Цинк является важным микроэлементом для людей [1] [2] [3] и других животных, [4] для растений [5] и для микроорганизмов . [6] Цинк необходим для функционирования более 300 ферментов и 1000 факторов транскрипции , [3] и хранится и переносится в металлотионеинах . [7] [8] Это второй по распространенности микроэлемент в организме человека после железа, и это единственный металл, который присутствует во всех классах ферментов . [5] [3]
В белках ионы цинка часто координируются с боковыми цепями аминокислот аспарагиновой кислоты , глутаминовой кислоты , цистеина и гистидина . Теоретическое и вычислительное описание этого связывания цинка в белках (а также других переходных металлов) является сложным. [9]
Примерно 2–4 грамма цинка [10] распределены по всему телу человека. Большая часть цинка находится в мозге, мышцах, костях, почках и печени, с самой высокой концентрацией в простате и частях глаза. [11] Семенная жидкость особенно богата цинком, ключевым фактором в функционировании предстательной железы и росте репродуктивных органов . [12]
Гомеостаз цинка в организме в основном контролируется кишечником. Здесь ZIP4 и особенно TRPM7 были связаны с поглощением цинка кишечником, необходимым для постнатального выживания. [13] [14]
У людей биологическая роль цинка повсеместна. [15] [2] Он взаимодействует с «широким спектром органических лигандов » [15] и играет роль в метаболизме РНК и ДНК, передаче сигналов и экспрессии генов . Он также регулирует апоптоз . Обзор 2015 года показал, что около 10% человеческих белков (~3000) связывают цинк [16] в дополнение к сотням других, которые транспортируют и переносят цинк; похожее исследование in silico на растении Arabidopsis thaliana обнаружило 2367 белков, связанных с цинком [5] .
В мозге цинк хранится в специфических синаптических пузырьках глутаматергических нейронов и может модулировать нейрональную возбудимость. [2] [3] [17] Он играет ключевую роль в синаптической пластичности и, следовательно, в обучении. [2] [18] Гомеостаз цинка также играет важную роль в функциональной регуляции центральной нервной системы . [2] [17] [3] Считается, что нарушение гомеостаза цинка в центральной нервной системе, приводящее к избыточной синаптической концентрации цинка, вызывает нейротоксичность через митохондриальный окислительный стресс (например, путем нарушения определенных ферментов, участвующих в цепи переноса электронов , включая комплекс I , комплекс III и α-кетоглутаратдегидрогеназу ), нарушение гомеостаза кальция, глутаматергическую нейрональную эксайтотоксичность и вмешательство в внутринейрональную передачу сигнала . [2] [19] L- и D-гистидин облегчают усвоение цинка мозгом. [20] SLC30A3 является основным переносчиком цинка , участвующим в гомеостазе цинка в мозге. [2]
Цинк является эффективной кислотой Льюиса , что делает его полезным каталитическим агентом в гидроксилировании и других ферментативных реакциях. [21] Металл также имеет гибкую координационную геометрию , что позволяет белкам, использующим его, быстро менять конформации для выполнения биологических реакций. [22] Двумя примерами ферментов, содержащих цинк, являются карбоангидраза и карбоксипептидаза , которые жизненно важны для процессов образования диоксида углерода ( CO
2) регуляция и переваривание белков соответственно. [23]
В крови позвоночных карбоангидраза преобразует CO
2в бикарбонат, и тот же фермент превращает бикарбонат обратно в CO
2для выдоха через легкие. [24] Без этого фермента это преобразование происходило бы примерно в миллион раз медленнее [25] при нормальном pH крови 7 или потребовало бы pH 10 или более. [26] Неродственная β-карбоангидраза требуется растениям для формирования листьев, синтеза индолилуксусной кислоты (ауксина) и спиртового брожения . [27]
Карбоксипептидаза расщепляет пептидные связи во время переваривания белков. Координационная ковалентная связь образуется между терминальным пептидом и группой C=O, присоединенной к цинку, что придает углероду положительный заряд. Это помогает создать гидрофобный карман на ферменте около цинка, который притягивает неполярную часть перевариваемого белка. [23]
Цинк был признан посланником, способным активировать сигнальные пути. Многие из этих путей обеспечивают движущую силу аберрантного роста рака. Они могут быть направлены через транспортеры ZIP . [28]
Цинк выполняет чисто структурную роль в цинковых пальцах , изгибах и кластерах. [29] Цинковые пальцы образуют части некоторых факторов транскрипции , которые являются белками, распознающими последовательности оснований ДНК во время репликации и транскрипции ДНК . Каждый из девяти или десяти Zn2+
Ионы в цинковом пальце помогают поддерживать структуру пальца путем координированного связывания с четырьмя аминокислотами в факторе транскрипции. [25]
В плазме крови цинк связан и транспортируется альбумином (60%, низкое сродство) и трансферрином (10%). [10] Поскольку трансферрин также транспортирует железо, избыточное железо снижает усвоение цинка, и наоборот. Подобный антагонизм существует с медью. [30] Концентрация цинка в плазме крови остается относительно постоянной независимо от потребления цинка. [21] Клетки слюнной железы, простаты, иммунной системы и кишечника используют сигнализацию цинка для связи с другими клетками. [31]
Цинк может содержаться в запасах металлотионеина в микроорганизмах или в кишечнике или печени животных. [32] Металлотионеин в клетках кишечника способен регулировать всасывание цинка на 15–40%. [33] Однако недостаточное или избыточное потребление цинка может быть вредным; избыток цинка особенно ухудшает всасывание меди, поскольку металлотионеин всасывает оба металла. [34]
Транспортер дофамина человека содержит высокоаффинный внеклеточный сайт связывания цинка , который при связывании цинка ингибирует обратный захват дофамина и усиливает отток дофамина , вызванный амфетамином in vitro . [35] [36] [37] Транспортер серотонина человека и транспортер норадреналина не содержат сайтов связывания цинка. [37] Некоторые связывающие кальций белки EF-hand, такие как S100 или NCS-1, также способны связывать ионы цинка. [38]
Институт медицины США (IOM) обновил Оценочные средние потребности (EARS) и Рекомендуемые диетические нормы (RDA) цинка в 2001 году. Текущие EARS для цинка для женщин и мужчин в возрасте от 14 лет и старше составляют 6,8 и 9,4 мг/день соответственно. RDA составляют 8 и 11 мг/день. RDA выше, чем EAR, чтобы определить количество, которое будет покрывать людей с более высокими, чем средние, потребностями. RDA для беременности составляет 11 мг/день. RDA для лактации составляет 12 мг/день. Для младенцев до 12 месяцев RDA составляет 3 мг/день. Для детей в возрасте от 1 до 13 лет RDA увеличивается с возрастом с 3 до 8 мг/день. Что касается безопасности, IOM устанавливает допустимые верхние уровни потребления (ULs) для витаминов и минералов при наличии достаточных доказательств. В случае цинка взрослый UL составляет 40 мг/день (ниже для детей). В совокупности EAR, RDA, AI и UL называются рекомендуемыми нормами потребления (DRI). [21]
Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет коллективный набор информации Диетическими референтными значениями, с Референтным потреблением населения (PRI) вместо RDA и Средней потребностью вместо EAR. AI и UL определяются так же, как в Соединенных Штатах. Для людей в возрасте 18 лет и старше расчеты PRI сложны, поскольку EFSA устанавливает все более высокие значения по мере увеличения содержания фитата в рационе. Для женщин PRI увеличиваются с 7,5 до 12,7 мг/день по мере увеличения потребления фитата с 300 до 1200 мг/день; для мужчин диапазон составляет от 9,4 до 16,3 мг/день. Эти PRI выше, чем RDA в США. [39] EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности и установило свой UL на уровне 25 мг/день, что намного ниже значения в США. [40]
Для маркировки пищевых продуктов и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы (%DV). Для маркировки цинка 100% суточной нормы составляли 15 мг, но 27 мая 2016 года эта цифра была пересмотрена до 11 мг. [41] [42] Таблица старых и новых суточных норм для взрослых приведена в Reference Daily Intake .
Продукты животного происхождения, такие как мясо, рыба, моллюски, птица, яйца и молочные продукты, содержат цинк. Концентрация цинка в растениях меняется в зависимости от уровня в почве. При достаточном содержании цинка в почве, пищевые растения, которые содержат больше всего цинка, это пшеница (зародыши и отруби) и различные семена, включая кунжут , мак , люцерну , сельдерей и горчицу . [43] Цинк также содержится в бобах , орехах , миндале , цельном зерне , семенах тыквы , семенах подсолнечника и черной смородине . [44]
Другие источники включают обогащенные продукты питания и диетические добавки в различных формах. Обзор 1998 года пришел к выводу, что оксид цинка , одна из самых распространенных добавок в Соединенных Штатах, и карбонат цинка почти нерастворимы и плохо усваиваются организмом. [45] В этом обзоре цитируются исследования, которые обнаружили более низкие концентрации цинка в плазме у субъектов, которые потребляли оксид цинка и карбонат цинка, чем у тех, кто принимал ацетат цинка и сульфатные соли. [45] Однако для обогащения обзор 2003 года рекомендовал зерновые (содержащие оксид цинка) как дешевый, стабильный источник, который так же легко усваивается, как и более дорогие формы. [46] Исследование 2005 года показало, что различные соединения цинка, включая оксид и сульфат, не показали статистически значимых различий в усвоении при добавлении в качестве обогащающих веществ в кукурузные лепешки. [47]
Почти два миллиарда человек в развивающихся странах испытывают дефицит цинка. Группы риска включают детей в развивающихся странах и пожилых людей с хроническими заболеваниями. [48] У детей это вызывает рост инфекций и диареи и способствует смерти около 800 000 детей во всем мире в год. [15] Всемирная организация здравоохранения выступает за добавление цинка при тяжелом недоедании и диарее. [49] Добавки цинка помогают предотвратить заболевания и снизить смертность, особенно среди детей с низкой массой тела при рождении или задержкой роста. [49] Однако добавки цинка не следует назначать отдельно, поскольку многие в развивающихся странах испытывают несколько дефицитов, а цинк взаимодействует с другими микроэлементами. [50] Хотя дефицит цинка обычно возникает из-за недостаточного потребления с пищей, он может быть связан с мальабсорбцией , энтеропатическим акродерматитом , хроническим заболеванием печени, хроническим заболеванием почек, серповидноклеточной анемией, диабетом, злокачественными новообразованиями и другими хроническими заболеваниями. [48]
В Соединенных Штатах федеральное исследование потребления продуктов питания определило, что для женщин и мужчин старше 19 лет среднее потребление составило 9,7 и 14,2 мг/день соответственно. Для женщин 17% потребляли меньше EAR, для мужчин 11%. Проценты ниже EAR увеличивались с возрастом. [51] В последнем опубликованном обновлении исследования (NHANES 2013–2014) сообщалось о более низких средних значениях – 9,3 и 13,2 мг/день – снова с уменьшением потребления с возрастом. [52]
Симптомы легкого дефицита цинка разнообразны. [21] Клинические последствия включают замедленный рост, диарею, импотенцию и задержку полового созревания, алопецию , поражения глаз и кожи, нарушение аппетита, изменение познавательных способностей, нарушение иммунных функций, дефекты использования углеводов и репродуктивный тератогенез . [21] Дефицит цинка подавляет иммунитет, [53] но и избыток цинка тоже. [10]
Несмотря на некоторые опасения, [54] западные вегетарианцы и веганы не страдают от явного дефицита цинка больше, чем мясоеды. [55] Основными растительными источниками цинка являются вареные сушеные бобы, морские овощи, обогащенные злаки, соевые продукты, орехи, горох и семена. [54] Однако фитаты во многих цельнозерновых продуктах и волокнах могут мешать усвоению цинка, а предельное потребление цинка имеет плохо изученные эффекты. Хелатор цинка фитат , содержащийся в семенах и отрубях злаков , может способствовать мальабсорбции цинка. [48] Некоторые данные свидетельствуют о том, что тем, чей рацион богат фитатами, например некоторым вегетарианцам, может потребоваться больше, чем рекомендованная суточная доза в США (8 мг/день для взрослых женщин; 11 мг/день для взрослых мужчин). [54] Руководящие принципы Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов (EFSA) пытаются компенсировать это, рекомендуя более высокое потребление цинка, когда потребление фитата в рационе выше. [39] Эти соображения должны быть сбалансированы с учетом нехватки адекватных биомаркеров цинка , а наиболее широко используемый индикатор, плазменный цинк, имеет низкую чувствительность и специфичность . [56]
Цинк может присутствовать в почве в шести различных формах, а именно: водорастворимый цинк, обменный цинк, органически связанный цинк, карбонатно-связанный цинк, алюминий и оксид марганца, связанный цинк, и остаточные фракции цинка. [57]
В токсичных условиях виды Calluna , Erica и Vaccinium могут расти на почвах, богатых цинком и металлами, поскольку перемещение токсичных ионов предотвращается действием эрикоидных микоризных грибов . [58]
Дефицит цинка, по-видимому, является наиболее распространенным дефицитом микроэлементов в сельскохозяйственных культурах; он особенно распространен в почвах с высоким pH. [59] Почва с дефицитом цинка возделывается на пахотных землях примерно половины Турции и Индии, трети Китая и большей части Западной Австралии. В этих областях были зарегистрированы существенные реакции на внесение цинковых удобрений. [ 5] Растения, которые растут на почвах с дефицитом цинка, более восприимчивы к болезням. Цинк добавляется в почву в основном через выветривание горных пород, но люди добавляют цинк через сжигание ископаемого топлива, отходы шахт, фосфатные удобрения, пестициды ( фосфид цинка ), известняк, навоз, осадок сточных вод и частицы с оцинкованных поверхностей. Избыток цинка токсичен для растений, хотя токсичность цинка гораздо менее распространена. [5]
Цинк (Zn), наряду с магнием (Mg) и железом (Fe), составляет одно из трех семейств биоразлагаемых металлов. [60] Цинк, как распространенный микроэлемент, занимает шестое место среди всех основных металлических элементов, имеющих решающее значение для поддержания жизни в организме человека. [61] Цинк демонстрирует промежуточную скорость биоразложения, находясь между скоростью Fe (относительно медленная) и Mg (относительно высокая), что позиционирует его как многообещающий материал для использования в биоразлагаемых имплантатах. [62] [63] [64]
Цинк является вторым по распространенности микроэлементом в организме человека и необходим для многих биологических процессов. ... Микроэлемент цинк является необходимым кофактором для более чем 300 ферментов и 1000 факторов транскрипции [16]. ... В центральной нервной системе цинк является вторым по распространенности микроэлементом и участвует во многих процессах. Помимо своей роли в ферментативной активности, он также играет важную роль в клеточной сигнализации и модуляции нейронной активности.
оксидоредуктазы и изомеразы (42,43).
Транспортер дофамина человека (hDAT) содержит эндогенный высокоаффинный сайт связывания Zn
2+
с тремя координирующими остатками на его внеклеточной стороне (His193, His375 и Glu396). ... Таким образом, когда Zn
2+
высвобождается совместно с глутаматом, он может значительно увеличить отток дофамина.