Minerały są niezbędne w wielu procesach metabolicznych, a ponieważ są wymagane w stosunkowo niewielkich ilościach, dzienne spożycie powinno mieścić się w wąskim zakresie, aby uniknąć negatywnych skutków niedoboru lub toksyczności. Niektóre minerały są wymagane w stosunkowo dużych dawkach, w tym wapń i chlorek. Te minerały są uważane za makrominerały, w oparciu o dawkę, a ich spożycie powinno generalnie mieścić się w zakresie wysokich miligramów. Minerały śladowe są wymagane w bardzo małych dawkach, a spożycie powinno mieścić się w zakresie od mikrogramów do niskich miligramów. Chociaż ten artykuł przede wszystkim podkreśli rolę miedzi i manganu, minerały śladowe obejmują również żelazo, jod, cynk i inne.
Miedź
Wchłanianie
Miedź (Cu) jest niezbędnym mikroelementem znajdującym się w różnych produktach spożywczych, w tym ostrygach, produktach pełnoziarnistych, podrobach, fasoli i orzechach. Miedź pokarmowa jest wchłaniana w dwunastnicy i dostaje się do komórek jelitowych przez transporter miedzi 1 (CTR1).1 ,2 CTR1 ma kluczowe znaczenie w koordynowaniu absorpcji miedzi, dystrybucji wewnątrzkomórkowej i wydzielania wraz z ATPazami transportującymi Cu.1,3 Miedź wędruje do wątroby przez żyłę wrotną związaną z białkami, a po przetworzeniu jest transportowana do krwi za pośrednictwem miedzianych ATPaz.2 Miedź musi wiązać się z białkiem opiekuńczym, takim jak ceruloplazmina (CP) lub albumina, aby dotrzeć do tkanek obwodowych.1
Ponieważ miedź jest wysoce reaktywna, stężenia komórkowe muszą być utrzymywane w określonym zakresie, a lokalizacja miedzi jest ściśle regulowana.1 Nadmiar miedzi wewnątrzkomórkowej może powodować stres oksydacyjny, który może zaburzać tworzenie się skupisk żelaza z siarką i uszkadzać DNA.1 W komórkach ruch miedzi jest ściśle koordynowany przez białka i związki, a mutacje w tych i innych białkach regulujących miedź mogą prowadzić do poważnych schorzeń w ciele.1
Niedobór miedzi jest rzadki i związany głównie z mutacjami genetycznymi w enzymach metabolizujących miedź. Średnie dzienne spożycie miedzi w Stanach Zjednoczonych wynosi około jednego miligrama, co odpowiada RDA dla dorosłych ustalonej na 900 μg (0,9 mg) dziennie. Ludzie są w stanie poradzić sobie z nadmiernym spożyciem dzięki zmniejszonemu wchłanianiu i zwiększonemu wydalaniu z żółcią4.
Miedź w ciąży
Zapotrzebowanie na miedź wzrasta w czasie ciąży, ponieważ ten mikroskładnik odżywczy jest bardzo ważny dla rozwoju embrionalnego.5 Chociaż mechanizmy nie są znane, suplementacja miedzi w czasie ciąży spowodowała 75-procentowe zmniejszenie objawów depresji i lęku w drugim trymestrze oraz 90-procentowe zmniejszenie w trzecim trymestrze5. Niedobór u niemowląt jest rzadki, ale może wystąpić u wcześniaków, niemowląt karmionych mlekiem krowim i niemowląt powracających do zdrowia po niedożywieniu, które poniosły straty spowodowane biegunką5.
Funkcja miedzi
Enzymy zależne od miedzi pełnią różne funkcje w całym organizmie, w tym oddychanie tlenowe i fosforylację oksydacyjną, tworzenie kolagenu i melaniny, syntezę neuroprzekaźników i utrzymanie homeostazy redoks.1,3. W szczególności miedź odgrywa rolę w obronie antyoksydacyjnej jako część miedziowo-cynkowej dysmutazy ponadtlenkowej (CuZn SOD).4,5 Miedź działa również jako czynnik transkrypcyjny i element rusztowania w jądrze komórkowym.1,4
Interakcje miedzi i żelaza
Metabolizm miedzi i żelaza jest ze sobą powiązany na kilka sposobów, chociaż dokładny związek nie jest jasny. Pierwszy szczegółowy opis interakcji między żelazem i miedzią pojawił się w połowie XIX wieku, co wskazywało na rolę miedzi w pozytywnym wpływie na metabolizm żelaza. 2 W przypadku niedoboru żelaza miedź gromadzi się w wątrobie, a w przypadku jej niedoboru odkłada się żelazo. 2 Jest prawdopodobne, że miedź i żelazo wpływają na siebie nawzajem poprzez wchłanianie w jelitach i metabolizm w wątrobie. 2
Miedź w stanach chorobowych
Chociaż niedobór miedzi pozostaje rzadki, istnieje kilka stanów patologicznych, które występują w wyniku funkcjonalnego niedoboru miedzi z powodu mutacji genetycznych w enzymach metabolizujących miedź. Choroba Menkesa (MD), choroba recesywna związana z chromosomem X, może być śmiertelna.1 Objawy obejmują opóźnienie rozwoju, degenerację mózgu, niezwykle rzadkie lub skręcone włosy, niskie napięcie mięśniowe i drgawki.1 Nasilenie MD zależy od mutacji w APT7A, białku transportującym miedź, i obecnie istnieje ponad 400 znanych mutacji w tym genie.1 W łagodnych przypadkach suplementacja miedzi może być pomocna, ale nie pomaga w ciężkich przypadkach i nie ma leczenia, które odwróciłoby uszkodzenia neurologiczne spowodowane MD.1
Zespół rogu potylicznego (OHS) jest również zaburzeniem recesywnym sprzężonym z chromosomem X, dotykającym głównie mężczyzn1. Główną cechą charakterystyczną OHS jest klinowaty, zwapniały występ w kości potylicznej z powodu nieprawidłowego funkcjonowania tkanki łącznej.1 OHS nie objawia się degeneracją mózgu obserwowaną w MD, ponieważ miedź nadal jest w stanie przekroczyć barierę krew-mózg.
Choroba Wilsona, inne zaburzenie związane z enzymami miedzi, jest spowodowane mutacjami w genie transportującym miedź, ATP7B . Ponad 700 mutacji w tym genie powiązano z chorobą Wilsona, która objawia się marskością wątroby i niedoborami neurologicznymi.1 Jednak w chorobie Wilsona miedź gromadzi się w kilku tkankach i można zaobserwować złogi w rogówce, zwane pierścieniami Kaysera-Fleischera1.
Miedź odgrywa również rolę w innych chorobach neurodegeneracyjnych, w tym:
- Choroba Alzheimera:tworzenie blaszek amyloidowych jest koordynowane przez cynk i miedź, a akumulacja miedzi upośledza funkcję komórek1
- Choroba Parkinsona:tworzenie się agregatów jest stabilizowane przez miedź, a obniżona ceruloplazmina upośledza mobilizację miedzi, co skutkuje akumulacją żelaza1
- Stwardnienie zanikowe boczne:kilka enzymów metabolizujących miedź jest zmienionych, co skutkuje podwyższonym poziomem miedzi w płynie mózgowo-rdzeniowym i obniżonym poziomem w rdzeniu kręgowym1
- Choroba Huntingtona:miedź sprzyja tworzeniu się zmutowanych agregatów białka huntingtyny, a dysfunkcja metaboliczna wynika z hamujących miedź enzymów biorących udział w metabolizmie1
Miedź i rak
Co ciekawe, odkryto, że miedź jest zarówno promotorem, jak i inhibitorem raka. Miedź bierze udział w regulacji białek związanych z unikaniem układu odpornościowego i może aktywować szlaki związane z rakiem poprzez proliferację, różnicowanie, angiogenezę i progresję raka1. Proliferujące komórki rakowe mają również większe zapotrzebowanie na miedź, co zapewnia możliwą drogę do spowolnienia wzrostu raka poprzez ograniczenie miedzi.1 Z drugiej strony wysoki poziom miedzi może hamować proliferację komórek i wzrost guza, a transportery miedzi mogą zmieniać wrażliwość komórek rakowych na leki na bazie metali stosowane w leczeniu raka, wzmacniając odpowiedź.1 Może również pomóc w zmniejszeniu skutków toksycznych związanych z tym rodzajem leczenia i może wydłużyć przeżycie.1
Mangan
Wchłanianie
Mangan jest pozyskiwany głównie ze źródeł pokarmowych, a około 1 do 5 procent jest wchłaniany i dostępny dla organizmu.6,7 Źródła manganu obejmują ryż, orzechy, produkty pełnoziarniste, zielone warzywa liściaste i herbatę.6 Co ciekawe, kobiety mają tendencję do wchłaniania większej ilości manganu z diety, prawdopodobnie ze względu na poziom żelaza, ponieważ te dwa minerały wpływają na wzajemne wchłanianie.5-7 Na wchłanianie z diety wpływa obecność innych śladowych minerałów, w tym żelaza, fitynianów z nasion lub orzechów oraz witaminy C.7 Niedobór manganu jest rzadki, ale objawy obejmują upośledzenie wzrostu, wady szkieletu, problemy z reprodukcją oraz zmieniony metabolizm lipidów i węglowodanów.5,7
Nadmiar manganu w organizmie może powodować toksyczność, co często jest spowodowane narażeniem na wdychanie manganu w miejscu pracy, na przykład u górników i spawaczy6,8. Woda pitna może również zawierać niebezpiecznie wysoki poziom manganu, który wpływa na dzieci i rozwijające się niemowlęta.5 Jeśli spożycie lub narażenie na działanie jest nadmierne, mangan będzie się gromadzić, co ma szkodliwy wpływ na mózg.6 Przewlekłe nadmierne spożycie manganu może prowadzić do manganizmu – zaburzenia charakteryzującego się kilkoma zaburzeniami psychicznymi i motorycznymi, w tym zmianami nastroju i drżeniami, które ostatecznie prowadzą do objawów podobnych do choroby Parkinsona6.
Ponieważ stężenia manganu muszą pozostawać w stosunkowo wąskim zakresie, wchłanianie jest ściśle regulowane. Gdy poziom manganu w diecie jest wysoki, przewód pokarmowy będzie mniej wchłaniał, a wątroba zwiększy metabolizm manganu i wyśle więcej do wydalania z żółcią i trzustką.7 Z powodu niewystarczających dowodów, obecnie nie ma ustalonego zalecanego dodatku dietetycznego dla manganu. Jednak odpowiedni poziom spożycia to 2,3 mg/dzień dla mężczyzn i 1,8 mg/dzień dla kobiet7
Funkcja
Mangan jest niezbędny do aktywności wewnątrzkomórkowej ze względu na jego rolę jako aktywatora enzymów dla kilku enzymów, w tym zaangażowanych w metabolizm lipidów, aminokwasów i glukozy.5,8 Warto zauważyć, że jest wymagany w przypadku dysmutazy ponadtlenkowej manganu (MnSOD), enzymu niezbędnego do zarządzania równowagą redoks i stresem oksydacyjnym.7,8. Mangan jest również niezbędny do rozwoju, trawienia, reprodukcji, produkcji energii, odpowiedzi immunologicznej i aktywności nerwowej, a także wspiera witaminę K w krzepnięciu krwi.5,7,8 Mangan jest ważny w procesie reprodukcji i rozwoju płodu kobiet, a zarówno niedobór, jak i nadmierne spożycie manganu są związane z niepłodnością kobiet5.
Mangan w zmienionym metabolizmie
Mangan ma kluczowe znaczenie dla zdrowia mitochondriów i zmniejszenia mitochondrialnego stresu oksydacyjnego, ponieważ MnSOD jest głównym zmiataczem ponadtlenków w mitochondriach.8 Aktualna literatura potwierdza związek w kształcie litery U między manganem a stresem oksydacyjnym, w którym zarówno niedobór, jak i toksyczność powodują nadmierne wytwarzanie reaktywnych form tlenu, które mogą zakłócać zdrowy metabolizm.8 Niedobór manganu może prowadzić do dysfunkcji mitochondriów, co może zaburzać tolerancję glukozy oraz zmieniać metabolizm lipidów i węglowodanów. Przeciążenie manganem może również zaburzać normalne funkcje mitochondriów poprzez zwiększony stres oksydacyjny mitochondriów, hamowanie produkcji ATP i zmianę przepuszczalności błony. Stres oksydacyjny może zaburzać funkcjonowanie komórek beta wysp trzustkowych, przyczyniając się do insulinooporności, a ostatecznie do cukrzycy typu 2 i otyłości, a także do rozwoju miażdżycy i niealkoholowej stłuszczeniowej choroby wątroby8.
Żelazo
Żelazo, podobnie jak miedź, posiada ważne właściwości redoks, a także bierze udział w reakcjach redoks. Żelazo jest niezbędne do syntezy białek transportujących tlen hemoglobiny i mioglobiny. W diecie znajdują się dwie formy żelaza:żelazo hemowe i niehemowe. Żelazo hemowe pochodzi ze źródeł zwierzęcych i jest wysoce biodostępne, podczas gdy żelazo niehemowe znajduje się w źródłach roślinnych i ma bardzo niską biodostępność. Ponieważ większość żelaza w organizmie znajduje się w czerwonych krwinkach, kobiety wymagają więcej żelaza niż mężczyźni ze względu na regularną utratę krwi podczas cyklu menstruacyjnego.5 Przewlekłe niewystarczające spożycie żelaza może skutkować anemią z niedoboru żelaza, a toksyczność żelaza zwykle wynika z choroby dziedzicznej, hemochromatozy, która powoduje przeładowanie żelazem.
Jod
Jod jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania tarczycy i reguluje podstawową przemianę materii.5 Jest szybko wchłaniany w dwunastnicy i krąży do tarczycy. Gdy spożycie jodu jest chronicznie niskie, szlak podwzgórze-przysadka-tarczyca jest aktywowany i wytwarza hormon stymulujący tarczycę, co prowadzi do przerostu tarczycy, co ostatecznie prowadzi do rozwoju wola.5 Niedobór jodu jest rzadkim problemem w populacjach uprzemysłowionych, gdzie jod jest dodawany do soli i obecny w mleku.
Cynk
Cynk jest jednym z najobficiej występujących minerałów śladowych w organizmie. Występuje we wszystkich tkankach ciała, a szczególnie koncentruje się w mięśniach i kościach.5 Cynk jest strukturalnym składnikiem białek palca cynkowego i katalizuje aktywność kilku enzymów zaangażowanych w fałdowanie struktury białka i ekspresję genów.5 Cynk jest również niezbędny do wzrostu i różnicowania komórek, funkcjonowania układu odpornościowego i utrzymania tkanki łącznej.5 Cynk jest ważnym minerałem dla układu rozrodczego, odgrywającym rolę w spermatogenezie i utrzymaniu wyściółki narządów rozrodczych.5
Inne minerały śladowe
Mniej wiadomo na temat pozostałych minerałów śladowych, w tym selenu, chromu, kobaltu i molibdenu. Selen jest włączony do selenoprotein, które pełnią różne funkcje, w tym w reakcjach redoks, produkcji immunoglobulin, zdrowiu tarczycy i jako składnik przeciwnowotworowy w organizmie.5 Chrom może odgrywać rolę w poprawie tolerancji glukozy poprzez zmniejszenie oporności na insulinę u osób, które wykazały zmieniony metabolizm glukozy i lipidów, chociaż badania przyniosły sprzeczne wyniki.9
Kobalt występuje głównie w witaminie B12 (kobalamina) i jest ważna w procesach biochemicznych, w tym syntezie kwasów nukleinowych i aminokwasów oraz produkcji erytrocytów.5 Kobalt może dostać się do organizmu poprzez dietę, skórę, a nawet układ oddechowy.5 Wreszcie, molibden, pierwiastek śladowy występujący w roślinnych źródłach pokarmowych, w tym w roślinach strączkowych, bierze udział w reakcjach jako kofaktor enzymów metabolizujących chemikalia.5 Niedobór jest rzadki, podobnie jak toksyczność, ponieważ układ moczowy wydala nadmiar molibdenu, jeśli poziom jest podwyższony.5 Molibden może również odgrywać rolę w cukrzycy poprzez uszkadzanie komórek beta trzustki i prawdopodobnie dysfunkcję seksualną, ale badania u ludzi są sprzeczne.5
Minerały śladowe są potrzebne w tak małych ilościach, że łatwo je przeoczyć. Mają jednak kluczowe znaczenie dla zdrowia organizmu i pomagają w utrzymaniu procesów enzymatycznych i metabolicznych. Spożywanie zrównoważonej diety roślinnej może pomóc w zapewnieniu odpowiedniego spożycia kilku minerałów śladowych.
