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1、 碘缺乏病微量元素与健康 一、微量元素的定义和分类 (一) 微量元素的定义 在地球表层发现有90多种元素,几 乎在人体内都能找到 发现具有重要营养和生理功能、得 到公认的对于维持生命所必不可少 的元素仅有2628种。 机体内的化学元素可分为:常量元素或宏 量元素(major element, macro- element)及微量元素(trace element , micro-element)。 含量大于体重0.01%,每日需要量大于 100mg的元素称为常量元素,约占人体重 量的99.95%以上,包括:碳、氢、氧、 氮、硫、磷、钠、钾、钙、镁、氯等11 种。 微量元素:小于体重0.01%、每
2、日需要 量小于100mg的元素,包括常量元素以 外的其它各种元素,占人体重量不足 0.05%,包括铁、铜、锌、锰、钼、钴 、钒、镍、锡、氟、碘、硒、硅、砷 、硼、锶、锂、锗、铝、钡、铊、铅 、镉、汞以及稀土元素等数十种。(二)微量元素的分类 1. 微量元素对维持生命活动的作用 (1)必需微量元素(essential trace element):指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。迄今公认的 对人和哺乳动物必需的微量元素有14种 :铁、铜、锌、锰、铬、钼、钴、钒、 镍、锡、氟、碘、硒、硅。 “必需”的内涵: 机体必须从外界饮食中摄取这种元素,当
3、 从饮食中去除,机体呈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,这种作用不能被其它任何元素完 全代替 附加条件: 这种元素以相似的浓度存在于不同动物的组织内; 不论动物(主要指哺乳类高级动物)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能被治愈。 微量元素对健康影响的特征: -必需性 -量小作用大 (2)非必需微量元素(non-essential trace element):无明显生理功能的微 量元素。这些元素的生物学效应或许
4、迄 今未被人们认识,或者它们来自外环境 的污染,如铅、镉、汞、铊等。 又可进一步分为无毒非必需元素和有害 非必需元素,前者如锂、硼、铷、溴等 ,后者如铅、镉、汞、铊、铝、锑等。2. 按其营养作用特征及生理功能 (1)必需微量元素:得到多数国际微 量元素学术会议和世界卫生组织(WHO )公认,在人体或高等动物体内构成细 胞或体液的特定生理成分,具有明显营 养作用,人体生理过程中必不可少,缺 乏该元素后产生特征性生化紊乱、病理 变化及疾病,补充该元素能纠正特征性 病理变化或治愈,称为必需微量元素。 (2)可能必需的微量元素:具有一定 有益生物学作用及医疗、预防、保健 效能,又具有某些必需微量元素的
5、生 物及生化特征(如高度的生物学活性 及催化性能等)的元素。这些元素目 前尚未被WHO和多数国际学术组织认可 ,如砷、锂、锶、硼等。 3无毒微量元素:凡未发现有营养作用,又无明显毒害作用的 元素,称为无毒微量元素,如钡 、钛、铌、锆等。 4有害微量元素:凡无营养作用 ,人体又对其缺乏精密调节机制 ,且在体内具有蓄倾向和明显毒 害作用的微量元素,例如铅、汞 、镉、铊、铝、锑等。二、微量元素在生命过程中的重要作用 (一)环境与机体在微量元素上的统一性 生物体(包括人)通过新陈代谢与外界环境不 断进行物质交换和能量流动,使得机体的结构 组分(如元素含量)与环境的物质成分(元素 )不断保持着动态平衡,
6、并形成了生物与环境 之间相互依存、相互联系的复杂统一体。这一 理论为阐明环境中的微量元素与健康关系的理 论基础。 必需微量金属元素在人体内的含量与地壳、海 水中的含量呈现明显的丰度相关,而有毒元素 在海水中的含量相对较低 生物地球化学性疾病( biogeochemical disease): 碘缺乏病就是由于某地区碘元素含 量过低可引起地方性甲状腺肿( endemic goiter)或地方性克汀病 (endemic cretinism)等一系列 病症。 机体对环境的适应性: 生物的生存和发展,必须适应外界环境条件 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。 生物进
7、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。 (二)微量元素在维持健康上的重要性 锌 铁 铜 铬 碘 硒 硅(三) 微量元素生物学效应的双重性 有毒物质:S型曲线 微量元素:U型曲线三、微量元素与健康研究的成就 和新进展 (一)重要成就 1.弄清了一些疾病的发病原因 (1)碘缺乏病 (2)微量元素铜引起的疾病 (3)锌缺乏病 (4)地方性氟病 (5)微量元素硒与健康关系的研究 (二) 微量元素的作用机理 (1)碘缺乏病 (2)Menke综合征和Wilson病 人们 对铜缺乏性M
8、enke综合征(MD)或铜过 量导致的Wilson病(肝豆状核变性, WD)从分子生物学水平上有了新的认 识。 这两种疾病:由于两个铜转运ATP酶基因 突变而引起的两种遗传代谢性疾病。这 两种蛋白酶均使铜从细胞内向外流动。 MD基因和WD基因已被分离出来,都是编 码一种P型ATP酶并且有67%的氨基酸相同 。 这两种蛋白在氨基端还含有6个铜结合位 点,均含有8个跨膜区域,并通过这8个 跨膜区域形成的孔道使铜离子泵出细胞 。 (3)锌缺乏病 (4)地方性砷中毒 (5)硒的健康效应 (三)微量元素在疾病防治上成 效显著 (1)碘缺乏病防治 (2)克山病、大骨节病的防治 (3)微量元素硒的抗癌作用
9、(4)微量元素硅、钒、砷在癌症治疗 上的作用 (5)微量元素在保健品中的应用 四、微量元素与健康的研究方法 (一)微量元素的定量检测 (1)原子吸收光谱法(AAS),具 有简便、灵敏等优点,但样品前处 理程序复杂、易受污染; (2)电感耦合等离子体原子发射 光谱法(ICP/AES),其最大的优 点是可同时测定多种元素, (3)质子激发X射线荧光光谱法(PIXE),可同时测 定多种元素,其灵敏度较高,可同时测定血浆、毛发 中含量为0.11g/g的多种微量元素; (4)火花源质谱法(SSMS),具有灵敏度高和多种 元素同时测定的优点,在测定生物样品的微量元素过 程中,样品的制备处理耗时较多; (5
10、)中子活化法(NAA),能进行各种生物组织中 多种元素的测定,已用于测定心、肝、肾、肺、脾组 织中20多种微量元素,灵敏度高,检测范围为 10ng100g/g; (6)阳极溶出伏安法(ASV),主要优 点是对铅最灵敏,这是AAS和NAA检测方 法不能相比的,该方法还可用于测定生 物样品中的镉、锌、铜,浓度可低至 0.1g/L; (7)离子选择性电极法(ISE),为微 量元素测定提供了简便、廉价、灵敏的 方法,不能同时测定多种元素。(二)微量元素在生物大分子中作用 的研究 生物大分子的活性和正常功能需要微量元素 的参与,一些有毒金属元素对机体的毒作用 也是以其对生物大分子影响为基础的。 对具有复
11、杂结构的生物大分子来说,最直接 的检测方法是X射线晶体衍射分析,但核磁共 振、圆二色性、拉曼光谱等对研究生物大分 子在溶液中的结构和构象特征都是重要手段 。 测定金属酶或金属蛋白中金属离子氧化态的 方法有氧化还原滴定、磁化率测定、电子顺 磁共振谱和穆斯堡尔谱等。 微量元素生物学效应研究中常用的放射性示 踪元素有51Cr、55、57、58、60Co、64、67Cu、18F、59Fe、123I、125I、131I、75Se等。 放射免疫分析就是利用放射示踪技术,通过 定量标记抗原和质量控制,可测定生物体内 多种物质,从而获取有关微量元素的信息。 分子生物学技术: 揭示某些微量元素相关疾病的发病 原
12、因、微量元素的作用机理、一些 生物大分子如金属硫蛋白、重要的 金属酶等的结构及其特征的方面起 着极其重要的作用。 (五)微量元素与健康研究的动态与展望 随着科学技术的进步、分子生物学和痕量分 析技术的发展及人们对微量元素生物学效应 认识的深化,将会在蛋白质和分子水平上揭 示出微量元素生物学效应的更多奥秘,对微 量元素间的相互作用机制也将会有更加深入的了解。 1.分子生物学技术对微量元素生物 学效应研究的推动作用 对Menke病(MD)和Wilson病(WD) 的发病机理研究发现,MD基因和WD 基因都编码一种P型ATP酶,且有67% 的氨基酸相同。MD基因被精确定位 于Xq13.3,而且是处于
13、一个仅100kb 的狭窄区域内。 MD基因全长8kb,有23个外显子,受其 控制而编码的产物是一种P型ATP酶铜 转移膜蛋白,由1500个氨基酸组成, 称为ATP7A。WD基因位于位于13号染色体长臂1区4 带3亚带(13q14.3),编码1411个氨 基酸的产物也是一种P型铜转运ATP酶 ,称为ATP7B。 硒蛋白的研究: 已克隆并测定了cDNA序列的哺乳动物硒 蛋白有9种,分别是:细胞内谷胱甘肽过 氧化物酶(cGPx)、细胞外谷胱甘肽过 氧化物酶(eGPx)、磷脂氢谷胱甘肽过 氧化物酶(PHGPx)、胃肠谷胱甘肽过氧 化物酶(GIGPx)、型碘甲腺原氨酸- 5-脱碘酶(ID-)、ID-、I
14、D-、 硒蛋白P和硒蛋白W。 2.微量元素间的相互作用 当今的热点问题:深入研究微量元 素间的相互作用,对于阐明微量 元素的作用机理具有重要意义。 因为环境介质中和机体内的微量 元素都不是孤立存在的,微量元 素之间及与其他物质之间存在着 复杂的相互作用。 多数二价金属元素,由于它们的价态相 同或化学性质相似,而多产生相互干扰 或拮抗作用。 铁与锌、锌与铜、锌与锰、锌与铅等均 可相互抑制其吸收、利用。 锌对铜吸收的抑制作用,主要是由于锌 可诱导肠黏膜细胞合成金属硫蛋白( metallothionein),后者虽对锌有高度 亲和力,但对铜的亲和力更大。 3.微量元素在疾病防治上广阔的开发利用前景 预防碘缺乏病、克山病和大骨节病、硒 的抗癌作用 研制多种微量元素补充剂,如锌补充剂 、铁补充剂、硒补充剂等。 有的微量元素还可直接用于治疗某些疾 病,例如砷用于治疗急性早幼粒细胞性 白血病取得成功就是最好的例证。 在保健品中的应用 Thank you for your attention!