Минеральные элементы

Цинк — это умеренно распространенный в природе металл. По количеству в организме, он занимает второе место, после железа, но в отличие от от него, имеет одну окислительно-восстановительную форму. Вместе со своим  размером и зарядными характеристиками, это приводит к его разнообразному использованию в белковых молекулах организма. Число цинк-содержащих белков неизвестно, но растет, и они включают множество ферментов и еще больше в ядерных белках, регулирующих экспрессию генов. Существуют белки, ответственные за гомеостаз цинка. Участки связывания и функционирования внутри некоторых из этих протеинов хорошо изучены, а некоторые менее понятны. Спектр физиологических функций цинка в организме широк и может наблюдаться во всех тканях организма. Так, цинк необходим для синтеза ДНК, клеточного деления и роста, синтеза белков и метаболизма макроэлементов, а также для развития и нормального функционирования большинства систем организма. Дефицит цинка может развиваться при употреблении большого количества растительной пищи или концентратов фитатов, что приводит не только к дефициту цинка, но и анемии.

Природным источником цинка являются минералы (сфалерит). Соединения цинка используются при гальванизации железа, для получения сплавов, антикоррозийной обработке, в щелочных аккумяуляторах.

В медицине сульфат цинка используется как компонент фармпрепаратов, которые применяются для лечения дефицита цинка, болезней кожи, волос, ногтей, цирроза печени и при заживлении ран. Так называемые "хелатные комплексы" (аспарагинат, глюконат, гистидинат, дипиколинат цинтка) обладают повышенной биоусвояемостью, что определяет их применение при лечении многии заболеваний: диабета, различных иммунодефицитов, включая СПИД, алопеций, бесплодийя, болезней кожи, волос, ногтей и печени.

"Хелатные комплексы" цинка используются при профилактике простудных заболеваний у детей, для улучшения аппетита, роста, развития и концентрации внимания.

Радиоактивные изотопы цинка применяются в аналитической химии и биологии в качестве изотопного индикатора, в частности, для изучения метаболизма цинка в организма в норме и при различных внешних воздействиях.

В медицине цинк применяют в радиоизотопной диагностике, в том числе, в качестве метки для цинксодержащих ферментов. Сульфат цинка используют при определении свертываемости крови. В последние годы соединения цинка (глюкоант, аспарагинат, пиколинат и др), стали широко применяться в дерматологии, эндокринологии, при лечении иммунодефицитных состояний.

Более 200 цинк-содержащих ферментов было описано у человека, и еще более было определено. Ферменты могут быть разделены на три группы, согласно, роли, которую выполняет цинк внутри белка.

• Каталитическая группа (например, карбоновая ангидраза), цинк — прямой участник каталитической функции фермента.
• В ферментах, в которых цинк выполняет структурную функцию (например, протеинкиназа С), металл связывает четыре аминокислоты и поддерживает нужную форму, для выполнения своей функции белком.
• Ферменты, в которых цинк служит ко-катализатором (например, супероксиддисмутаза) имеется два атома цинка, которые координируются двумя аминокислотными остатками. В таких ферментах цинк выполняет структурную и каталитическую функции.

Оптимальная интенсивность поступления цинка в организма 10-15 мг/сутки. Дефицит цинка может развиваться при недосточном поступлении этого элемента (1 мг/день и менее), а порог токсичности составляет 600 мг/сутки. В организме взрослого человека содержится 1.5 - 3 г цинка. У взрослых общее содержание цинка в теле составляет приблизительно 1,5 г у женщин и 2,5 г - у мужчин. Цинк можно обнаружить во всех органах и  тканях; но наибольшее его количество содержится в предстательной желез, сперме, коже, волосах, мышечной ткани, клетках крови.

РОСТ
Цинк принимает в процессах деления и дифференцировки клеток, формировании Т-клеточного иммунитета. Цинк играет важнейшую роль в процессах регенерации кожи, роста волос и ногтей, секреции сальных желез.  Цинк способствует всасыванию витамина Е и поддержанию нормальной концентрации этого витамина в крови. Немаловажную роль он играет в переработке организмом алкоголя, поэтому недостаток цинка может повышать предрасположенность к алкоголизму (особенно у детей и подростков). Цинк входит в состав инсулина, ряда ферментов, участвует в кроветворении.

ИММУНИТЕТ
Иммунная система особенна чувствительная к дефициту цинка. Децицит цинка из-за его роли синтез ДНК, приводит к снижению предшественников В- и Т-клеток в костном мозге.  Тимулин - это цинк-зависимый фермент, стимулирует развитие Т-клеток в тимусе. Продукция цитокинов мононуклеарными клетками также уменьшается при дефиците цинка. Это играет значительную роль в клинической практике - инфкции могут присоединяться значительно чаще. В США популярны добавки цинка для лечения ОРЗ, результаты клинических исследований различны, но короткий курс допускается. 
​
РЕПРОДУКТИВНАЯ ФУНКЦИЯ
Сперматогенез является цинк-зависимым процессом. Семенная жидкость особенно богата цинком, а сперма накапливает цинк непосредственно перед эякуляцией. Цинк также критически важен для нормального развития плода, его дефицит ведет к аномалиям развития у людей и животных. Материнский дефицит цинка связан с патологией, ассоциированной с беременностью, включая преждевремменные роды.

НЕРВНАЯ СИСТЕМА
Головной мозг - одно из мест, где дефицит цинка  особенно цувствителен во время фетального развития, связан с дефектами  нервной трубки и другими нарушениями. Наибольшая концентрация цинка обнаружена в гиппокампе. Там, цинк-специфический транспортер ZnT-3,  накапливает цинк в везикулах глутаматергических нейронов. Он секретируется вместе с нейротрасмиттерами и служит, как полагают, модулятором нейротрансмиссии. Очень высокая концентрация цинка обнаружена ( более 100 мкМоль) в синаптической щели во время этого процесса. К том же, поражения мозга в результате ишемии или травмы, вызывают высвобождение огромного количества цинка, что, полагают, связано с гибелью мозговых клеток.
​
АНТИОКСИДАНТНАЯ ЗАЩИТА
Хотя сам по себе цинк не является антиоксадантом, но существует несколько путей, по которым он выполняет антиоксидантную защинтую функцию. Он может связываться с тиоловыми группами в протеинах, делая их менее доступными для окисления. Замещая активные металы, такие как железо и медь, как из белков, так и липодов, также уменьшет металл-индуцируемое формирование гидроксильных радикалов, и таким образом защищает макромолекулы. Медь/цинковая супероксиддисмутаза - важнейший цинк-содержащий антиоксидантый фермент, чья функция нарушается при дефицитных состояниях. Исследования на животных показали, связь между дефицитом цинка и повышением оксидативного стресса. Благодаря этому существует потенциальная онкопротективная роль этого минерала.

МЕТАБЛИЗМ МАКРОНУТРИЕНТОВ
Цинк является кофактором большой группы ферментов, участвующих в белковом и других видах обмена, поэтому он необходим для нормального протекания многих биохимических процессов. Этот элемент требуется для синтеза белка, а также ДНК и РНК, в том числе коллагена и формирования костей. Секреция инсулина поджелудочной железой и его циркуляция связаны с цинком. Его выделение снижается при дефиците цинка, и ведет к нарушению обмена углеводов. Обмен жиров также подвержен влиянию цинку и его дефицит связан со снижением количества циркулирующих липопротеинов высокой плотности.

Функции:

• Кофактор множества ферментов: РНК-полимеразы (синтез новых белков); алкогольдегидрогеназы; синтез ДНК; метаболизм нейротрансмиттеров; метаболизм различных гормонов (гормоны роста, гормоны щитовидные железы, инсулины и половые гормоны);
• Рост и дифференциация клеток;
• Продукция и регуляция клеточного и гуморального иммунного ответа;
• Антиоксидантная защитная система. Защита клеток против организческих токсинов, тяжелых металлов, радиации и эндотоксинов, тяжелых металлов, радиации и эндотоксинов, вырабатываемых патогенными бактериями;
• Репродуктивная функция.
• Когнитивные функции
• Обмен белков, жиров и углеводов.

Размер (это относительно маленький ион, с анатомическим номером 30) и характеристики заряда (имеет положительный заряд +2) позволяют переносчикам переносить его через биологические мембраны. Он притягивает электроны также сильно, как кислота Льюса, и это свойство важно для его катаболических свойств. Он имеет относительно гибкую геометрию, когда связывается со своими лигандами с высокой аффинностью, обеспечивает высокие скорости обмена, во время химических реакций и биологических процессов.

Два семейства транспортеров было описано и охарактеризовано. ZIP — семья (ZRT — цинк-регулирующий транспортер) и IRT — семья (железо-регулирующий транспортер) — переносят цинк в цитоплазму клеток, так же как из клетки и внутриклеточных структур. Вторая группа транспортеров, CDF-семья (катион-диффундирующий фактор) — отвечает за выход цинка из цитоплазмы. Последнее семейство включает ZnT-1, который локализован в мембране, и работает как белок-переносчик цинка из цитоплазмы, и Zn-2, транспортирующий цинк в везикулы с цинком при состояниях, сопровождающихся высоким содержанием цинка. Вместе, ZIP и CDF белки выполняют гомеостатический контроль распределения цинка в организме.

Схема обмена цинка в организме человека представлена ниже

Около 20-40% употребленного цинка абсорбируется, в зависимости от биодоступности конкретного пищевого источника. Цинк абсорбируется, как в растворимых, так и в не растворимых процессах, с наибольшей скоростью в тощей кишке. Абсорбция увеличивается при дефицитном состоянии и снижается когда имеется в достатке. Цинковый статус отражается концентрацией в кишечнике цинк-связывающего белка — металлопротеина (МТ). МТ может захватывать белок внутри эпителиальных клеток, вызывая его потери с калом при слущивании клеток. Большое количество цинка секретируется из поджелудочной железы и кишечника. Мальабсорбционный синдром может приводит к нарушения реабсорбции этой эндогенной секреции и приводит к быстрой потери организмом цинка.

Плазматический пул цинка относительно мал, и отражает только 0,1% от общего количества цинка в организме. Он циркулирует связанный с альбумином и альфа-2-макроглобулином, и около 3% в комплексе с аминокислотами. Почти пятикратное количество цинка обнаружено в эритроцитах, и достигает 75% от всего содержания. Однако, около 85% эритроцитарного цинка находится в комплексе карбоновой ангидразой, и, таким образом, с трудом подвергается обмену. Распределение цинка в тканях относительно однородно, все клетки нуждаются в минерале и никакая из них не накапливает его. Концентрация цинка во взрослом человеке 0,5 мкмоль/г и составляет во всем организме около 2 г. Более половины обнаружено в мышечной ткани и около 30% — в костях. Костный, как полагают, более лабильный, чем мышечный. Печень — представляет другой лабильный пуль цинка, она получает цинк из портальной циркуляции и содержит около 5% цинка организма.

Цинк выводится из организма главным образом через кал. Кал содержит неусвоенный пищевой цинк, и цинк, содержащийся в эпителиальных клетках, которые были отслущены, а также эндогенный цинк продуктов секреции кишечника, поджелудочной железы и желчного пузыря. Потери цинка с мочой минимальны (400-600 мкг в сутки). Кожа эпителия, пот, волосы, менструальная кровь и семенная жидкость — дополнительные пути потери цинка  - 1 мг/сут.

Широкое распространение цинка в организме предполагает, что функция большинства систем зависит от цинка. В дополнение к пищевому дефициту, существует несколько причин, приводящих к дефициту цинка. Энтропатический акродерматит, генетическое заболевание нарушения всасывания цинка, уже был упомянут. Другие, более генерализованные, синдромы мальабсорбции (наприем, целиакия), также могут приводит к дефициту этого металла. Дети часто бывают в потенциальном риске дифицита цинка из-за его участия в росте. 

Мягкий дефицит
Трудно подвергается определению, эффект дефицита может быть оценен только по ответу на лечение. Рост, является хорошим примером. Дети в Денвере, Колорадо, у которых отмечался низкий рост для своего возраста, увиличивали его скорость в ответ на добавки цинка, тогда на детей с нормальным уровнем цинка, эффекта не отмечалось. В дополнение к улучшенному росту, отмечалась улучшение работы иммунной системы, острота вкуса и запахов, и репродуктивная функция.

Тяжелый дефицит
Тяжелый дифицит хорошо известен на Среднем Востоке у пациентов энтеропатическим акродерматитом. Симптомы мягкого дефицита усиливаются. Так, задержка роста становится серьезной, сопровождается замедлением полового созревания и импотенцией. Характерные поражения кожи обнаруживаются вокруг рта и носа, но становятся распространенными при ухудшении дефицита. Отмечается также диарея. Нарушение вкуса и запаха, сопровождают анорексию и другие поведенческие изменения, включая раздражительность и снижение когнитивной функции. Патология глаз подобна той, которая наблюдается при дефиците витамина А.

Симптомы дефицита цинка — прекращение роста, гипогонадизм и задержка полового созревания; изменения и старение кожи.
​
Эритематозная, везикулобуллезная и пустулезная сыпь имеет характерное распределение: прежде всего она появляется на конечностях и коже в области естественных отверстий. Высыпания могут стать распространенными. Изменения волос обычно следуют после возникновения дерматита. Волосы могут стать гипопигментированными, приобрести красноватый оттенок. Характерная особенность — очаговая потеря волос.

Дефицит цинка оказывает влияние на роговицу — ткань с самым высоким его содержанием. Возникает отек роговицы, который может приводить к ее помутнению. Может развиться умеренный сухой конъюнктивит и прогрессировать до двустороннего ксероза и кератомаляции.

При дефиците цинка могут наблюдаться изменения поведения: раздражительность, сонливость и депрессия; анорексия, измененное восприятие запахов и вкусовых ощущений. У некоторых лиц развивается выраженный тремор, атаксическая походка и появляется нечленораздельная речь.

Иммунная система особенно чувствительна к дефициту цинка. Лимфопения и тимическая атрофия, а также клеточный и гуморальный иммунитет страдают, при дефиците цинке. Дефицит цинка индуцирует апоптоз, что в свою очередь приводит к потере В- и Т-клеточных предшественников в костном мозге. Тимулин, цинк-зависимый фермент, который стимулирует развитие Т-клеток в тимусе. Продукция цитокинов мононуклеарными клетами также снижается при дефиците цинка. Эти эффекты могут оказывать значительные клинические эффекты. Инфекционные осложнения наблюдаются чаще у лиц с энтеропатическими акродераматитами. Сниженная иммунная функция, сопровождает дефицит цинка и при других состояниях: серповидно-клеточная анемия, различные желудочно-кишечные заболевания. В США популярно лечение пастилками цинка простую простуду, из результатов исследований, результаты были различны, но период заболевания сокращали.

Репродуктивная функция зависит от цинка, половое созревание задерживается при дефиците последнего. Сперматогенез — цинк-зависимый процесс. Семенная жидкость богата цинка, и сперма накапливает цинк перед эякуляцией. Цинк также критичен для нормального развита плода, его дефицит ведет к аномалиями у людей и человека.

Дефицит цинка во время беременности приводит к аномалиями развития нервной системы. Поэтому потребность в цинке увеличивается в течение беременности. Она невелика: приблизительно 100 мг или дополнительные 0,6 мг/сут цинка на протяжении беременности.  Цинк обнаруживается во всем мозге, но особенно его повышенная концентрация определяется в гиппокампе. Здесь мозговой специфический транспортер ZnT-3, собирает цинк в везикулы в глутаматэргических нейронах. Он секретируется вместе с нейромедиаторами и служит модулятором нервной передачи. Очень высокая концентрация цинка (> 100 мкМоль) обнаруживается в синаптической щели. И, наконец, повреждение мозга в результате ишемии или травмы, вызывает высвобождение большого количества цинка, который, как полагают, приводит к гибели клеток.

Цинк играет роль в восстановлении мшечной ткани и энергетичской продукции. Низкий диетический цинк показал нарушение метаболического ответа во время физических упражнений. (Lukaski, 2005). Так как упражнения могут вызывать значимые потери цинка с потом и мочой, то тренировки могут приводить к дефициту цинка. 

Среднее потребление цинка пожилыми людьми - менее 2/3 рекомендуемой суточной потребности. Показано, что пожилые и старые люди выбирают те рационы, которые обеспечивают от 7 до 11 мг цинка в день, или 47-73% нормы. Мужчины и женщины старше 75 лет употребляют на 26 и 15% соответвенно, меньшее количество энергии ежедневно, чем молодые люди. Кроме того, они едят на 31 и 17% соответственно, меньшее количество мяса, рыбы или домашней питцы, чем молодые. Эти разиличя в количестве и типах пищевых продуктов объясняют низкое в среднем потребление цинка пожилыми и старыми людьми, поэтому они более склонны к развитию его дефицита. Несколько факторов, могут увеличить риск развития дефицита цинка в старших возрастных группах:
1) уменьшение способности к адсорбции цинка;
2) увеличение вероятности заболеваний, что изменяет утилизацию цинка;
3) применение лекарств (мочегонных средств), которые увеличивают мочевую экскрецию цинка;
4) употребление волокон, кальция или добавок железа, которые могут изменять биодоступность цинка.
Некотоыре частые для старых лиц проблемы могут быть обусловлены дефицитом цинка в организме: медленно заживающие раны, анорекция, дерматиты, снижение остроты вкуса, нарушения функции именной системы.
​

Цинк, не является сам по себе антиоксидантом, но служит участником антиоксидантного защитного процесса, который важен, в предотвращении смерти. Он может связывать тиоловые группы в протеинах, делая их менее подверженными оксидации.

Из-за высокого потребления фитата вегетарианство является фактором риска для развития дефицита цинка, особенно у лиц, потребляющих рационы, состоящие из хлебных злаков. Потребность в цинке увеличивается в течение беременности. Она невелика: приблизительно 100 мг или дополнительное потребление 0,6 мг/сут цинка на протяжении беременности. Брожение теста уменьшает содержание фитиновой кислоты и значительно улучшает всасывание цинка. Молярное соотношение цинк/фитат используется в оценке биодоступности цинка в продуктах.

Орехи и бобы — относительно хороший растительный источник этого элемента. Концентрация цинка в растении увеличивается, если оно вырастает на богатой цинком или обработанной удобрениями почве.
Большое количество потребляемого цинка может нарушать биодоступность меди. Фолиевая кислота может вредить всасыванию цинка, когда потребление цинка с пищей недостаточное. Это имеет значение при беременности, когда женщинам часто назначают дополнительно фолиевую кислоту.

Повышенная опасность дефицитных состояний:

• Быстрый рост: детство и пубертатный период период, беременность и лактация;
• Вегетарианская диета;
• Длительная диета для похудения;
• Проблемы пищеварения: недостаточность поджелудочной железы, синдром воспаленного кишечника, диарея;
• Энтеропатический акродерматит;
• Высокие дозы кальий-содержащих добавок;
• Чрезмерное потребление алкоголя;
• Заболевания печени и почек, диабет;
• Хронические инфекции или воспалительные процессы (например, ревматоидный артрит).

Последствия дефицитных состояний:

• Дерматиты, воспаленные акне, длительное защивление ран, выпадение волос;
• Снижение вкусовых и обонятельных ощущений (часто сопровождаемых анорексий);
• Медленный рост, позднее половое развитие и созревание;
• Депрессия, раздражительность, трудности с концентрацией внимания и обучением;
• Сниженная сопротивляемость токсинам окружающей среды и радиации;
• Повышенная липидная пероксидация;
• Сниженная продукция спермы, нарушения овуляции, сниженная способность к зачатию у мужчин и у женщин;
• Снижение иммунитета у повышенная соприимчивость к инфекциям

Заболевания, связанные с дефицитом цинка
— заболевания желудочноокишечного тракта (болезнь Крона, спру, синдром
короткой кишки, обходной еюноилеальный анастомоз);
— у пациентов с алкогольным циррозом печени часто возникает гиперцинкурия, гипоцинкемия и низкая концентрация цинка в печени; гипоцинкемия часто встречается у алкоголиков с заболеванием печени,  но она также наблюдает у некоторых алкоголиков (30-50%) без явного поражения печени;
— сахарный диабет может сопровождаться гиперцинкурией, которая увеличивается с тяжестью диабета и приводит к дефициту цинка у некоторых больных.

Распространенность дефицита цинка в общей популяции не известа, из-за отсутствия хороших методов его оценки. Измерение плазматического цинка не является достоверным индикатором содержания цинка в организме. Плазматический цинк - это самый малый объем цинка в организме, который легко подвергается изменениям благодаря смещению тканевого цинка. Плазматический цинк не снижается при дефиците пищевого цинка, кроме крайне низких его количеств в рационе. Плазматический цинк также подвергается влиянию факторами, не связанными со статусом цинка (например, время суток, стресс или инфекция). Клеточный компонент крови может быть оценен, но эритроцитарная концентрация цинка поддерживается у дефицитных пациентов, различные результаты были показаны и в лейкоцитраной концентрации. Содержание цинка в волосах может отражать содержание цинка в организме, но также зависит от скорости роста волос. 

В организм цинк поступает с пищей. Оcобенно много цинка в говядине, печени, морских продуктах (устрицы, моллюски, сельдь), пшеничных зародышах, рисовых отрубях, овсяной муке, моркови, горохе, луке, шпинате и орехах. 

Цинк находится в комплексах с белками организма и поэтому обнаруживается в продуктовых белках. Таким образом, пища богатая белками, является хорошим источником цинка. Однако, среди продуктов также имеется широкая вариабельность, так, белок яиц почти не содержит цинка, а в устрицах — 750 мг/кг. Физиологическая роль столь высокой концентрации устриц не известна, хотя высокая концентрация цинка в клетках, как полагают, служит для фагоцитарной и защитной функции. Так же, как биодоступность цинка, также может различаться. Так, зерновые и бобовые могут достаточно хорошим источником цинка, но из-за наличия фитата, его биодоступность снижается, в то же время, животные протеины улучшают всасывание цинка.

Для лучшего усвоения цинка организмом необходимы витамины А и В6. Усвоению цинка препятсвуют медь, марганец, железо и кальций (в больших дозах). Кадмий способен вытеснять цинк из организма.

Несмотря на то, что цельные зерна и бобовые содержат умеренное и высокое количество цинка, эти продукты содержат также большое количество фитата (фитиновая кислота), которые является диетическим подавителем всасывания цинка. Соотношение цинка и фитата смотрите в таблице ниже. 
Растения синтезируют фитат, наибольшая концентрация которого содержится в семенах, и меньшее количество в растительной части. Фитат формирует хилатные комплексы с цинком и другими минералами; и так как этот комплкс в целом неперевариваемый и невсасываемый, то он выводит хелатную порцию цинка из организма, снижая общее количество цинка, доступное для всасывания. Перемалывание муки убирает большую часть фитата, но оно также убирает и большое количество цинка. Брожение теста уменьшает содержание фитиновой кислоты и значительно увеличивает всасывание цинка. Таким образом, лица, употребляющие в большом количестве зерновые продукты (например рис) или крахмалистые корневые (например, картофель), со низким количеством в рационе богатого цинком мяса, имеют высокий риск дефицита цинка.

Большая часть цинка в теле человека находится в его мускулах, а самая низкая - в половой желез - простате. 
Добавки цинка могут разбалансировать метаболические равновесия других металлов, поэтому такие вмешательства должны проводиться под строгим медицинским контролем. Подчеркнем этот совет особенно, поскольку гипотеза от отношении цинк/медь - как главном причинном факторе в развитии ишемической болезни сердца (локальное прекращение артериального тока крови) оказалось вполне корректным.

Излишнее потребление цинка выше рекомендованных доз (11 мг/сутки для взрослых мужчин и 8 мг/день для взрослых женщин) может приводить к нарушению иммунного ответа и снижению всасывания железа и меди. 
​
Цинк является нетоксичным микроэлементом при дозах менее 100 мг в сутки. При дозах более 150 мг цинк может стать причиной тошноты и рвоты, и нарушать абсорбцию меди. При очень высоких дозах (более 300 мг в сутки) могут возникнуть нарушения иммунной системы и повысится уровень холестерина высокой плотности в крови. В США максимальная допустимая дозировка 40 мг в сутки, из-за его влияния на метаболизм меди. 

Острое отравление этим элементом случалось при потреблении кислых фруктовых соков, упакованных в гальванизованные (покрытые цинком) стальные контейнеры. В общем цинк не опасен, и по-видимому, главная возможность отравиться им - совместное присутствие с токсичным кадмием (в виде загрязнения).