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第三节微量元素的作用及其与疾病的关系

来源:临床生物化学 作者: 2006-1-15
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摘要: 第三节微量元素的作用及其与疾病的关系 微量元素在当代以其广泛的生物学作用、生理功能及临床诊断治疗价值吸引了地球化学、医学地理、农业、环境保护、分子生物学、生物化学、营养学、免疫学、遗传学、药理学、地方病学、老年医学、肿瘤学等许多基础医学及临床医学领域的学者,并取得许多令人瞩目的进展。微量元素在许多......


第三节 微量元素的作用及其与疾病的关系

  微量元素在当代以其广泛的生物学作用、生理功能及临床诊断治疗价值吸引了地球化学、医学地理、农业、环境保护、分子生物学、生物化学、营养学、免疫学、遗传学、药理学、地方病学、老年医学、肿瘤学等许多基础医学及临床医学领域的学者,并取得许多令人瞩目的进展。微量元素在许多疾病的病因学、发病学、诊断学、防治学方面具有重要的意义。

  人体内必需的微量元素有铁、锌、铜、锰、铬、钼、钴、硒、镍、钒、锡、氟、碘、硅;非必需的微量元素中属于可能必需的有铷、砷、锶、硼、锗;属于无害的则有钡、钛、铌、锆等;有害的微量元素有铋、锑、铍、镉、汞、铅、铝等。上述微量元素(占人体总重量的1/10000以下者)与宏量元素(占人体总重量1/10000以上者,包括碳、氢、氧、氮、钙、磷、镁、钠、钾、氯、硫)相比,只占人体总重量的0.05%左右。

  一、微量元素的分布及其生理功用

  (一)人体内微量元素的含量(表6-14)

表6-14 人体内微量元素的含量

微量元素 体内存在量 微量元素 体内存在量
铝(Al) 60mg 锰(Mn) 12-20mg
砷(As) 1-2mg 汞(Hg) 13mg
钡(Ba) 20mg 钼(Mo) 10mg
镉(Cd) 50mg 镍(Ni) 10mg
铬(Cr) 6mg 铷(Rb) 320mg
钴(Co) 1.5mg 硒(Se) 6-12mg
铜(Cu) 80-100mg 硅(Si) 2-3g
氟(F) 3g 锶(Sr) 320mg
碘(I) 11mg 锡(Sn) 17mg
铁(Fe) 3-5g 钒(V) 1.5mg
铅(Pb) 120mg 锌(Zn) 2-3g

  (二)微量无素的生理功用

  ⒈微量元素与酶的关系 酶是一种生命现象及生物化学反应的基础。人体内发现的近1000种酶中有50%-70%的酶含有微量元素或以微量元素的离子作为激活剂。已知锌与上百种酶有关,铁与数十种酶有关,锰和铜亦与数十种酶有关。钼与黄嘌呤氧化酶等有关,硒与谷胱甘肽过氧化物酶等有关。因此微量元素常作为酶的组成成分或激活剂。

  ⒉微量元素构成体内重要的载体及电子传递系统 铁参与组成血红蛋白、肌红蛋白,运输和储存氧;铁构成的细胞色素系统(细胞色素b、C1、C、aa3,b5、P450等)是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。

  ⒊参与激素和维生素的合成 钴组成维生素B12,碘构成甲状腺激素T3、T4,因而微量元素与代谢的调控有密切关系。

  ⒋微量元素影响免疫系统的功能,影响生长及发育 锌影响生长发育,能增强免疫功能,硒能刺激抗体的生成,增强机体的抵抗力。

  二、微量元素与疾病的关系

  不论必需微量元素缺乏或过多,有害微量元素接触、吸收、贮积过多或干扰了必需微量元素的生理功能和营养作用,都会引起一定的生理及生物化学过程的紊乱而发生疾病。反之,在各种疾病情况下,会对微量元素的吸收、运输、利用、储存和排泄产生一定的影响。

  微量元素缺乏或过多,可导致某些地方病的发生。例如缺碘与地方性甲状腺肿及呆小病有关;低硒与克山病和大骨节病有关;缺锌与伊朗乡村病和肠原性肢端皮炎有关。接触或吸收过量的有害微量元素还可引起种种职业病,即使是必需微量元素,像铁、铜、钴、锰等进入机体过多也会引起急性或慢性中毒。如接触六价铬可引起特征鹰眼状铬溃疡及鼻中隔穿孔;砷过多引起砷性皮肤癌及中毒;还有锰中毒、铁中毒、锌中毒等。

  微量元素的检测还可用作某些疾病的诊断指标,对于某些微量元素缺乏症还可用补充微量元素的方法进行治疗。

  (一)微量元素的缺乏症与过多症

  ⒈微量元素的缺乏症 微量元素的缺乏可导致缺乏症的出现,现将重要的微量元素缺乏症列于表6-15

表6-15 微量元素的功能与缺乏症

微量元素 功能 缺乏症
锌(Zn) 细胞分裂,核酸代谢,生长,辅助因子 伊朗乡村病,肠原性肢端皮炎
铁(Fe) 造血原料,构成细胞色素类 缺铁性贫血
铜(Cu) Hb合成,结缔组织代谢 贫血,毛发异常,脑功能障碍
铬(Cr) 构成葡萄糖耐量因子 耐糖能力↓,糖尿病,动脉硬化
碘(I) 构成T3、T4,促进生长、发育 地方性甲状腺肿,呆小病
钴(Co) 构成维生素B12,造血 恶性贫血,甲基丙二酸尿症
硒(Se) 抗氧化 克山病,大骨节病
锰(Mn) 多种酶的激活剂 生长发育迟缓,中枢神经系异常
氟(F) 骨、牙齿形成 龋齿

  ⒉微量元素的过多症 例如铁过剩的血色沉着病(hemochromatosis)时,铁吸收过多,在心、胰腺、睾丸、肝内沉积,导致纤维化,造成心肌损害、糖尿病、性腺功能不全及肝硬化。先天性铜代谢异常的Wilson病时由于转运铜的铜蓝蛋白生成减少,使过剩的铜在脑的基底核和肝中沉积,出现神经症状及肝硬化。锌过多可引起发热;锰过多可导致中枢神经障碍、运动失调;钴过多可造成心脏病、甲状腺功能异常、听觉障碍等;锡过多可造成呕吐、腹泻、腹痛及肝脏损伤;汞中毒时发生“水俣病”;镉中毒造成疼痛、肾损伤及骨折的“疼痛病”。

  (二)微量元素测定在疾病诊断中的应用

  由于原子吸收光度法的应用,使得医院检验部门逐步开展体液、毛发中微量元素的检测工作,微量元素的检测在疾病的诊断中的价值开始受到应有的重视。铁、铜、锌、硒等的资料已日渐增多。现将几种重要微量元素的检测对疾病的诊断价值及这些微量元素测定值增高或降低的临床意义列于表6-16。

表6-16 微量元素检测在诊断上的应用(血清)

微量元素 检测方法 正常参考值 低值 高值
铁(Fe) 比色法 男80-200μg/dl 缺铁性贫血 再生障碍性贫血
  (OPT法) 女70-180μg/dl 出血性贫血 铁粒幼细胞贫血
      Banti综合征 血色沉积病
      慢性感染 急性肝炎早期
      肿瘤等  
铜(Cu) 比色法 男80-130μg/dl Wilson病 毛细胆管性肝炎
  原子吸收光度法 女100-150μg/dl MenkesⅡ型综合征门脉性肝硬化 胆汁性肝硬化

白血病、贫血

    尿10-60μg/日 肾病综合征 感染性疾病
      铜吸收障碍 恶性肿瘤(淋巴
        瘤、骨肉瘤等)
锌(Zn) 原子吸收光度法 男63-147μg/dl 锌缺乏(肠原肢端皮 溶血性贫血
    女63-122μg/dl 炎、高卡量输液)肝胆疾患(肝硬化、肝炎、肝肿瘤等)血液病(白血病、恶性贫血,再障,缺铁性贫血、多发性骨髓瘤等)、癌、恶性淋巴瘤、肉瘤、心肌梗死、肾病综合征,肾炎,多发性神经炎、脑血管疾病,Addison病,糖尿病肾症,肺炎等 红细胞增多症
        嗜酸性细胞增多症
        甲状腺功能亢进症
        原发性高血压
        X线照射后
硒(Se) 原子吸收光度法 80-180μg/L(血清) 溶血性贫血 硒接触过量
      克山病、心肌缺血、癌、肌营养不良症、多发性硬化症、糖尿病性视网膜病变、白内障等  
锰(Mn) 原子吸收光度法 5-15μg/L 慢性淋巴性白血病 锰中毒、心梗、急性白血病

续表

微量元素 检测方法 正常参考值 低值 高值
铬(Cr) 原子吸收光度法 0.16-150μg/L 糖尿病 急、慢性铬中毒
    0.05-4μg/L 冠心病  
镍(Ni) 原子吸收光度法 0.1-1.5μg/L   急性心肌梗死镍中毒

  三、重要微量元素的生物学作用及代谢

  (一)锌(Zn)

  ⒈锌的生物学作用 锌是当代微量元素研究中非常活跃的课题之一。

  ⑴锌可作为多种酶的功能成分或激活剂:锌是碳酸酐酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶,胸嘧啶核苷激酶、碱性磷酸酶、亮氨酸氨肽酶等含锌酶的组成成分。

  ⑵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。

  ⑶增强免疫及吞噬细胞的功能:缺锌后免疫功能减退。

  ⑷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,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。

  ⒉锌在体内的代谢 正常成人体内含锌2-2.5g,平均2.3g。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。肌肉内储锌全身锌的62.2%,骨中的锌占全身体内锌的28.5%。正常人从普通膳食中每日摄取10-15mg锌,吸收率为20%-30%,主要在小肠内和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。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。

  含锌丰富的食物有谷类、粗粮、蛋黄、瘦肉、鱼、牡蛎和坚果等。

  (二)铜(Cu)

  ⒈铜的生物学作用

  ⑴参与造血及铁的代谢:铜主要影响铁的吸收,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。

  ⑵构成体内许多含铜的酶(如丁酰辅酶A脱氢酶、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)。

  ⑶与DNA结合,在DNA两条链中形成架桥,形成金属络合物,与维持核酸结构的稳定性有关。

  ⑷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。

  ⑸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-β-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、防御功能及内分泌功能等均有重要影响。

  临床上可测定血浆铜蓝蛋白的氧化酶活性,亦可测定血浆铜蓝蛋白,还可测血清铜。

  血浆铜蓝蛋白:正常成人在25-43mg/dl之间,在肝豆状核变性(Wilson病,为铜在肝、脑等组织中沉积的慢性内源性铜中毒,为常染色体性隐性遗传性疾病)和Menke综合征(以中枢神经病变为主的、头发卷曲色浅为特征的婴幼儿缺铜性遗传疾病)时明显减低。

  血浆铜蓝蛋白氧化酶活性:正常人在66-140单位/L之间。心肌梗死、传染病、肝癌及转移性肿瘤患者明显升高,Menke综合征及Wilson病时显著降低。

  血清铜:成人在105-114mg/dl之间,女性稍高于男性。

  尿铜:24小时在70μg以下,肝豆状核变性、肾病综合征、急性铜中毒、急性病毒性肝炎、肝硬化时尿铜增加。

  毛发铜含量较为恒定,能反映机体营养状态,正常成人平均值9.5-23μg/g。

  ⒉铜的代谢 铜主要参与造血及酶的合成。正常人体内含铜100mg-200mg,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,富含铜的食品是牡蛎、蛤类、小虾及动物肝肾等。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。

  (三)硒(Se)

  ⒈硒的生物学作用

  ⑴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,该酶催化的反应为:

  2GSH+H2O2→GSSG+2H2O

  2GSH+ROOH→ROH+GSSG+H2O

  通过GSH-Px的作用,在清除自由基、分解过多的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。

  ⑵硒参与辅酶A和辅酶Q的合成,促进α-酮酸脱氢酶系的活性,在三羧酸循环及呼吸链电子传递过程中发挥重要作用。

  ⑶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。硒是光电管基础物质之一,硒在视网膜、运动终板中可能起着整流器及蓄电器的作用。

  ⑷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、铊、砷等的毒性作用。

  ⑸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。

  ⑹硒与心血管结构和功能的关系:硒可防止镉引起的实验性高血压,并可防止冠心病及心肌梗死。硒参与保护细胞膜的稳定性及正常通透性,抑制脂质的过氧化反应,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0.5-1mg)可有效地防治克山病的发生。

  ⑺硒能调节维生素A、C、E、K的代谢。

  ⑻硒的抗肿瘤作用:许多报道表明结肠癌、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阐明,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。

  ⒉硒的代谢  1957年Schwarz证明硒是动物体内必需的微量元素。人体内硒的含量约14mg-21mg,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。富含硒的食品有蒜、芝麻、啤酒、酵母、蘑菇、小虾、鱼类、肝、肾等,富硒中药有黄芪、地龙等。人对硒的摄入量不应低于40μg/d,一般认为成人每日从食物中约摄取60μg-350μg的硒,每日由尿约排泄约50μg,由粪排泄80μg,由汗排泄20μg,在血浆内的硒主要与α及β-球蛋白结合而运输。

  我国不同地区报道的成人全血硒为0.028-0.033μg/ml,还有报道为0.099-0.160μg/ml。克山病区成人及儿童全血硒显著低下,分别为0.018-0.025μg/ml及0.017-0.024μg/ml。癌瘤时血硒明显减少,特别是消化道癌肿病人血硒降低更为显著,往往表明癌的转移、多发或低分化程度。

  尿硒成人平均为11.9±2.6μg/24h,克山病区成人尿硒明显降低,平均为7.9±2.6μg/24h。

  (四)铬(Cr)

  ⒈铬的生物学作用

  ⑴铬形成葡萄糖耐量因子(GTF),使胰岛素与膜受体上的-SH基形成-S-S-键,协助胰岛素发挥作用。

  ⑵降低血浆胆固醇及调节血糖。

  ⑶促进血红蛋白的合成及造血过程。

  ⒉铬的代谢 成人体内含铬6mg,日摄入量5-115μg,进入血浆的铬与运铁蛋白结合运至肝脏及全身。富含铬的食品有红糖、麦麸、鱼、葡萄汁、啤酒酵母等,铬主要随尿排泄,3-60μg/d。

  (五)钴(Co)

  ⒈钴的生物学作用 人类不能利用钴合成维生素B12,主要从能合成维生素B12的动物及细菌摄取,维生素B12在人体内参与造血。维生素B12参与体内一碳单位的代谢,参与脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成,维生素B12缺乏可导致叶酸的利用率下降,造成巨幼红细胞性贫血。维生素B12促进铁的吸收及储存铁的动员,它还促进锌的吸收,提高锌的活性。

  ⒉钴的代谢 正常成人体内含钴1.1-1.5mg,一般从普通膳食中摄入钴150-450μg/d,吸收率63%-97%,每日吸收钴190-290μg,钴通过小肠进入血浆后由三种运钴蛋白(transcobalbmin Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)结合后运至肝脏及全身,主要由尿排泄,每日排泄量约等于吸收量。当内因子缺乏、运钴蛋白缺乏、摄入量不足或因消化系统疾病而干扰吸收时,可造成钴及维生素B12缺乏。全血及血清钴10.8±6.0ng/ml,在恶性贫血、急性白血病时降低,慢性粒细胞白血病、淋巴肉芽肿时血钴升高。

  富含钴的食品有小虾、扇贝、肉类、粗麦粉及动物肝脏。

  检测血清不饱和维生素B12结合力(UBBC)及血清维生素B12正常人血清UBBC为0.7-1.6μg/L,血清维生素B12为0.16-0.75μg/L,这两项指标有利于肝癌的诊断。有些AFP不增高、HBsAg阴性的肝癌病例,UBBC及维生素B12亦可显著增高。

  (六)锰(Mn)

  ⒈锰的生物学作用

  ⑴锰的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。

  ⑵参与造血、卟啉合成、改善机体对铜的利用。

  ⑶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。

  ⒉锰的代谢正常成人体内含锰12-20mg,分布于一切组织,每日从一般食物摄入锰0.7-22mg,吸收率为3%-4%。吸收的锰经小肠壁进入血流,与β1-球蛋白或“运锰蛋白”结合后,迅速运至富含线粒体的细胞中,血锰5-15μg/L,人体内的锰主要由肠道、胆汁、尿液排泄。坚果、茶叶、叶菜、谷类富含锰。

  (七)钼(Mo)

  ⒈钼的生物学作用

  ⑴钼是构成黄嘌呤氧化酶、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。

  ⑵参与电子的传递及铁从铁蛋白的释放及铁的运输。

  ⑶钼有抗癌作用,缺钼地区食管癌发病率高,钼构成亚硝酸还原酶(植物),降低环境中亚硝酸含量,减少致癌物亚硝胺的生成。

  ⑷钼与心血管疾病有关,洋地黄类施用钼肥可提高产量及强心甙疗效。

  ⒉钼的代谢 成人体内含钼9mg左右,分布于全部组织及体液中。一般成人每日由普通膳食中摄入钼300μg,吸收率为40%-60%,随食物及饮水进入消化道的钼化物可迅速(10分钟)被吸收,80%与蛋白质结合,血清钼590ng/dl,而在食管癌高发区血清钼明显减低为220ng/dl-290ng/dl,癌症病人、心律不齐病人均可有血钼降低,白血病及缺铁性贫血时血清钼增高。

  富含钼的食品有豆荚、肝、肾、酵母、牛乳及粗麦粉等。

  高钼地区痛风发病率高,可能与黄嘌呤氧化酶活性增高、尿酸生成增多有关。

  (八)氟(F)

  ⒈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能力。缺氟易生龋齿,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。

  ⒉氟的代谢 成人体内含氟量2.6g左右,主要在骨骼、牙、指甲、毛发中。每日约摄入2.4mg的氟,大部分由尿排泄,每日排出约2.4mg。

  富含氟的食品有海味(牡蛎)、葱、豆类、茶叶等。

  (九)碘(I)

  ⒈碘的生物学作用 碘是1850年即已发现的必需微量元素,主要构成甲状腺激素T3、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。缺碘可发生地方性甲状腺肿和呆小病,碘过多可造成碘中毒,刺激甲状腺功能亢进。

  ⒉碘的代谢 人体含碘量约为11mg,每日成人需摄入50-100μg的碘,为防治地方性甲状腺肿,应普遍食用加碘食盐。

  此外,近年来对锗这一微量元素的研究日益增多,据报道有些有机锗(如Ge-132)化合物可以提高人体免疫力,诱导干扰素生成,有抗衰老抗肿瘤的作用。有人主张锗是可能必需微量元素。

  总之,微量元素在生命科学中的作用、微量元素与地方病、微量元素与职业病、微量元素与衰老、微量元素与肿瘤等领域的研究近十余年来极为活跃,是临床生物化学中令人瞩目的篇章。

(张耀铮)


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