ミネラルと微量元素の代謝

ミネラルと微量元素は、ヒトの代謝に不可欠な無機微量栄養素であり、カルシウム、マグネシウム、リンなどの多量ミネラルから、鉄、亜鉛、銅、セレン、ヨウ素などの微量元素まで多岐にわたります。これらは酵素補因子、構造成分、電解質、ホルモンや酸素運搬タンパク質の構成要素として機能し、生体は厳密に制御された吸収、貯蔵、再利用を通じてその濃度を維持しています。

Definition

ミネラルと微量元素の代謝とは、必須無機微量栄養素の吸収、分布、貯蔵、および生理学的役割を研究する学問分野であり、これらの栄養素は酵素補因子、構造要素、電解質、メタロタンパク質やホルモンの構成要素として機能します。

Scope

このトピックでは、必須ミネラルと微量元素の生化学的機能、生体内での含有量の調節方法、および鉄、亜鉛、銅、セレン、ヨウ素、カルシウム、マグネシウムを含む主要元素の代謝的役割について扱います。ミネラル代謝を生化学的トピックとして扱い、ミネラル障害の臨床的管理は除外します。

Core questions

• 鉄、亜鉛、銅、セレン、ヨウ素はどのような生化学的役割を果たしていますか？
• ほとんどの微量元素が容易に排泄できない場合、全身のミネラルバランスはどのように調節されていますか？
• カルシウムやマグネシウムなどの多量ミネラルは、微量元素と機能的にどのように異なりますか？

Key concepts

• 多量ミネラルと微量元素
• 金属酵素と金属補因子
• 鉄と酸素輸送／レドックス触媒作用
• ヘプシジン-フェロポーチンによる鉄の調節
• 触媒作用と遺伝子調節における亜鉛
• セレンとセレノタンパク質
• ヨウ素と甲状腺ホルモン合成
• 酵素およびATP補因子としてのマグネシウム

Mechanisms

微量元素は、主にタンパク質の触媒部位または構造部位に結合することで作用します。鉄はヘムおよび鉄硫黄クラスターに組み込まれ、酸素輸送と電子伝達を可能にします。生体には鉄を排泄する調節された経路がないため、ヘプシジン-フェロポーチン軸（Hentze, 2010）によって吸収段階でバランスが制御されます。亜鉛は、転写因子のジンクフィンガーモチーフを含む触媒的役割と構造的役割の両方を果たします。銅は酸化酵素および鉄動員における補因子です。セレンはセレノシステインとしてグルタチオンペルオキシダーゼなどのセレノタンパク質に組み込まれます。ヨウ素は甲状腺ホルモンに組み込まれます。多量ミネラルのうち、カルシウムは構造ミネラルおよび細胞内シグナルとして作用し、マグネシウムはATPを安定化させ、多くの酵素に必要とされます（Volpe, 2013）。

Clinical relevance

ミネラルの生化学は、鉄欠乏が貧血を、ヨウ素欠乏が甲状腺腫と発達障害を、亜鉛欠乏が成長と免疫の障害を引き起こす理由、および銅や鉄の処理異常が遺伝性過剰症候群や欠乏症候群の根底にある理由を説明します（Hentze, 2010）。この項目は参照および教育を目的としており、投薬量や治療に関するガイダンスを提供するものではありません。

Epidemiology

鉄、ヨウ素、亜鉛の欠乏症は、世界的に最も広範な微量栄養素問題の一つであり、貧血、小児の発達、免疫に大きな影響を与えています。これらの欠乏症の人口分布については、欠乏症と毒性のトピックで扱われます。

Evidence & guidelines

ミネラルと微量元素の参照摂取量と許容上限摂取量は、食事摂取基準（Dietary Reference Intake）の枠組み内で定義されており（IOM, 2001）、統合された生化学的記述は標準的な教科書に記載されています（Ross et al., 2014）。

History

ミネラルの必須性は段階的に確立されました。鉄の血液における役割は19世紀に認識され、ヨウ素と甲状腺腫および甲状腺機能との関連は初期の公衆衛生における食塩ヨウ素添加を推進しました。微量元素である亜鉛、セレンなどは、20世紀の欠乏症研究を通じて必須であることが示され、メタロタンパク質と調節された微量元素ホメオスタシスに関する現代の理解へとつながりました。

Debates

集団レベルで体内の鉄の状態をどのように評価し、そのバランスを管理すべきか？

鉄は吸収段階で調節され、過剰になると有害となる可能性があるため、鉄の状態を示す最適なバイオマーカー、および欠乏症の予防と過剰症の回避のバランスは、栄養科学において活発な研究課題として残っています。

Seminal works

• hentze-2010-mtm
• volpe-2013
• iom-minerals-2001

Frequently asked questions

多量ミネラルと微量元素の違いは何ですか？

カルシウム、マグネシウム、リンなどの多量ミネラルはより多量に必要とされ、しばしば構造的および電解質の役割を果たします。一方、鉄、亜鉛、銅、セレンなどの微量元素ははるかに少量で必要とされ、主にメタロタンパク質内の補因子として作用します。

鉄のバランスは排泄ではなく吸収段階で調節されるのはなぜですか？

生体には鉄を排泄する調節された経路がないため、全身の鉄含有量は、ヘプシジン-フェロポーチンシステムを介して腸からの吸収と貯蔵からの鉄放出を調整することによって主に制御されます。