第25卷 增刊大学化学2010年4月
路慧哲 杜凤沛 李向东
(中国农业大学理学院 北京100193)
摘要 从来源、分布、生物化学作用等方面评述了人体微量元素中的金属元素铁、锌、钒与人 体健康的关系。
随着现代科学技术的发展，人们对微量元素在人体生理功能中的重要作用有了更加深入的认识。金属元素铁、锌、钒在生物体内作为一些酶、维生素等的活性中心，对机体的正常代谢和生存发挥着重要作用。本文从以上几种元素的来源、分布、生物化学作用等方面，对它们与人体健康的关系进行评述。 1 铁、锌、钒在人体中的存在与来源
1.1 铁在人体中的存在与来源
铁是人体的必需微量元素之一，占人体体重的0.006%左右，其中70%的铁存在于血红蛋白、肌红蛋白
、血红素酶类、辅助因子及运载铁中，又叫功能性铁；其余30%的铁作为体内贮存铁，主要以铁蛋白和含铁血黄素的形式存在于肝、脾和骨髓中。铁在人体的分布极为普遍，被称为人体发育的“建筑材料”，几乎所有组织中都有，其中以肝、脾含量最高，其次为肾、心、骨骼肌和脑[1]。
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人体中铁主要来源[2]于食物，食物中的铁有两种存在形式，一类是离子铁或称非血红素铁，主要存在于植物性食物之中。植物中含的铁多是以植酸铁、磷酸铁、草酸铁等不溶性铁盐形式存在，属三价铁。人体吸收这种与植酸结合形成螯合物的铁，必须先将铁和有机物拆开，再将三价铁还原成二价铁才有可能。尽管这类铁在食物中含量较高，但难于吸收。例如，玉米、大豆、小麦中铁的吸收率很低，只有1%～5%。另一类是血红素铁，这类铁的吸收，不受食物中的植酸和磷酸影响，可直接吸收进入肠黏膜细胞。这种血红素铁的吸收率一般在10%～20%左右。例如，鱼中的铁吸收率为11%，牛肉中的铁吸收率为22%，牛肝中的铁吸收率为14%～16%，猪血中的铁吸收率为25%，猪肝中的铁吸收率为22%。 人体对铁的生理需要量[2]随年龄、性别、特殊生理期等的差异而变化。中国营养学会制订的中国居民膳食铁参考摄入量为：婴幼儿10～12ｍｇ/ｄ，男成人15ｍｇ/ｄ，女成人20ｍｇ/ｄ，孕妇及哺乳期妇女15～35ｍｇ/ｄ，老年人15ｍｇ/ｄ。
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1.2 锌在人体中的存在与来源
锌是人体必需微量元素，人体所有的器官都含有锌。成人体内含锌约23ｇ。血液中含量很少。锌在体内主要以酶的方式存在。锌可参与碳酸酐酶、碱性磷酸酶、ＤＮＡ聚合酶等多种酶的合成，加速生长发育，增加创伤组织的修复，参与味觉、视觉以及性功能的调节，参与能量、
细胞分解和其他物质的代谢，协调免疫反应等。因此锌元素在人体内的含量对身体健康至关重要，锌的补充已受到普遍关注[3-4]。
人体补充锌的来源主要有两种[4-6]，第一种是食补法，第二种是服用锌营养制剂法。在食物中，锌丰度的大致次序为：动物内脏>动物瘦肉>坚壳果类>豆类>谷类>蔬菜>多汁果类。精加工的谷类制品含锌量不高，且谷物中所含植酸盐能与锌结合而使锌的利用率下降，蔬菜和水果一般含锌很少。
豆袋弹 锌在胃肠道的吸收一般需要在胃内酸性环境下与食糜中的配体形成复合物才易于进行[1-2]，主要吸收部位在小肠，正常人在十二指肠末端和空肠具有最大吸收。锌的吸收率较低，食物中锌能被机体吸收的不足10%。因此，为了保证供给机体足够的锌，需要膳食多样化，多食肉、蛋、乳，多食粗粮、豆类，并合理搭配蔬菜和水果。必要时可以补充锌营养制剂，锌营养剂以有机态和生物态最易吸收。常见的锌营养制剂主要有无机锌，如硫酸锌、氧化锌、碳酸锌、硫化锌。典型的代表是硫酸锌，但人体吸收率只有7%，并会引发恶心、呕吐等不良胃肠道反应。有机合成锌(包括葡萄糖酸锌、草酸锌、柠檬酸锌、乳酸锌、甘草酸锌等)与无机锌相比，最显著的特征是对胃肠道的刺激作用明显减少，且口
服利用率高，人体吸收率为14%。氨基酸螯合物型锌营养剂是氨基酸与锌在一定的条件下经螯合所形成的络合物，化学性质稳定适中，而且氨基酸对金属离子起保护作用，可以防止锌在肠道变成不溶性化合物，也可防止其被吸附在有碍元素吸收的不溶性胶体上，因而有利于机体吸收。锌-氨基酸络合物进入机体后，按不同组织和酶系统对某种氨基酸需要比例和数量不同，可将锌直接输送到各特定的组织和酶系统中，通过酶和组织的作用释放出锌，以满足机体的需要，从而提高了锌的利用率[3,6]。
1.3 钒在人体中的存在与来源
一般正常成年人体内含钒总量为17.43μｇ，其中90%贮存在脂肪组织中，骨、肝、肾中也有少量贮存。人体摄取钒主要通过食品，食品中钒含量丰富的有海产品、橄榄油、红薯、土豆、山药、芋头、木薯、人参果、胡萝卜等。肺和皮肤也可吸收钒，空气中的Ｖ2Ｏ5可通过呼吸系统吸入，沉积在肺上。另外，实验证明[7]，用饱和的偏钒酸钠溶液(20%)涂在兔的皮肤上，可以通过皮肤吸收。在正常的生物学浓度下，钒能促进脂类代谢，抑制胆固醇的合成，对心血管功能有利[8-9]。
2 铁、锌、钒的生理功能
2.1 铁的生理功能
2.1.1 参与体内氧的运输、贮存及呼吸过程
红细胞是氧的载体，其中含铁的血红素[10]是一种Ｆｅ2+的络合物，是参与运输氧的中心成分。在其分子中,4个卟啉环把铁原子包围在中间,2价铁原子好像处于蜘蛛网中心的“蜘蛛”。载氧时Ｆｅ2+的状态为低自旋[11]，半径较小，嵌入卟啉环平面，呈6配位,4个配位点为环上Ｎ原子，第5个位置为组氨酸残基的咪唑Ｎ占据，第6个位置能够可逆地结合氧；而脱氧后Ｆｅ2+呈高自旋态，半径较大，处于高出环平面70～80ｐｍ的位置，为5配位。Ｆｅ2+与氧进行可逆性结合，使血红蛋白具有携带氧的功能，参与体内氧的转运、交换及呼吸过程。
肌红蛋白是一种含血红素的蛋白质[8,10]，它由一个亚铁血红素和一个球蛋白组成，肌红蛋白的基本功能是在肌肉组织中转运和储存氧。铁元素在肌红蛋白合成中具有不可或缺的作用。细胞素也是含血红素的化合物，其在线粒体内具有电子传递作用，同时也是各种呼吸酶
的组成成分。铁元素是构成细胞素的重要组成成分。
2.1.2 增强免疫功能
铁可使人体内淋巴细胞、血清补体活性、吞噬细胞功能、中性白细胞的杀菌能力保持正常。研究发现缺铁可引起淋巴细胞减少和自然杀伤细胞活性降低[10]。另外,β-胡萝卜素转化为维生素Ａ、嘌呤与胶原的合成、抗体的产生、脂类从血液中转运以及药物在肝脏的解毒等过程都与铁的催化促进有关[8]。
2.1.3 铁过剩的危害
铁在体内储存过多也会中毒。铁中毒有急性和慢性之分[9]。急性铁中毒的发生多见于儿童，多因误服铁制剂造成，死亡率很高，达20%左右。慢性中毒是长期过量服用铁制剂，或从食物中摄取了过多的铁造成的，如长期进食富含铁的食物或长期饮酒(红酒中含铁较多)，或服用某些含铁较多的药物(特别是补药)。当人体内铁过量时，则会因不能及时排出体外而沉积于肝脏、胰脏、心脏和皮肤，从而引起血素沉积、肝功能异常、心肌损伤和糖尿病、肿瘤、骨质疏松等。
2.2 锌的生理功能
2.2.1 锌对酶的影响
锌被称为生长发育的“激动剂”，现已发现300多种酶中含有锌的成分[3-4,12]，有80多种酶活性与锌有关。锌吸收到人体后主要通过作为细胞酶系统的组分发挥作用，在这些酶中，锌可以直接参与催化，又可稳定蛋白质结构，还可起调节作用。含锌酶广泛作用于生物体碳水化合物、蛋白质、核酸物质的合成与代谢，并与胰岛素的作用和生长发育，以及ＡＣＴＨ及类固醇激素受体的作用，胶原组织的合成及创伤愈合，维生素Ａ代谢，机体细胞及体液免疫功能等有关。锌与癌症的关系亦是研究的热点，补充锌有抑癌作用，其作用机制认为是锌可维持隔室封闭，防止自由基对细胞的攻击，保护细胞膜及细胞的正常分裂。现已知锌几乎参与所有的代谢反应，锌缺乏会导致酶活性降低而引起多种疾病。
2.2.2 锌对基因表达的影响
锌对机体的基因表达环节也产生影响[3-4]。组蛋白是染质的组成成分，在正常染质结构中起重要作用。研究表明，锌可影响组蛋白的代谢。缺锌细胞可以合成或激活组蛋白酶，活化染质蛋白酶，从而破坏蛋白。锌也能影响ＤＮＡ的复制和转录。在缺锌状态下培养的细胞增殖发生阻滞，细胞周期不能正常进行，同样也影响ＤＮＡ的复制过程。为探讨ＤＮＡ复制的原因，有研究在加锌和不加锌的条件下分别检测ＤＮＡ聚合酶的活性，发现不加锌大鼠细胞核中ＤＮＡ聚合酶活性显著低于正常喂饲大鼠。
2.2.3 锌的毒性
对人体而言，锌的毒性相对较低[4-6]。据有关报道，长期或大量服用硫酸锌，约有15%的病人会出现不良反应，主要表现为不同程度的胃肠不适，食欲不振，恶心呕吐及腹痛等。部分病人口唇及四肢麻木，严重者可引起严重贫血，出现胃出血，甚至胃穿孔。另有10%盲目滥用硫酸锌者，会出现中枢神经兴奋，致使睡眠时间不足或夜不成眠。人食用含过量锌的食物可能导致癌症、冠心病、风湿热等疾病。
2.3 钒的生理功能
2.3.1 对酶活性的影响
钒在人体内以ＶＯ-3形式存在，钒作为一种具有多种氧化态的过渡金属元素，由于ｐＨ和浓
度的影响，在溶液中能以多种形式(ＶＯ2+、[ＶＯ3(ＯＨ)]2+、Ｖ3Ｏ3-9等)存在，与醇结合可形成环状和无环化合物，而钒的立体结构几何构型能迅速改变，在无环情况下为四面体结构，而在环状化合物则为三角锥和八面体构型[7,13-15]。
钒多价态的存在形式和多样的几何结构，使它对多种酶的活性有影响，钒以钒酸根的形式与硫酸根竞争磷酸盐传递蛋白、磷酸水解酶和硫酸转移酶的活性位点，以氧钒离子形式与其他
过渡金属离子竞争在金属蛋白质的结合位点，钒还能阻滞电子传递系统，从而抑制多种酶的活
性[10]。
2.3.2 对糖代谢与脂代谢的影响
钒以ＶＯ-3形式通过负离子通道进入细胞内，然后由内源性谷胱甘肽还原为氧钒(ＶＯ2+),
形成的氧钒与还原型谷胱甘肽形成比例为1:1的氧钒复合体ＶＯ2+-ＧＳＨ(ＶＯ2+-谷胱甘肽)，细胞内的氧钒复合体是在人体内发挥胰岛素样作用的关键物质，从而增加了胰岛素受体β-亚基酪氨酸残基磷酸化，可进一步刺激受体或其他蛋白质的蛋白质酶的活性，引起一连串的磷酸化作用(与磷酸盐相似)，
导致胰岛素生物效应，对糖的代谢有影响。钒还可促进葡萄糖进入细胞内，促进葡萄糖磷酸化、氧化，促进糖原合成和抑制糖异生。糖尿病患者体内缺钒时，使胰岛素的生理功效降低，甚至不起作用，糖耐量受损，导致糖代谢紊乱，继发糖尿病[1-2,10,15]。
钒通过抑制乙酰辅酶Ａ的形成对脂质代谢亦有影响。乙酰辅酶Ａ是脂肪酸合成的前体物，钒对乙酰辅酶Ａ的抑制直接导致机体三酰甘油和磷脂的相应减少。钒还能直接氧化脂蛋白脂质，通过氧化非高密度脂蛋白组分而特异性地对脂蛋白的脂质施加氧化效应[1,7,13-15]。
最近研究发现，钒能刺激苗条蛋白(ｌｅｐｔｉｎ)的产生，苗条蛋白是一种源自脂肪细胞、能调节全身能量平衡的重要肽激素，因此，钒有可能成为肥胖症和预防的一个候选物质[10]。
2.3.3 对生长发育的影响
由于ＰＯ3-4和ＶＯ4-4结构相似，钒可被置换到磷灰石分子中，使骨骼强健，并可预防龋齿。钒能促进骨骼、牙齿中无机间质的沉积，对骨骼和牙齿的正常发育起一定的作用。钒化合物(+5,+4价态)对体外培养的成骨细胞可起到胰岛素和生长因子模拟化合物的作用。缺钒使胫骨骨质减少、骨骼结构紊乱，甚至导致骨畸形[10,14-15]。
钒还有刺激造血功能的作用，促进血液中红细胞的成熟，促进血红蛋白再生。
2.3.4 钒过量的危害
钒虽然具有重要的生物学作用，但也有毒性。钒的毒性与其化学形式和价态有关，金属钒的毒性很低，但其化合物对人和动物有中等毒性，钒的毒性随化合价的升高而增大,5价钒的毒性最大，所以Ｖ2Ｏ5和它的盐类的毒性不容忽视。若体内蓄积量过多，人体会出现呼吸道、眼、皮肤的炎症、刺激症状、神经功能紊乱等[10]。
实验证明,ＥＤＴＡ能阻止钒的毒性作用，因为它能抑制胃肠道对钒的吸收。元素周期表中与Ｖ相比邻的Ｓｃ,Ｔｉ,Ｎｂ等元素对Ｖ的毒性有拮抗作用[10,15]。
3 结语
铁、锌、钒都是人体的必需微量元素，它们在生命化学中的作用是不容置疑的，但同时，我们也不能忽略其过量所带来的毒性，与其他微量元素一样，只有在人体内平衡存在，才能有益于健康。
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