微量元素与人体健康.pdf

现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1 微量元素与人体健康 文章编号 1 0 0 3 8 5 0 7 2 0 0 7 0 1 0 0 6 1 0 3中图分类号 R 1 5 1 3文献标识码 A 综述 钟秀倩 1 钟俊辉 2 必需微量元素在维持人体健康方面是不可缺少的 微量元 素在生命过程中显著的作用特点之一是机体需要量小作用巨 大 在体内通过多种形式发挥其生物学效应 微量元素在生 理 生化功能广泛 可作为酶的活性部位或酶的激活剂参与体 内正常的生化反应 参与激素及维生素的合成与转化 构成体 内重要载体及电子传递系统 在维持机体正常的能量转换和新 陈代谢等方面发挥着极其重要的作用 本文着重介绍微量元素 与人体的关系 以及在许多疾病发生 发展中的重要作用 1 生命与元素的关系 地球上的人类和一切生物都是地壳发展到一定阶段的产 物 他们与地壳物质始终保持着平衡 地壳物质的基本单元是 化学元素 而人是一个生命体 也是由许多化学元素组成的 人体通过新陈代谢与周围环境进行物质交换 从环境中摄取空 气 水 食物等生命必需物质 在体内经过分解 同化而形成 细胞和组织的各种成分并产生能量 以维持机体的正常生长和 发育 另一方面 在代谢过程中机体产生的各种不需要的代谢 产物 通过各种途径排入环境 经各种变化又作为营养物为其 他生物所摄取 许多化学元素 经过反复地进行着环境 生 物 环境这样的循环 互相作用并且互相影响着 因此从机体 的新陈代谢过程中可以看出人类与环境的关系密切 如果把人 体内的各种化学元素的平均含量与地壳的各种化学元素作一比 较 不难看出 它们几乎是吻合的 由此可知 化学元素是把 人和环境联接起来的纽带 1 1 常量元素与微量元素 化学元素依据它们在人体中含量的不同 可分为常量元素 和微量元素两大类 1 1 1 常量元素常量元素共有 1 1 种 按其含量顺序排列包 括 氧 O 碳 C 氢 H 氮 N 钙 C a 硫 S 磷 P 钠 N a 钾 k 氯 C l 和镁 M g 常量元素 构成人体总量的 9 9 9 5 其中由氢和氧结合而成的水占人体 重量的 6 5 左右 1 1 2 微量元素人体内已检出的微量元素约 8 1 种 其中得 到公认的对人和哺乳动物必需的微量元素有 1 4 种 包括有 铁 F e 铜 C u 锌 Z n 锰 M n 铬 C r 钼 M o 钴 G o 钒 V 镍 N i 锡 S n 氟 F 碘 I 硒 S e 硅 S i 它们在人体内的唯一共同点是存在的浓度都 很低 其标准量均不足人体重量的万分之一 但却具有在低浓 度下显示生物学作用的功能 作者简介 钟秀倩 1 9 5 5 女 高讲 研究方向 医用化学研究 作者单位 1 广东工程职业技术学院科研设备处 广州 5 1 0 5 2 0 2 广东省韶关学院医学院 1 2 常量元素与微量元素在生理作用上的区别 常量元素均为必需元素 其在机体中的主要生理作用是维 持细胞内外渗透压的平衡 调节体液的 p H值 形成骨骼支撑 组织 维持神经和肌肉细胞膜的生物兴奋性 传递信息使肌肉 收缩 使血液凝固以及酶活性等 微量元素一词起源于 1 9 世 纪中叶 由于当时用光谱分析法测定动 植物体内元素时发现 有些元素只能被定性地确定有痕量存在 故从 2 0 世纪下半叶 微量元素逐渐成为通用术语 1 微量元素在维持人类健康中是 起基础性的作用 主要生理功能是在各种酶系统中起催化作 用 以激素或维生素的必需成分或辅助因子而发挥作用 形成 具有特殊功能的金属蛋白等 有人说微量元素生理作用的意义 可以和维生素相比 但机体可以自行合成一些维生素而无法合 成任何元素 从这点看 必需微量元素对人体较维生素更为重 要 1 3 必需微量元素的基本定义 必需微量元素一般是指那些具有明显营养作用及生理功 能 对维持机体生长发育 生命活动及繁衍等必不可少的元 素 所谓 必需 即 机体必须从外界饮食中摄取这种元 素 当从饮食中去除这一元素后 机体就会出现这种元素的生 理性缺乏状态 补充这一特异元素后 机体的这种缺乏状 态将得到缓解 一种特殊的元素对机体总具有某种特异的 生化功能 这种作用不能被其他任何元素完全代替 当一种元 素因摄入不足而引起机体生物学功能障碍 而恢复这种元素的 生理水平后又能缓解或预防这种功能障碍时 就可以认为这种 元素为必需元素 机体一旦离开这种元素 既不能生长 又不 能完成其应具有的生命周期 另外 还有人对必需微量元素规 定了几个附加条件 这种元素以相似的浓度存在于不同动 物的组织中 不论动物的种类如何 去除这种元素后会出 现相似的生理 生化异常 有这种元素存在时能减轻或预 防上述异常 这种异常改变在缺乏得到控制时也能被治 愈 1 目前 微量元素中的碘 硒 锌 铁 铜 锰 铬等已被 国际上确认为 维持机体正常生命活动不可缺少的必需微量元 素 2 随着科学的发展 人类越来越认识到必需微量元素在维持 健康中的基础性作用 有些元素不仅仅可以抗感染 而且与许 多慢性 流行性 地方性 甚至恶性病变有关联 大量流行病 学调查指出 机体若缺乏必需微量元素 可能会使人群对疾病 的敏感度增高 导致亚健康状态或疾病的发生和发展 2 微量元素与生命进化的关系 生命是如何起源的 这恐怕是大家最想知道的一个问题 关键词 必需微量元素 人体 健康 6 1 现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1 也是目前科学的未解之谜 有关生命的起源之争已有 20 0 0 多 年的历史 不同的时期 有不同的见解 到目前为止 最有力 的说法莫过于化学进化论 伟大的无产阶级革命导师恩格斯在 1 8 7 8 年发表 反杜林论 时鲜明地提出了自己的观点 生 命起源必然是通过化学的途径实现的 其次 在 自然辨证 法 中他又预言道 生命是整个自然界的结果 3 由于恩格 斯于 1 8 9 5 年逝世 没来得及看到自己的预言被证实 而现代 科学却已完全证实了恩格斯的伟大预言 人们清楚地认识到 生命是在地球上 通过自然界物质的运动变化 从简单的无机 物 逐步形成复杂的有机物 又从复杂的有机物中 逐渐出现 了能与外界进行物质和能量交换的 活 的物质 这就是最初 的生命 化学进化论认为 地球诞生之初是一个炽热的火球 地球上的一切元素都呈现为气体状态 那时候的地球是绝不可 能有生命存在的 随着地球温度的慢慢降低 在地球中心逐渐 形成固体的行星胚胎 外层则是地球的第一代大气 其后 由 于地球形成过程中内部剧烈的变化 火山活动频繁 地球内部 物质分解产生的大量气体 随火山喷发而冲破地壳 逐渐形成 第二代大气 第二代大气称为原始大气 原始大气的各种成 分 在宇宙射线 地球上的放射性物质 太阳紫外线 雷电闪 光等自然界能量的作用下 逐渐从无机物的小分子合成为氨基 酸 嘌呤 嘧啶 核糖 脱氧核糖 卟啉等有机物小分子 这 是化学进化的第一个阶段 在原始大气中 水蒸气是一个重要 的成员 不过开始时 它是以热腾腾的蒸汽凝结成水的 但随 着时间的推移 地壳表面逐渐冷却形成原始海洋之后 大气中 的小分子和大陆表面的化学元素开始源源不断地输入海洋 这 样 海洋就逐渐变成了别具一格的 具有化学活性或化学反应 潜力的化学环境体 海洋中不仅拥有化学元素周期表中几乎所 有的元素 而且这些元素大部分都以溶解态的形式存在于海洋 中 在原始海洋中的有机物小分子氨基酸 核苷酸等 在长期 的相互作用中 通过缩合 聚合等作用 许多小分子连在一起 形成了大分子 这些大分子就是原始的蛋白质分子和核酸分 子 从有机物小分子逐步形成有机物高分子的演化过程就是化 学进化的第二个阶段 最初的生命就是在这种环境出现和繁衍 的 生物为了更好地生存和发展 必须尽快适应外界环境条件 的变化 不断从环境中摄入某些元素以满足机体完成自身生命 活动过程的需要 生物在从低级到高级的进化过程中 对其生 存环境中某些至关重要的元素进行选择 以保证其能够顺利向 更高级的方向演化 因而这些元素就成了维持生物生存 繁衍 等生命过程必不可少的物质成分 例如 原始海洋中选择铜或 钒作为其氧化还原体系的动物 如甲壳类 海鞘等 由于铜 或钒的载氧效率和氧化还原能力低 尽管能够满足于维持其正 常的生命活动 但却严重阻碍了其自身的生物演化进程 而选 择铁作为氧化还原体系的动物如蠕虫类 由于其营养物质的摄 取和铁的载氧效率均高于选择铜或钒者 则蠕虫类的生物演化 能顺利进行 达到高级的脊椎动物乃至人类 1 陆地上 生物在其进化的过程中 在某种程度上发展了对 微量元素的调节功能 以求在陆地环境中摄取本应从海洋中摄 取的东西 当人在一个地方住久了 他也会发展自己体内的种 种代谢或代偿功能 以便从环境中获得适量的微量元素 当他 迁居到另一地点时 由于周围环境的改变 通过饮食而进入其 体内的元素数量也有所改变 这时 人就不得不重新调节自己 体内的功能 如加强吸收作用以克服外部某些元素输入的不 足 人体在进行这一调节的过程中 有可能出现一系列不适 应 我们将这一综合反应称之为 水土不服 陆地某处环境 有可能提供给人的某种元素的量会过多或过少 既使人体功能 竭力调整也无法摄取正常数量的该元素时 在这种状况下 人 体的某些代谢无法再正常工作了 于是导致疾病的产生 3 人体内化学元素的两种来源 3 1 自然来源 由于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 微量元素过多或缺 少而引起的疾病 往往具有明显的地区性 如缺碘的地区多出 现地方性甲状腺肿和地方性克汀病 含氟量过多的地区常有地 方性氟中毒 氟斑牙和氟骨症 土壤含钴量过低的地区 牲 畜多发生地区性干血痨症 消瘦 虚弱 最后死亡 等 4 3 2 人为来源如对含汞 镉 铅 砷等矿的开采 冶炼和 利用 使这些元素进入人类生存的环境中 并通过空气 水 土壤和食物进入人体 4 微量元素在生命过程中的重要作用 目前已知多种疾病的发生 发展与微量元素有密切的关 系 人体内的微量元素可以从食物 空气和水中得到 但主要 来自食物和饮水经胃肠道的吸收 吸收后的微量元素随着血液 运送到各个器官组织 参与体内各种酶及生物活性物质的代 谢 微量元素与其他营养元素不同 不会像糖那样被代谢成二 氧化碳和水 在代谢过程中微量元素只能从一种形式变成另一 种形式 通过粪便和尿液排出 也有少部分通过汗液和毛发排 出体外 在正常情况下 人体对微量元素的摄入与排泄是接近 平衡的 如果人体对微量元素的摄入不足 吸收障碍或排泄过 多 就会导致人体生理功能或器官组织的形态结构发生异常改 变 给人体的健康带来不良的影响 甚至会发生严重疾病 一般说来 不同的微量元素各有不同的生理功能 当然有 些微量元素之间也可以呈现相似的生理作用 另外 微量元素 的功能与其所在组织中的浓度有关 在某一浓度范围内能使人 体组织的结构与功能的完整性得到正常维持 对人体的生长发 育 健康状态 生殖功能等都是必不可少的 但当微量元素低 于或高于机体需要的浓度时 机体的正常功能就会受到影响 甚至出现微量元素的缺乏 中毒或引起机体死亡 在通常情况 下 正常人体内不会造成微量元素缺乏或中毒 但若不注意合 理的膳食营养 患某种疾病或食品 环境污染等 就有可能引 起人体的微量元素的缺乏或过量 这说明人类的疾病与微量元 素是密切相关的 表 1 所列的微量元素在人体中的主要功能和 不足所造成的影响足以说明这些 5 微量元素与健康研究的重要成就 5 1 阐明了一些微量元素相关疾病的发病原因 5 1 1 碘缺乏病1 8 5 0 年发现碘是人体必需的微量元素 是 机体合成甲状腺素的重要成分 经过多年的研究 逐渐弄清了 严重碘缺乏不仅可引起成年人的甲状腺肿大 而且可对发育中 的胎儿造成严重后果 发生流产 死产 早产 先天畸形及以 呆 小 聋 哑 瘫为显著特点的地方性呆小病 大量的实验 室研究证实 胚胎期和幼儿期母亲严重缺碘是导致地方性呆小 病发生的直接原因 6 2 现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1现代预防医学 2 0 0 7 年第 3 4 卷第 1 期M o d e r nP r e v e t i v e M e d i c i n e 2 0 0 7 V o l 3 4 N O 1 5 1 2 微量元素铜引起的疾病1 9 2 8 年 人们就已了解到铜 是人体的必需微量元素 直到 1 9 6 4 年才由 C o r d a n o 等首次报 道婴儿典型的铜缺乏病例 已弄清 M e n k e s 卷发综合症 N D 病和 Wi l s o n 肝豆状核变性 H L D 病是与微量元素铜代谢异 常有关的遗传性疾病 前者是由于小肠黏膜尤其是十二指肠黏 膜对铜的运送障碍而造成的铜缺乏症 后者则是由于肝溶酶体 排泄铜进入胆汁的功能受损及肝脏用于合成铜蓝蛋白的铜聚集 于肝细胞核糖体 而导致铜蓝蛋白合成障碍所致 5 1 3 锌缺乏病微量元素锌对人体健康的必需性是在 1 9 3 4 年发现的 1 9 5 8 年 在伊朗 S h i r a z 地区首次发现人类锌缺乏 病例 其主要特点为明显的性腺发育不良性侏儒 严重贫血 肝脾肿大 皮肤干而粗糙 精神痴呆 生殖器官 睾丸 和第 二性征发育迟滞等 到目前为止 人们已发现有 2 0 0 多种含锌 酶 锌在维持机体正常的生殖 免疫 调控自由基水平等方面 都发挥着极为重要的作用 5 1 4 地方性氟病微量元素氟得到公认的有益作用是抗龋齿 作用及促进机体的生长发育 其最大的健康危害是引起以氟斑 牙和氟骨症为主要特征的地方性氟病 地方性氟病以饮水型最 为多见 其次为煤烟污染型和饮食型 5 1 5 微量元素硒与健康关系的研究经过大量的现场调查和 实验研究 基本弄清了严重危害人类健康的克山病的发生与病 区环境及其当地整个生态系统 包括人 的低硒状态有密切关 系 并且用硒预防克山病取得了显著效果 充分说明低硒是克 山病发生的重要原因 近年来的研究还发现 机体处于缺硒状 态时 人群恶性肿瘤的发生率明显增高 实验室研究表明 硒 具有抗突变 调控自由基水平 抗氧化 提高机体免疫力等多 种生物学效应 5 2 微量元素在疾病防治上成效显著 随着对某些微量元素过多或缺乏的致病作用的阐明及微量 元素生物学效应研究的深入 微量元素在疾病防治上也取得了 很大成就 5 2 1 碘缺乏病防治由于我国政府对碘缺乏病的高度重视 大力推行全民食盐加碘计划 我国目前已基本实现了控制碘缺 乏病的目标 地方性甲状腺肿和地方性呆小病的新发现病例大 大降低 但就全世界范围而言 碘缺乏病的防治仍任重道远 5 2 2 克山病 大骨节病的防治在对克山病 大骨节病发病 原因的调查研究发现 在病区自然环境条件和人体的低硒状态 与克山病 大骨节病的发生有较大关系 同时 对病区居民进 行较大范围的补硒干预研究 可使急性克山病的发生率显著降 低 慢性克山病的病情得到有效控制且病情稳定 5 2 3 微量元素硒的抗癌作用大量的流行病学调查发现 地 质环境 膳食和人群中的硒水平与人类肿瘤的发生率和死亡率 呈负相关 富硒地区人群的小肠癌 结 直肠癌 胃癌 膀胱 癌等的发生率和死亡率显著低于低硒地区 我国江苏启东地区 的肝癌死亡率与人体内硒水平也呈负相关 而对这些