การเผาผลาญแร่ธาตุและธาตุติดตาม

แร่ธาตุและธาตุติดตามเป็นสารอาหารรองอนินทรีย์ที่จำเป็นต่อการเผาผลาญของมนุษย์ ตั้งแต่แร่ธาตุหลัก เช่น แคลเซียม แมกนีเซียม และฟอสฟอรัส ไปจนถึงธาตุติดตาม เช่น เหล็ก สังกะสี ทองแดง ซีลีเนียม และไอโอดีน พวกมันทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์ของเอนไซม์, องค์ประกอบโครงสร้าง, อิเล็กโทรไลต์, และส่วนประกอบของฮอร์โมนและโปรตีนขนส่งออกซิเจน และร่างกายจะรักษาระดับความเข้มข้นของพวกมันผ่านการดูดซึม การจัดเก็บ และการรีไซเคิลที่ถูกควบคุมอย่างเข้มงวด

Definition

การเผาผลาญแร่ธาตุและธาตุติดตามคือการศึกษาการดูดซึม การกระจาย การจัดเก็บ และบทบาททางสรีรวิทยาของสารอาหารรองอนินทรีย์ที่จำเป็น ซึ่งทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์ของเอนไซม์ องค์ประกอบโครงสร้าง อิเล็กโทรไลต์ และส่วนประกอบของเมทัลโลโปรตีนและฮอร์โมน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหน้าที่ทางชีวเคมีของแร่ธาตุและธาตุติดตามที่จำเป็น วิธีการควบคุมปริมาณในร่างกาย และบทบาททางเมตาบอลิซึมของธาตุสำคัญ ได้แก่ เหล็ก สังกะสี ทองแดง ซีลีเนียม ไอโอดีน แคลเซียม และแมกนีเซียม โดยถือว่าการเผาผลาญแร่ธาตุเป็นหัวข้อทางชีวเคมี และไม่รวมการจัดการทางคลินิกของความผิดปกติของแร่ธาตุ

Core questions

• ธาตุเหล็ก สังกะสี ทองแดง ซีลีเนียม และไอโอดีน มีบทบาททางชีวเคมีอย่างไร?
• สมดุลของแร่ธาตุทั่วร่างกายถูกควบคุมอย่างไรเมื่อธาตุติดตามส่วนใหญ่ไม่สามารถขับออกได้ง่าย?
• แร่ธาตุหลัก เช่น แคลเซียมและแมกนีเซียม แตกต่างจากธาตุติดตามในด้านการทำงานอย่างไร?

Key concepts

• แร่ธาตุหลักเทียบกับธาตุติดตาม
• เมทัลโลเอนไซม์และโคแฟกเตอร์โลหะ
• เหล็กและการขนส่งออกซิเจน / การเร่งปฏิกิริยารีดอกซ์
• การควบคุมเหล็กโดยเฮปซิดิน-เฟอร์โรพอร์ทิน
• สังกะสีในการเร่งปฏิกิริยาและการควบคุมยีน
• ซีลีเนียมและซีลีโนโปรตีน
• ไอโอดีนและการสังเคราะห์ฮอร์โมนไทรอยด์
• แมกนีเซียมในฐานะเอนไซม์และโคแฟกเตอร์ ATP

Mechanisms

ธาตุติดตามส่วนใหญ่จะออกฤทธิ์โดยการจับกับโปรตีนที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาหรือโครงสร้าง เหล็กถูกรวมเข้ากับฮีมและกลุ่มเหล็ก-กำมะถันที่ช่วยในการขนส่งออกซิเจนและการถ่ายโอนอิเล็กตรอน และเนื่องจากร่างกายไม่มีเส้นทางที่ควบคุมเพื่อขับเหล็กออก การรักษาสมดุลจึงถูกควบคุมที่การดูดซึมโดยแกนเฮปซิดิน-เฟอร์โรพอร์ทิน (Hentze, 2010) สังกะสีมีบทบาททั้งในการเร่งปฏิกิริยาและโครงสร้าง รวมถึงโมทีฟซิงค์ฟิงเกอร์ของปัจจัยการถอดรหัส ทองแดงเป็นโคแฟกเตอร์ในเอนไซม์ออกซิเดสและการเคลื่อนย้ายเหล็ก ซีลีเนียมถูกรวมเข้าเป็นซีลีโนซิสเตอีนในซีลีโนโปรตีน เช่น กลูตาไธโอนเปอร์ออกซิเดส และไอโอดีนถูกสร้างเป็นฮอร์โมนไทรอยด์ ในบรรดาแร่ธาตุหลัก แคลเซียมทำหน้าที่เป็นแร่ธาตุโครงสร้างและสัญญาณภายในเซลล์ และแมกนีเซียมช่วยให้ ATP เสถียรและจำเป็นสำหรับเอนไซม์หลายชนิด (Volpe, 2013)

Clinical relevance

ชีวเคมีของแร่ธาตุอธิบายว่าทำไมการขาดธาตุเหล็กจึงทำให้เกิดภาวะโลหิตจาง การขาดไอโอดีนทำให้เกิดคอพอกและพัฒนาการบกพร่อง และการขาดสังกะสีทำให้การเจริญเติบโตและภูมิคุ้มกันบกพร่อง และทำไมการจัดการทองแดงหรือเหล็กที่ผิดปกติจึงเป็นสาเหตุของภาวะโอเวอร์โหลดและการขาดที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม (Hentze, 2010) ข้อมูลนี้มีไว้สำหรับการอ้างอิงและการศึกษาเท่านั้น และไม่ได้ให้คำแนะนำในการให้ยาหรือการรักษา

Epidemiology

การขาดธาตุเหล็ก ไอโอดีน และสังกะสีเป็นปัญหาการขาดสารอาหารรองที่แพร่หลายที่สุดทั่วโลก โดยมีผลกระทบสำคัญต่อภาวะโลหิตจาง พัฒนาการของเด็ก และภูมิคุ้มกัน การกระจายตัวของประชากรที่มีภาวะขาดสารอาหารเหล่านี้จะกล่าวถึงในหัวข้อการขาดและภาวะเป็นพิษ

Evidence & guidelines

ปริมาณอ้างอิงและขีดจำกัดสูงสุดที่ยอมรับได้สำหรับแร่ธาตุและธาตุติดตามถูกกำหนดภายใต้กรอบ Dietary Reference Intake (IOM, 2001) และข้อมูลทางชีวเคมีแบบบูรณาการสามารถพบได้ในตำราเรียนมาตรฐาน (Ross et al., 2014)

History

ความจำเป็นของแร่ธาตุได้รับการยืนยันอย่างต่อเนื่อง: บทบาทของเหล็กในเลือดได้รับการยอมรับในศตวรรษที่สิบเก้า ความเชื่อมโยงของไอโอดีนกับคอพอกและการทำงานของต่อมไทรอยด์ผลักดันให้มีการเสริมไอโอดีนในเกลือเพื่อสาธารณสุขในยุคแรก และธาตุติดตาม เช่น สังกะสี ซีลีเนียม และอื่นๆ ได้รับการพิสูจน์ว่าจำเป็นผ่านการศึกษาการขาดในศตวรรษที่ยี่สิบ ซึ่งนำไปสู่ความเข้าใจสมัยใหม่เกี่ยวกับเมทัลโลโปรตีนและภาวะธำรงดุลของธาตุติดตามที่ถูกควบคุม

Debates

สถานะธาตุเหล็กในร่างกายควรได้รับการประเมินและจัดการสมดุลในระดับประชากรอย่างไร?

เนื่องจากธาตุเหล็กถูกควบคุมที่การดูดซึมและอาจเป็นอันตรายเมื่อมีมากเกินไป ตัวบ่งชี้ทางชีวภาพที่ดีที่สุดของสถานะธาตุเหล็กและความสมดุลระหว่างการป้องกันการขาดและการหลีกเลี่ยงภาวะโอเวอร์โหลดจึงยังคงเป็นคำถามที่สำคัญในวิทยาศาสตร์โภชนาการ

Seminal works

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

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่างแร่ธาตุหลักกับธาตุติดตามคืออะไร?

แร่ธาตุหลัก เช่น แคลเซียม แมกนีเซียม และฟอสฟอรัส จำเป็นในปริมาณที่มากกว่าและมักมีบทบาทด้านโครงสร้างและอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่ธาตุติดตาม เช่น เหล็ก สังกะสี ทองแดง และซีลีเนียม จำเป็นในปริมาณที่น้อยกว่ามากและทำหน้าที่หลักเป็นโคแฟกเตอร์ภายในเมทัลโลโปรตีน

ทำไมสมดุลของธาตุเหล็กจึงถูกควบคุมที่การดูดซึมมากกว่าการขับออก?

ร่างกายขาดเส้นทางที่ควบคุมเพื่อขับธาตุเหล็กออก ดังนั้นปริมาณธาตุเหล็กทั่วร่างกายจึงถูกควบคุมหลักโดยการปรับการดูดซึมในลำไส้และการปล่อยธาตุเหล็กจากแหล่งสะสมผ่านระบบเฮปซิดิน-เฟอร์โรพอร์ทิน