Микроэлементы и их важность для жизни человека

Более 300 лет назад железо стало первым микроэлементом, признанным необходимым в рационе человека. Английский врач Томас Сиденхэм замачивал «железные и стальные опилки» в холодном рейнском вине. Полученный раствор он использовал для лечения пациентов, страдающих хлорозом, который сейчас известен как железодефицитная анемия. Сегодня считается, что человеку необходимо около 20 микроэлементов. Изучение биологических функций микроэлементов — это увлекательная и спорная область исследований в области питания человека.

Микроэлементы можно разделить на несколько категорий. В 1989 году Национальный исследовательский совет признал, что железо, йод, цинк, селен, медь, хром, марганец и молибден являются необходимыми компонентами рациона человека. Фтор также считается полезным для здоровья человека благодаря его положительному влиянию на зубы и скелет. Эти девять микроэлементов необходимы людям и другим животным, так как они являются важными компонентами металлоферментов и гормонов или способствуют здоровью определенных тканей (например, фтор в зубах и костях).

Многие пищевые добавки содержат необходимые микроэлементы

Микроэлементы, необходимые организму в миллиграммовых количествах, включают железо, цинк, медь, марганец и фтор. Микроэлементы, необходимые в микрограммовых (мкг) количествах, включают йод, селен, хром и молибден. Хотя, вероятно, они также требуются в микрограммовых количествах, для таких элементов, как мышьяк, никель, кремний и бор, до сих пор не установлены диетические рекомендации, несмотря на доказательства их необходимости, полученные в основном из исследований на животных. Существуют лишь слабые доказательства того, что кадмий, свинец, литий, олово, ванадий и бром необходимы для человека.

Дефицит железа — один из самых распространенных дефицитов питательных веществ в мире, встречающийся у 60% женщин, младенцев и детей в некоторых странах. Анемия, характеризующаяся низкой концентрацией гемоглобина в крови или малым объемом эритроцитов, является типичным симптомом дефицита железа. Другие симптомы включают усталость и когнитивные расстройства. До 1% населения может страдать от генетического заболевания, известного как наследственный гемохроматоз, которое приводит к избыточному усвоению железа из пищи и может вызывать повреждение печени и сердца.

Озабоченность этим заболеванием может привести к внедрению регулярного скрининга, чтобы люди с этим расстройством могли получать лечение до появления тяжелых симптомов и избегать продуктов и добавок с высоким содержанием железа. Рекомендуемая суточная норма железа для женщин в возрасте от 23 до 50 лет на 50% выше, чем для мужчин той же возрастной группы, из-за потери железа во время менструации.

Дефицит йода остается одной из основных причин умственной отсталости, младенческой смертности и заболеваемости во всем мире, хотя важность йода для здоровья человека была доказана почти 100 лет назад. Более 1 миллиарда человек считаются подверженными риску дефицита йода. В 1986 году был создан Международный совет по контролю за йододефицитными заболеваниями с целью улучшения питания йодом и снижения страданий людей. Этот совет тесно сотрудничает с Всемирной организацией здравоохранения, Детским фондом ООН и Организацией Объединенных Наций для борьбы с дефицитом йода. Йод необходим для синтеза гормонов щитовидной железы — тироксина и трийодтиронина, которые регулируют метаболизм и потребление кислорода клетками. Йод также играет ключевую роль в контроле роста и развития, особенно во время внутриутробного периода и младенчества.

В 1930-х годах цинк был признан необходимым элементом питания для животных. В 1960-х годах в Иране дефицит цинка был признан потенциальной проблемой общественного здравоохранения, где у подростков, потреблявших недостаточное количество цинка, были обнаружены эндемический гипогонадизм (задержка полового развития) и карликовость. На сегодняшний день открыто более 200 цинк-зависимых ферментов. Цинк также важен для структуры и функции биомембран.

Потеря цинка из мембран приводит к повышенной уязвимости к окислительному повреждению, структурным деформациям и изменениям в рецепторных сайтах и транспортных системах. Цинк также помогает стабилизировать структуры РНК, ДНК и рибосом. Несколько транскрипционных факторов содержат «цинковые пальцы», необходимые для связывания этих факторов с ДНК. Таким образом, цинк абсолютно необходим для нормального роста, синтеза белка и деления клеток. Лучшими источниками цинка в рационе человека являются продукты животного происхождения, такие как мясо, рыба, птица и молочные продукты.

Медь также была признана необходимой в начале 1900-х годов. Медь необходима для абсорбции и мобилизации железа, поэтому её дефицит вызывает тип анемии, который трудно отличить от железодефицитной анемии. Медь также важна для сердечно-сосудистой системы, костей, мозга и нервной системы. Недоношенные и недостаточно питающиеся младенцы особенно подвержены развитию дефицита меди, отчасти потому, что молоко является бедным источником этого элемента. Основными пищевыми источниками меди являются цельные зерна, бобовые и орехи.

Селен впервые был представлен как необходимый элемент питания в 1950-х годах. Селен считается антиоксидантным питательным веществом, поскольку он присутствует в ферментах, которые помогают защищать организм от токсичных форм кислорода и свободных радикалов. Дефицит селена является серьёзной проблемой общественного здравоохранения в некоторых регионах Китая, где он увеличивает риск сердечных заболеваний, нарушений костной и суставной систем, а также рака печени. Селен активно исследуется как возможный защитник от рака. Содержание селена в продуктах питания сильно варьируется и зависит от его содержания в почве. Обычно лучшими источниками селена являются мясо, злаки и зерновые культуры.

В 1950-х годах также появились первые доказательства того, что хром может быть необходимым элементом питания. Считается, что хром способствует действию инсулина и, таким образом, влияет на метаболизм углеводов, жиров и белков. Сообщения о серьёзном дефиците хрома у людей редки и в основном встречаются у пациентов, получающих внутривенное питание в течение нескольких месяцев или лет. Лишь несколько лабораторий в мире могут точно измерить количество хрома в продуктах питания и тканях организма, поскольку хром присутствует в нержавеющей стали, которая повсеместно используется в аналитических лабораториях и легко загрязняет биологические образцы.

Марганец и молибден необходимы для работы ферментов у людей и других животных, но дефицит этих минералов в питании человека встречается крайне редко. Кобальт необходим для синтеза витамина B₁₂, однако человеческий организм не может производить витамин B₁₂ из кобальта и поэтому требует его готовой формы из пищевых источников. (Частично витамин B₁₂ может синтезироваться бактериями в пищеварительном тракте.)

Усилия по выявлению других потенциально необходимых элементов активизировались в 1970-х годах. Хотя считается, что мышьяк, никель, кремний и бор, вероятно, необходимы для человека, определить, имеют ли другие минералы специфические биологические функции у людей или животных, оказалось сложно.

Существует несколько причин, по которым установление необходимости микроэлементов является сложной задачей. Некоторые элементы, такие как мышьяк и селен, изначально были известны своей высокой токсичностью, поэтому убедить специалистов в области здравоохранения в том, что токсичный элемент может быть необходимым в малых дозах, оказалось непросто. Кроме того, большинство микроэлементов присутствуют в пище и тканях в крайне малых количествах, и лишь немногие лаборатории оснащены для предотвращения загрязнения образцов и измерения этих элементов с необходимой точностью.

Два фактора способствовали открытию роли многих микроэлементов. Первый — это доступность двух высокочувствительных аналитических методов: активационного анализа и электротермической атомно-абсорбционной спектроскопии, которые позволяют обнаруживать эти элементы в концентрациях всего несколько частей на миллиард. Второй — использование специальных изоляционных камер, которые позволяют изучать животных в тщательно контролируемых условиях, свободных от нежелательных загрязнений. Диета животных и их воздух должны быть тщательно очищены от даже следов нежелательных элементов, а их клетки должны быть изготовлены из пластиков, не содержащих металлов.

Наше понимание биологических функций микроэлементов меняет представления учёных о питании и здоровье. Например, недавно было показано, что добавки марганца, меди и цинка в сочетании с кальцием улучшают здоровье костей человека в большей степени, чем только кальций. Кремний и бор также считаются важными для здоровья костей. Некоторые учёные предполагают, что дефицит селена или меди может увеличивать риск развития рака или сердечных заболеваний. Поскольку хром, медь и цинк влияют на метаболизм глюкозы, будущие стратегии профилактики и лечения диабета могут включать эти питательные вещества.