15、而抗癌.有报道硒化合物能促进肝癌细胞及白血病细胞的再分化,通过促分化而抗癌.2、硒的代谢1957年Schwarz证实硒是动物体内必需的微量元素.人体内硒的含量约14mg21mg,以肝、胰腺、肾中的含量较多,人类对硒的摄入量受环境及食物含硒量的影响,应不低于40g/d一般认为成人每日从食物中约摄取60科350dg的硒,每日由尿排泄约50W自由粪排泄80g,由汗排泄20dg在血浆内的硒主要与“及3球蛋白结合而运输.(五)镒(Mn)镒参与一些酶的构成,如线粒体中丙酮酸竣化酶、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.1、镒的生物学作用(1)镒的多种酶的组成成分及激活

16、剂：镒是精氨酸酶、脯氨酸酶、丙酮酸竣化酶、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、吓咻合成、改善机体对铜的利用.(3)构成Mn-SOD,有抗衰老作用：衰老时Mn-SOD活性降低,肿瘤细胞内Mn-SOD活性亦降低.故Mn具有抗衰老抗肿瘤作用.2、镒的代谢正常成人体内含镒1220mg,分布于一切组织,每日摄入镒0.722mg,吸收率为3%4%.吸收的镒经小肠壁进入血流,与3-球蛋白或“运镒蛋白结合后,迅速运至富含线粒体的细胞中,血镒5-15g/L人体内的镒主要由肠道、胆汁、尿液排泄.(六)电目(M

17、o)1、铝的生物学作用(1)铝是构成黄喋吟氧化酶、醛氧化酶、亚硫酸氧化酶等氧化酶的组成成分,可解除有害醛类的毒性.(2)参与电子的传递及铁从铁蛋白的释放及铁的运输.(3)铝有抗癌作用,缺铝地区食管癌发病率高,铝构成亚硝酸复原酶(植物),降低环境中亚硝酸含量,减少致癌物亚硝胺的生成.(4)铝与心血管疾病有关,洋地黄类施用铝肥可提升产量及强心其疗效.2、铝的代谢铝与铜、含硫氨基酸的代谢有关；还可增强氟的作用,有助于预防龈齿.成人体内含铝9mg左右,分布于全部组织及体液中.成人每日摄入铝300吸收率为40%-60%,随食物及饮水进入消化道的铝化物可迅速(10分钟)被吸收,80%与蛋白质结合,血清铝5

18、90ng/dl,而在食管癌高发区血清铝明显减低为220ng/dl-290ng/dl,癌症病人、心律不齐病人均可有血铝降低,白血病及缺铁性贫血时血清铝增高.高铝地区痛风发病率高,可能与黄喋吟氧化酶活性增高、尿酸生成增多有关.(七)氟(F)1、氟的生物作用氟为骨骼牙齿的必需组分,与牙齿及骨的形成有关,可增加骨硬度及牙齿的耐酸蚀水平.缺氟易生龈齿,氟过多可引起骨密度增加和斑釉齿,氟在细胞内可抑制多种酶的活性,干扰胶原的合成.氟能与羟磷灰石吸附,取代其羟基形成氟磷灰石,能增强对龈齿的反抗作用.3Ca3(PO4)2Ca(OH)2+2F-3Ca3(PO4)2CaFz+2OH.此外,氟还可直接刺激细胞膜中G

19、蛋白,激活腺甘酸环化酶或磷脂酶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.2、氟的代谢在成人体内氟含量约为23g,主要在骨骼、牙、指甲、毛发中,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、体内氟名80%从尿排出.八碘I1、碘的生物学作用碘是1850年即已发现的必需微量元素,主要参与合成甲状腺激素三碘甲腺原氨酸T3和四碘甲腺原氨酸T4.甲状腺激素维持正常生长发育及智力发育,调节能量代谢.成人缺碘可引起甲状腺肿大

20、,称甲状腺肿.胎儿及新生儿缺碘那么可引起呆小症、智力迟钝、体力不佳等严重发育不良.碘过多可造成碘中毒,刺激甲状腺功能亢进.2、碘的代谢正常成人体内碘含量25-50mg,.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.为防治地方性甲状腺肿,应普遍食用加碘食盐.九、钻Co自1934年,人们开始熟悉到钻对生物的营养作用.在丹麦、美国、奥大利亚、新西兰等国,牛、羊患一怪病,体重减轻、奶量减少、流产甚至死亡.在这一年,研究人员弄清了其原因是由于饲料中

21、缺乏钻,在饲料中补充钻,就可以预防或治愈,从而熟悉到钻是生物体的必需微量元素之一.1 .钻的生物化学作用钻的作用主要以维生素B12和B12辅酶形式储存于肝脏发挥其生物学作用.研究证实,钻能够与氨基酸结合,这种结合是通过氮原子或SH进行的.前者钻是与组氨酸的咪吵环反响,产生一种非常稳定的配合物.后者钻能和SH基不可逆地结合形成配合物,钻还与半胱氨酸和胱氨酸形成配合物.钻也能够与蛋白质结合,但受到pH值的变化的影响.如与胰岛素在pH=8时亲和力最大,而对复原角蛋白,那么pH=9时适宜.在人体心肌中的钻是与心肌蛋白结合在一起的,也可与血浆蛋白、血纤维蛋白原结合.在体外,溶解了的钻离子与蛋白质和一些弥

22、散的小分子可能是氨基酸和肽结合.钻能与肌肉和其它组织匀浆中的小分子牢固地结合,90%钻离子可以在这个组分中发现.在血清中,钻也能与蛋白质结合.体液中小分子与钻结合的倾向可能影响着钻对细胞膜的渗透性.2 .钻离子对酶活性和酶促反响的影响.钻可激活很多酶,如能增加人体唾液中淀粉酶的活性,能增加胰淀粉酶和脂肪酶的活性.钻对酶活性的影响与其浓度有很大关系.例如,0.01mg/L浓度的钻可使脱氢酶的活性增加40%,但当浓度到达0.150mg/L时,对酶的活性有抑制作用.在兔子的小肠中注入少量钻可使3-碱性磷酸脂酶的活性增加90%.但当钻的浓度到达0.2540mg/kg时,就可以局部或全部抑制葡聚糖酶的生

23、物合成.注入0.051mg/kg的钻并不影响兔子的血清脂肪酶的活性,但浓度为25mg/kg的钻可使酶活性增加10%.另一研究说明,0.30.5mg/L的钻能微弱增加面包酵母中的酸性磷酸脂酶的活性,但碱性磷酸脂酶的活性增加达3555%.3 .钻的药物作用某些钻的催化剂在亚细胞水平参与(同化作用)哺乳动物的线粒体和微生物的载色体中的电子传递,钻催化剂在氧化复原链中以醍式的组分(辅酶Q)进行生化反响,从中获得电子.在此过程中与酶存在竞争.此外,研究说明：钻螯合物作为催化剂产生活性氧自由基,它们的靶分子是DNA和RNA,故钻化合物有可能成为抗肿瘤、抗炎药物.因此,研究新的具有较高生物活性的钻化合物是很

24、有意义的.AndersHammershai等提出了一类新的含钻药物的模型.作者从抗癌药物顺钳能特异地与DNA结合这一点推论,有些金属配合物如能与DNA结合,也可能具有抗癌活性.他们合成了Co(H3CsarNHCH2PyRu(NH3)5)(PF6)5(CoRu)这个化合物,并用吸收光谱研究了它与DNA和脂多糖的作用.从242和420nm的吸收说明它们之间发生反响,CoRu/DNA-P的摩尔比为1.16,据此推测,这种CoRu的配合物可能成为药物.钻很容易被小肠粘膜吸收.考虑到钻和铁为同一副族元素,它们的电子层结构相似,钻可能与铁为同一吸收途径,它们在小肠中被吸收时可能存在着某种关联性.动物实验和

25、人体观察说明,铁的吸收率增加时,常伴随着钻吸收的增加,缺铁人体中钻的吸收率比正常人高一倍(分别为40%和80%).即缺铁时钻吸收也增多.此外,将钻和铁同时给药时,它们的摄入存在着一种相互制约的作用,钻对铁的抑制作用往往大于铁对钻的抑制作用,这一发现很有意义,在治疗某种贫血症时,医生常常采用铁-钻联合治疗手段.4 .钻的吸收与排泄平衡原子吸收和原子发射光谱分析结果说明,一般人每天摄入无机钻的量为140580go通常只要每天摄入钻300科g就能维持代谢的正常平衡.较早报道为525科g,这种差异可能与测定方法和地区不同有关.摄入消化道的钻主要在小肠上端被吸收,尿液是排泄的主要途径,也有少量钻由肠道、

26、汗腺、头发等途径排出.钻一般不在人体内积累.给大鼠注射放射性Co,24h由尿内收回30%,6天内收回63%,而粪便内收回的钻仅为12%.无机钻主要通过尿液排泄.5 .钻的毒性作用主要表现红细胞增多症、甲状腺肿、心肌病及胰腺、神经系统损害.氧化钻或硫化钻摄入过多有致癌作用.小儿对钻的毒性作用更加敏感,因此摄入量必须限制在1mg/kg体重以下,并且治疗婴幼儿贫血时应慎用含钻制剂.乙醇可增强钻的毒性作用,所以酗酒者钻中毒较其他人群多见且病症重.硫胺(VitB1)及蛋白质可降低钻的毒性,摄入含硫蛋白质可减轻钻的毒性病症.动物的毒理试验还说明,钻过量会对动物的蛋白质、氨基酸、辅酶和脂蛋白的合成产生有害的影响.例如,施用氯化钻后,动物生长发育停滞、体重减轻、血糖增加、肾上腺皮质增生,导致吓咻尿症并损伤胰腺上皮细胞.有人研究了动物吸入含钻灰尘后的反响.仓鼠吸入2160g/L氧化钻后,只有1%停留在肺内,而且6天后全部消失.动物长期吸入0.1mg/m3的钻尘,肺功能并未受到影响.当仔猪吸入0.1