Цинк: Определение, синтез, абсорбция, транспорт и разпределение

цинк е химичен елемент, носещ символа на елемента Zn. Заедно с желязо, мед, манганИ т.н., цинк принадлежи към групата на преходните метали, в която заема специално място поради свойства, подобни на алкалоземните метали, като напр. калций и магнезий (→ относително стабилна електронна конфигурация). В периодичната таблица, цинк има атомно число 30 и е в 4-ти период и - според остарялото броене - във 2-ра подгрупа (цинкова група) - аналогично на алкалоземните метали като 2-ра основна група. Според сегашната номенклатура на IUPAC (Международен съюз за чиста и приложна химия) цинкът е в група 12 с кадмий и живак. Поради своята електронна конфигурация, цинкът лесно образува координационни връзки в растителни и животински организми, за предпочитане с аминокиселини и протеини, съответно, в която той присъства предимно като двувалентен катион (Zn2 +). Поради тази причина, за разлика желязо or мед, цинкът не участва пряко в редокс реакции (реакции на редукция / окисление). Подобни физикохимични свойства, като изоелектричност, координация номер и конфигурация sp3 са причината, поради която антагонистични (противоположни) взаимодействия възникват между цинк и мед. В организма на бозайниците цинкът е един от количествено важните микроелементи, заедно с желязо. Почти всеобхватното му участие в най-разнообразните биологични реакции прави цинка един от най-важните микроелементи. Неговата същественост (жизненост) за биологичните процеси е доказана преди повече от 100 години с помощта на проучвания върху растения. Съдържанието на цинк в хранителните продукти, което обикновено варира между 1 и 100 mg на kg прясно тегло или годна за консумация порция, варира значително в зависимост от условията на растеж и производство. Храни от животински произход, като постно червено мускулно месо, птици, карантии, ракообразни и черупчести, като стриди и раци, някои видове риби, като херинга и пикша, яйцаи млечните продукти, като твърди сирена, са добри източници на цинк поради преференциалното свързване на микроелемента с протеини. Богати на протеини храни от растителен произход, като пълнозърнести храни, бобови растения, ядки и семената, също имат високи нива на цинк. Ако обаче протеиновите компоненти се отстраняват от суровите растителни продукти, като зърнени култури, чрез смилане или белене по време на производството на храна, съдържанието на цинк обикновено също е намалено. Например продуктите от бяло брашно имат ниски концентрации на цинк [2, 5, 6-9, 12, 18, 19, 23]. Приносът на храната към доставката на цинк се определя по-малко от абсолютното съдържание на цинк, отколкото от съотношението на абсорбция-инхибиране на -промоция на хранителни съставки. Факторите, които инхибират или насърчават цинка абсорбция са обсъдени по-долу.

резорбция

Абсорбцията (поглъщане през червата) на цинк се случва през целия тънко черво, предимно в дванадесетопръстник (дванадесетопръстник) и йеюнум (йеюнум), както от активен, така и от пасивен механизъм. При ниски луминални (в чревния тракт) концентрации цинкът се поема в ентероцитите (клетки на тънките черва) епителий) под формата на Zn2 + с помощта на двувалентен метален транспортер-1 (DMT-1), който транспортира двувалентни преходни метали заедно с протони (H +) или свързан с пептид, вероятно като комплекс глицин-глицин-хистидин-цинк, с помощта на специфични за цинка носители, така наречените Zip протеини. Този процес зависи от енергията и се насища при високи интралуминални концентрации на цинк. Кинетиката на насищане на активния транспортен механизъм кара допълнително да се абсорбира (поема) цинк парацелуларно (маса трансфер през междуклетъчните пространства) чрез пасивна дифузия при високи дози, но това няма никакво значение при нормалните диети. В ентероцитите цинкът се свързва със специфични протеини, от които досега са идентифицирани два - металотионеин (MT, цитозолен протеин, свързващ тежки метали, високо в сяра (S) -съдържаща аминокиселина цистеин (около 30 mol%), който може да свърже 7 mol цинк на mol) и богатия на цистеин чревен (засягащ драма) протеин (CRIP). И двата протеина са отговорни за транспорта на цинк през цитозола (течни компоненти на клетката) до базолатералната мембрана (обърната встрани от червата), от една страна, и за вътреклетъчното (вътре в клетката) съхранение на цинк, от друга. MT и CRIP в ентероцитите корелира (взаимосвързано е) със съдържанието на цинк в диета. Докато синтезът на МТ се индуцира (задейства) от повишен прием на цинк, експресията на CRIP, който има подчертан афинитет на свързване с цинк (свързване) сила), се среща предимно при ниско хранително (диетично) количество цинк. Чрез съхраняване на излишния цинк под формата на цинков тионеин и освобождаването му в кръв само когато е необходимо, металотионеин действа като вътреклетъчен цинков басейн или буфер за контрол на концентрация на безплатен Zn2 +. MT се счита за най-важният сензор за регулиране на цинковата хомеостаза. Транспортът на Zn2 + през базолатералната мембрана на ентероцитите в кръвния поток се осъществява чрез специфични транспортни системи, например от цинков транспортер-1 (ZnT-1). В кърма, биха могли да бъдат открити специфични лиганди или протеини, свързващи цинк с ниско молекулно тегло, които поради тяхната добра усвояемост и техния специфичен процес на абсорбция увеличават усвояването на цинк в червата при новороденото, дори преди да се формират други механизми за усвояване. За разлика от тях, цинк в краве мляко се свързва с казеин, смес от няколко протеина, някои от които са трудно смилаеми. Съответно, цинк от жени мляко експонати значително по-високи бионаличност отколкото от краве мляко. Скоростта на абсорбция на цинк е средно между 15-40% и зависи от предходното състояние на снабдяване - хранителен статус - или физиологични нужди и от наличието на някои хранителни компоненти. Повишена нужда от цинк, например по време на растеж, бременност и състояние на дефицит, води до повишена абсорбция от храна (30-100%) в резултат на повишена експресия на DMT-1, Zip протеини и CRIP в ентероцитите. За разлика от това, когато тялото е добре снабдено с цинк, скоростта на усвояване от храната е ниска, тъй като, от една страна, активният транспортен механизъм - DMT-1, Zip протеините - е регулиран надолу (надолу) и, от друга страна, микроелементът все повече се свързва с МТ и остава като цинков тиоеин в лигавицата клетки (лигавични клетки на тънко черво). Чревната абсорбция на цинк се насърчава от следните диетични компоненти:

  • Лиганди с ниско молекулно тегло, които свързват цинка и се абсорбират като комплекс.
    • Витамин С (аскорбинова киселина), цитрат (лимонена киселина) и пиколинова киселина (пиридин-2-карбоксилна киселина, междинно съединение в метаболизма на аминокиселината триптофан) подпомагат абсорбцията на цинк при физиологични концентрации, докато това се инхибира при поглъщане на високи дози
    • Аминокиселините, Като цистеин, метионин, глутамин и хистидин, например, от месо и зърнени храни, чието съдържание на цинк е високо бионаличност.
  • Протеините от храни от животински произход, като месо, яйца и сирене, са лесно смилаеми и се характеризират с висока бионаличност на цинковата част от техните аминокиселинни комплекси
  • Естествени или синтетични хелатори (съединения, които могат да фиксират свободни двувалентни или поливалентни катиони в стабилни, пръстеновидни комплекси), като цитрат (лимонена киселина) от плодове и EDTA (етилендиаминтетраоцетна киселина), който се използва, наред с други неща, като консервант и наркотици, например, при отравяне с метали, стимулират абсорбцията на цинк във физиологични количества чрез свързване на цинка от други комплекси, докато това се инхибира при поглъщане на високи дози

Следните хранителни съставки инхибират абсорбцията на цинк при по-високи дози [1-3, 5, 8, 12, 14-16, 18, 19, 22, 23, 25]:

  • Полезни изкопаеми, Като калций - прием на големи количества калций, например чрез добавки (хранителни добавки).
    • Калцият образува неразтворими цинково-калциеви фитатни комплекси с цинк и фитинова киселина (мио-инозитол хексафосфат от зърнени култури и бобови растения), които намаляват абсорбцията на цинк в червата и увеличават ентеричните загуби на цинк
    • Двувалентният калций (Ca2 +) се конкурира със Zn2 + в апикалната (обърната към червата) ентероцитна мембрана за местата на свързване на DMT-1 и измества цинка от този транспортен механизъм
  • Трейс елементи, като желязо и мед - доставка съответно на високи дози препарати от желязо (II) и мед (II).
    • Тривалентното желязо (Fe3 +) има по-малко инхибиращ ефект от двувалентното желязо (Fe2 +), което нарушава абсорбцията на цинк вече при съотношение Fe: Zn от 2: 1 до 3: 1
    • Инхибирането на поглъщането на Zn2 + в ентероцитите (клетки на тънкочревния епител) от съответно Fe2 + и Cu2 + се осъществява чрез изместване от DMT-1
    • Хемирон (Fe2 +, свързан в порфиринова молекула като компонент на протеини, като хемоглобин) няма ефект върху абсорбцията на цинк
    • При дефицит на желязо абсорбцията на цинк се увеличава
  • Тежки метали, като кадмий
    • Богатите на кадмий храни включват ленено семе, черен дроб, гъби, мекотели и други черупчести, както и какао на прах и сушени водорасли
    • Изкуствените торове понякога съдържат високи нива на кадмий, което води до обогатяване на земеделските земи и по този начин почти всички храни с тежкия метал
    • Кадмият инхибира абсорбцията на цинк във високи концентрации, от една страна, като образува слабо разтворими комплекси, особено четиривалентен кадмий, от друга страна чрез изместване от DMT-1, ако кадмият присъства в двувалентна форма (Cd2 +)
  • Диетични фибри, като хемицелулоза и лигнин от пшенични трици, сложен цинк и по този начин лишават микроелемента от чревна абсорбция.
  • Фитинова киселина (хексафосфорен естер на мио-инозитол със комплексни свойства) от зърнени култури и бобови растения - образуване на неразтворими цинково-калциеви фитатни комплекси, намаляващи както чревната абсорбция на цинк от храната, така и реабсорбцията на ендогенен цинк
  • Горчично масло гликозиди и глюкозинолати, съответно (сяра (S) - и азот (N), съдържащи химични съединения, образувани от аминокиселини), които се намират в зеленчуци като репички, горчица, кресон и зеле, са склонни да образуват комплекси във високо концентрации
  • Танините (растителни танини), например от зелен и черен чай и вино, са способни да свързват цинка и да намаляват неговата бионаличност
  • Хелатори, като EDTA (етилендиаминтетраоцетна киселина, шест-зъбен комплексообразуващ агент, който образува особено стабилни хелатни комплекси със свободни двувалентни или поливалентни катиони).
  • Хроничен алкохолизъм, злоупотреба с лаксативи (злоупотреба с лаксативи) - алкохолът и лаксативите стимулират чревния транзит, при което орално доставеният цинк не може да бъде абсорбиран в достатъчна степен от чревната лигавица (чревна лигавица) и се екскретира предимно в изпражненията

Липсата на абсорбиращи вещества, като фитинова киселина, и свързването на цинк с лесно смилаеми протеини или аминокиселини, Като цистеин, метионин, глутамин и хистидин, са причината цинкът да е по-бионаличен от храни от животински произход, като месо, яйца, риба и морски дарове, отколкото от храни от растителен произход, като зърнени продукти и бобови растения [1, 2, 6-8, 16, 18, 23]. При строги вегетарианци, които консумират предимно зърнени култури и бобови растения и по този начин диетите имат високо съотношение фитат към цинк (> 15: 1), абсорбцията на цинк в червата е намалена, което може да увеличи нуждите им от цинк с до 50%. Някои изследвания обаче показват, че когато богатите на фитат храни се консумират за по-дълъг период от време, абсорбционната способност на червата на организма се адаптира към по-трудните условия, така че може да се осигури достатъчно усвояване на цинк. За разлика от възрастните, децата все още не са в състояние да адаптират чревната абсорбция към специфични условия, така че децата, хранени с вегетарианци, са по-чувствителни към недостатъчния прием на цинк. Повишената нужда от цинк по време на растежа допълнително увеличава риска от дефицит на цинк при млади вегетарианци. The бионаличност на цинк от богати на фитат храни може да се увеличи чрез активиране или добавяне на ензима фитаза. Фитазата се среща естествено в растенията, включително зародишите и триците на зърнените зърнени култури, и в микроорганизмите и води до хидролиза след активиране чрез физически ефекти, като смилане на зърна и подуване, или като компонент на микроорганизми, като напр. млечна киселина бактерии и дрожди, които обслужват процеса на ферментация (микробно разграждане на органични вещества с цел консервиране, разхлабване на тестото, подобряване на вкус, смилаемост и др.). ), до хидролитично разцепване (разграждане чрез реакция с вода) на фитинова киселина в храната. Следователно, цинк от подкислено пълнозърнесто брашно хляб има по-висока бионаличност, отколкото от некисели пълнозърнест хляб. Абсорбцията на цинк от богати на фитат храни също може да се увеличи с висок дял на животински протеини в диета, като например чрез ядене на пълнозърнесто брашно хляб и извара заедно. Амино киселини освободените по време на чревното разграждане на протеини свързват цинка и по този начин предотвратяват образуването на не абсорбиращи се цинково-фитатни комплекси. В допълнение към изброените диетични компоненти, луминални състояния като pH и храносмилателна интензивност, черен дроб, панкреас (панкреас) и бъбрек функция, паразитни заболявания, инфекции, хирургични процедури, стрес, и хормони като серия-2 простагландини (тъканни хормони, получени от арахидонова киселина (омега-6 мастна киселина)) също могат да повлияят на абсорбцията на цинк в червата. Докато простагландин-Е2 (PGE2) насърчава транспорта на цинк през чревната стена в кръвния поток, простагландин-F2 (PGF2) води до намаляване на абсорбцията на цинк.

Транспорт и разпределение в тялото

Със средна стойност концентрация от около 20-30 mg / kg телесно тегло, съответстващо на общо телесно съдържание за възрастни от около 1.5-2.5 g, цинкът е вторият най-разпространен основен микроелемент в човешкия организъм след желязото [3, 6-8, 19, 23 ]. В тъканите и органите по-голямата част от цинка (95-98%) присъства вътреклетъчно (в клетките). Само малка част от телесния цинк се намира в извънклетъчното пространство (извън клетките). Както вътреклетъчният, така и извънклетъчният цинк са свързани предимно с протеини. Тъкани и органи с най-висока концентрация на цинк включват ирис (отвор на окото, оцветен от пигменти, който регулира падането на светлина) и ретина (ретина) на окото, тестиси (тестиси), простата, островчета на Лангерханс на панкреаса (колекции от клетки в панкреаса, които и двете се регистрират кръв гликоза нива и произвежда и секретира / секретира инсулин), костен, черен дроб, бъбрек, коса, кожа и ноктите, и уринарни мехур и миокард (сърце мускул). По отношение на количеството, мускулите (60%, ~ 1,500 mg) и костите (20-30%, ~ 500-800 mg) съдържат най-голямо количество цинк. В клетките на гореспоменатите тъкани и органи цинкът е неразделен компонент и / или кофактор на множество ензими, особено от групата на оксидоредуктазите (ензими, които катализират реакции на окисление и редукция) и хидролази (ензими, които разцепват съединенията хидролитично (чрез реакция с вода)). В допълнение, вътреклетъчният цинк е частично свързан с металотионеин, чийто синтез се индуцира от повишени концентрации на цинк. MT съхранява излишния цинк и го поддържа на разположение за вътреклетъчни функции. Индукция на експресия на МТ също се осъществява чрез хормони, Като глюкокортикоиди (стероид хормони от надбъбречната кора), глюкагон (пептиден хормон, отговорен за увеличаване кръв гликоза нива) и епинефрин (стрес хормон и невротрансмитер от надбъбречната медула), която играе роля особено при заболявания и стрес и води до преразпределение на цинка в организма. Например в инсулин-зависим диабет мелитус, може да се наблюдава преразпределение на цинка, с нива на цинк в плазмата и еритроцити и левкоцити увеличаване в зависимост от степента на хипергликемия (повишена кръв гликоза нива). Само около 0.8% (~ 20 mg) от общия телесен запас на цинк се локализира в кръвта (61-114 µmol / l), от които 12-22% е в плазмата и 78-88% в клетъчните кръвни компоненти - еритроцити (червени кръвни телца), левкоцити (бели кръвни телца), тромбоцити. В плазмата повече от половината цинк (~ 67%) е слабо свързан албумин (глобуларен протеин) и приблизително една трета е здраво свързана с алфа-2-макроглобулин, като церулоплазмин. В допълнение, обвързване с трансферин (бета-глобулин, който е отговорен главно за транспорта на желязо), гама-глобулини, като имуноглобулин А и G (антитела) и амино киселини, като цистеин и хистидин, могат да се наблюдават. Концентрациите на цинк в плазмата са 11-17 µmol / l (70-110 µg / dl) и се влияят от пола, възрастта, циркадния ритъм (вътрешен телесен ритъм), приема на храна, белтъчния статус, хормоналния статус, стреса и регулаторните механизми на абсорбция (поглъщане) и екскреция (отстраняване), наред с други фактори [1-3, 12, 18, 19, 23]. Докато реакции на остра фаза (остри възпалителни реакции на увреждане на тъканите като неспецифичен имунен отговор на тялото), физическо натоварване, стрес, инфекции, хронични заболявания, хипалбуминемия (намалена албумин концентрация в кръвната плазма), орални контрацептиви (противозачатъчни хапчета) и бременност олово за повишено усвояване на цинк в тъканите и по този начин намаляване на серумната концентрация на цинк, кортикостероиди (стероидни хормони от надбъбречната кора), цитокини (протеини, които регулират клетъчния растеж и диференциация), като интерлевкин-1 и интерлевкин-6, прием на храна и венозна конгестия по време на вземане на кръвни проби води до увеличаване на серумната концентрация на цинк. Има слаб отговор на нивата на серумен цинк към пределен (граничен) прием или недохранване и катаболизъм (разграден метаболизъм), тъй като се поддържа постоянен чрез освобождаване на цинк от мускулната и / или костната тъкан. По този начин, дори в състояние на дефицит, концентрацията на цинкова серума все още може да бъде в нормалните граници, поради което нивото на цинковия серум е много ограничено за определяне на състоянието на цинка. При възрастни концентрацията на цинк на кръвна клетка в левкоцити надвишава тази на тромбоцити и еритроцити с коефициент от около 25. По отношение на съдържанието в цяла кръв, еритроцитите съдържат 80-84%, тромбоцити около 4% и левкоцитите около 3% от цинка. В еритроцитите цинкът се намира предимно (80-88%) в карбоанхидразата (цинк-зависим ензим, който катализира превръщането на въглероден диоксид и вода да се водород карбонат и обратно: CO2 + H2O ↔ HCO3- + H +) и приблизително 5%, свързани с Cu / Zn супероксиддисмутаза (зависима от мед и цинк антиоксидант ензим, който превръща супероксидните аниони в водород пероксид: 2O2- + 2H + → H2O2 + O2). В левкоцитите микроелементът е главно в връзка с алкална фосфатаза (цинк-зависим ензим, който премахва фосфат групи от различни молекули, като протеини, чрез хидролитично разцепване на фосфорна киселина естери и работи най-ефективно при алкално рН). В допълнение към ензими изброените, цинкът, присъстващ в кръвните клетки, се свързва с металотионеин, в зависимост от цинковия статус на клетката. Досега най-богатата на цинк секреция в организма е сперма, чиято концентрация на цинк надвишава тази на кръвната плазма със фактор 100. За разлика от микроелемента желязо, организмът няма големи цинкови резерви. Метаболитно активният или бързо заменяем цинков пул е относително малък и възлиза на 2.4-2.8 mmol (157-183 mg). Представен е главно от цинка в кръвната плазма, черен дроб, панкреас, бъбрек и далак, които могат да освободят микроелемента относително бързо след бързо усвояване. Органите и тъканите, като костите, мускулите и еритроцитите (червените кръвни клетки), от друга страна, абсорбират банката и го задържат дълго време, като администрация of витамин D нарастващо задържане. Малкият размер на метаболитно активния цинков басейн е причината, поради която пределният прием може бързо олово към симптоми на дефицит, ако адаптацията (адаптирането) към приема е нарушена. Поради тази причина непрекъснатият хранителен прием на цинк е от съществено значение. Редица трансмембранни транспортни носители участват в разпределение и регулиране на цинка на междуклетъчно и вътреклетъчно ниво. Докато DMT-1 транспортира Zn2 + в клетките, специфични цинкови транспортери (ZnT-1 до ZnT-4) са отговорни за транспортирането на Zn2 + както в клетките, така и извън тях, като ZnT-1 и ZnT-2 действат само като износители. Експресията на DMT-1 и ZnT се среща в много различни органи и тъкани. Например, ZnT-1 се изразява предимно в тънко черво и ZnT-3 се изразява само в мозък и тестисите. Последната транспортна система води до везикуларно натрупване на цинк, което предполага участие в сперматогенезата. Къде и до каква степен се синтезират съответно DMT-1 и ZnT-1 до ZnT-4, се влияе, наред с други неща, от хормонални фактори, както и от индивидуалните хранителни и здраве статус - независим от концентрацията на металотиоин ... Например, остри възпалителни реакции, инфекции и стрес, съответно, кортикостероиди (стероидни хормони от надбъбречната кора) и цитокини (протеини, които регулират растежа и диференциацията на клетките) предизвикват повишена вътреклетъчна експресия на трансмембраната транспортни носители и по този начин увеличено поемане на Zn2 + в тъканните клетки и освобождаване на Zn2 +, съответно в кръвния поток.

отделяне

Цинкът се екскретира предимно (~ 90%) през червата с изпражненията. Това включва както абсорбиран цинк от храната, така и цинк от ексфолирани ентероцити (клетки на тънките черва епителий). Освен това има цинк, съдържащ се в панкреаса (панкреаса), жлъчката (жлъчка) и чревни секрети, които освобождават микроелемента в чревния лумен. В малка степен (≤ 10%) цинкът се екскретира чрез бъбреците с урината. Други загуби възникват чрез кожа, коса, пот, сперма и менструален цикъл. Подобно на микроелемента мед, хомеостазата (поддържане на постоянна вътрешна среда) на цинк се регулира главно чрез ентерична екскреция (екскреция през червата) в допълнение към чревната абсорбция. С увеличаване на приема през устата, фекалната екскреция на цинк също се увеличава (<0.1 до няколко mg / d) и обратно. За разлика от това, нивото на бъбречна екскреция на цинк (150-800 µg / d) остава незасегнато от доставката на цинк - при условие, че няма маркирани дефицит на цинк. При различни условия, като гладуване и следоперативно (след хирургични процедури), както и при заболявания, като нефротичен синдром (заболяване на бъбречните корпускули), диабет мелитус, хроничен алкохол консумация, алкохолна цироза (краен стадий на хронично чернодробно заболяване) и порфирия (наследствено метаболитно заболяване, характеризиращо се с нарушение в биосинтеза на червения кръвен пигмент хем), бъбречната екскреция на цинк може да бъде увеличена. Общият оборот на цинка е относително бавен. Биологичният полуживот на цинк е 250-500 дни, вероятно поради цинка на кожа, костите и скелетните мускули.