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摘 要:锌是动物的一种必需金属元素,是它们发挥正常生理功能所必需的。锌参与了能够影响机体免疫应答的生物化学过程,它在大脑的兴奋性突触(excitatory synpses)中起着神经调节剂的功能。锌参与对应激性刺激的应答反应。锌是基因表达的一种重要调控因子;在细胞水平上,锌在维持细胞壁的完整性上起着重要的作用,它会影响动物的衰老。锌在自然界相对丰富,以矿物质的形式存在,且很少以纯锌元素的方式出现。锌被广泛用于工业和农业生产:在工业上,锌主要以其抗腐蚀作用被用于其他金属元素的加工工艺中;在农业上,锌被用作肥料和化学剂,以生产杀虫剂。在某些受到人类活动影响的地方,锌在自然界的含量提高,并且大量的锌进入人类的食品供应链中。本文我们主要介绍锌在动物体内的代谢和体内平衡,同时还详细介绍锌的生物学功能。本文也将介绍锌的不足和其对动物健康的影响。我们还将简要介绍锌的过量摄入及由此引发的毒性。
关键词:锌;金属元素;酶;蛋白质;金属硫蛋白
中图分类号:S816.72 文献标志码:C 文章编号:1001-0769(2017)09-0106-03
锌(Zn)是对动物健康非常重要的营养成分之一。许多蛋白质、重要的酶和转录因子均与锌结合,其功能的发挥也依赖于锌。锌参与支持生命的多种生化过程,包括细胞呼吸、氧的细胞利用、DNA和RNA的表达、维持细胞膜的完整性、自由基螯合以及防止脂质过氧化。锌是一种微量元素,是金属酶、乳酸脱氢酶、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶的核心成分。人体含有 1.5 g~2.5 g的锌,其中60%贮存于肌肉,30%存在于骨骼(图1)。
锌是一种必需的金属元素,参与多种生化过程,并与多种生理缺陷有关,包括皮肤病、厌食、体重减轻、生长迟缓以及神经和免疫系统受损。锌缺乏会导致碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)、铜/锌超氧化物歧化酶(Cu-Zn SOD)、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶及乳酸脱氢酶等酶活性发生变化。
锌参与维持动物肠道的结构和功能,在肠道免疫功能中起着至关重要的作用。缺乏锌会导致空肠绒毛变得松软扁平。这种形态变化会降低肠道表面的吸收能力,导致单位面积绒毛数量大幅减少。补充锌可加速肠道黏膜的再生,提高刷状边缘酶的水平。
营养性锌缺乏症是一个世界性的问题(图2)。锌摄入量不足与蛋白-能量营养不良有关。锌缺乏会导致多种参与生长和骨骼发育的激素、细胞因子和酶[如胰岛素样生长因子-I(Insulin-Like Growing Factor-I,IGF-1)、生长激素、甲状腺激素、胰岛素、催乳素、碱性磷酸酶(ALP)和前列腺素]的代谢紊乱。人类和动物摄入的锌不足,会导致生长迟缓和骨骼成熟延迟。ALP是一种存在于成骨细胞表面的含锌金属酶,为骨骼正常形成和/或礦化所必需。骨特异性碱性磷酸酶(ALP)的单体带有两个锌分子,因此锌是ALP发挥活性所必需的。此前的动物研究表明,患有锌缺乏症的大鼠骨特异性ALP活性降低。在成年雌性小鼠胫骨中,日粮锌与骨ALP存在剂量依赖性关系。碳酸酐酶II(Carbonic Anhydrase II,CAII)是一种催化二氧化碳可逆性水合的含锌酶,是成骨细胞分化的初始调节剂,对最佳的骨吸收至关重要。
运输锌的“锌指”蛋白和金属硫蛋白(Metallothioneins,MT)都是非酶锌蛋白。因特异性转运蛋白所致的锌转运失调与特定疾病有关。金属硫蛋白是一类具有低分子量和独特氨基酸序列的非酶肽,在免疫调节、神经保护、金属调节和解毒中起着重要的生物学作用。
正常日粮不会导致锌过量摄入。高剂量服用富含锌的营养添加剂时,其他金属代谢可能会受到干扰,因为日粮锌对铜的吸收具有拮抗作用。动物摄入极高剂量的锌会导致其他金属离子如铜、铁、钴和铬的吸收下降。如果持续高剂量摄入,可能会出现贫血症状。因此须确保金属的平衡摄取,以防止失衡。
1 农业生态系统中的锌污染
与其他微量元素(Cu、Mn、Co、Ni)一样,锌以两种方式进入农业生态系统。第一种方式是高浓度锌矿物材料风化。三种含锌的主要矿物为菱锌矿(ZnCO3)、闪锌矿(ZnS)和半闪锌矿[Zn4Si2O7(OH)2·H2O]。例如,玄武岩是含有高水平锌的火成岩,叶岩是具有高水平Zn的沉积岩。这些矿物质可能会在特定环境条件下迅速风化,其中的微量元素被氧化并可流动。
第二种方式是人为活动,包括在农地上施用含有锌等多种微量元素的肥料、杀真菌剂、除草剂、农药和池塘沉积物。例如,在果园施用农药可能使Zn含量每年增加0.05 kg/km2~ 0.09 kg/km2。锌还通过动物排泄物进入农业生态系统。锌是一种无机抗菌化合物,欧盟规定全价料中锌的含量限制在250 mg/kg内,或80 mg螯合锌/kg。土壤中只有一小部分微量元素可生物利用。锌的迁移率受土壤pH以及各种生物过程的影响。
2 锌的代谢
食物是锌的主要来源。肉类(特别是牛肉和猪肉、火鸡和鸡肉)、海鲜(如牡蛎)、谷物和豆类中锌的含量相对较高。通常动物性食品是更为优良的锌源,几乎不含抑制锌吸收的成分,特别是不含可与锌形成不溶性复合物而降低锌生物利用率的植酸。某些氨基酸可改善Zn、半胱氨酸和组氨酸的吸收。
3 锌的吸收
动物吸收锌的主要部位是小肠,其中十二指肠远端和近端空肠发挥着关键的作用。锌的吸收主要依靠主动和被动转运这两种形式进行。主动转运由特定的转运载体运输,其有效性随着日粮锌摄入量的增加而增加。被动转运通过扩散机制进行,其有效性与肠腔内锌的浓度成比例。
在细胞水平上,锌的吸收是一个进入肠细胞的过程,锌通过基底外侧膜进入门静脉循环,该过程通过几种锌转运载体完成。
4 锌的分布
吸收入体内的锌主要与白蛋白(60%~80%)集合,少量与α-2-巨球蛋白和转铁蛋白及游离氨基酸特别是组氨酸和半胱氨酸结合,并通过血液运输。与血浆蛋白结合的锌是身体中最容易获取的锌源,尽管它仅占体内Zn总量的约0.1%。血液中的锌含量比血浆高五倍以上。在红细胞中,80%的锌存在于碳酸酐酶和Zn超氧化物歧化酶。 运送到肝脏的锌稍后运输到身体各处。在肝细胞、肠细胞和其他细胞中,锌贮存于金属蛋白,包括金属酶、基因调节分子、储存蛋白和锌转运蛋白。肝细胞中的锌主要与MT结合。
5 锌的转运载体
锌转运载体分为两类:ZnT和ZIP。ZnT主要存在于细胞质膜、高尔基体、内质网和内质网,负责转运细胞质中的锌。其中ZnT-1存在于质膜,将Zn从细胞转运到几乎所有组织中的细胞外。ZnT-2存在于肠、肾和睾丸中,可将锌从细胞中运出,也可将Zn转运到细胞中的储存囊泡中。ZnT-3的活性与Zn向囊泡转移有关,其表达仅限于脑部。这表明Zn在中枢神经系统中具有重要作用。ZnT-4位于哺乳动物的腺体和脑部。ZnT-5位于胰腺的囊泡分泌细胞和肠细胞的顶端膜。ZnT-10位于胞质膜上。
ZIP载体可以分为四个亚类:Zip I、Zip II、gufA和LZT。大多数ZIP类蛋白(Zip-4~Zip- 8、Zip-10和Zip-12~Zip-14)为LZT亚类。ZIP类载体将锌从细胞外或细胞内囊泡转移到细胞质中。此类载体大多位于细胞质膜上。在急性炎症的情况下,ZIP-14移动到肝细胞膜上,从而增加锌的吸收。
6 金屬硫蛋白
金属硫蛋白(Metallothioneins,MT)是一组低分子量的胞内蛋白,可以与锌等二价金属阳离子结合。MT在体内执行许多功能,其中最重要的是转运必需的金属离子及对金属离子进行解毒。大多数金属硫蛋白与锌结合,还可贮存过量的金属离子,在金属离子摄入不足的条件可以动员这些金属离子。
哺乳动物的金属硫蛋白含有61至68个氨基酸残基,其中包括18至23个半胱氨酸残基,但是不含芳香族氨基酸或组氨酸。其三级结构由两个结构域组成(α:包含C末端的稳定结构域,β:包含N-末端的反应性域)。它们可配合7个二价或12个一价金属离子。金属硫蛋白以MT-1、MT-2、MT-3和MT-4等多种异构体存在。
金属硫蛋白表达的调节与金属离子有关。在金属调节转录因子-1(Metal-Regulatory Transcription Factor-1,MTF-1)与MT基因启动子上的金属反应元件(MRE)结合后启动转录。通常,MTF-1与抑制剂MTI结合。金属离子进入细胞内间隙后,细胞在金属离子与MTI之间建立连接,并释放MTF-1,诱导MT的表达。□□
未完,待续。
原题名:Zinc In The Animal Organism: A Review(英文)
原作者:V. Sloup和I. Jankovská等(捷克生命科学大学农业生物、食品与自然资源学院)
关键词:锌;金属元素;酶;蛋白质;金属硫蛋白
中图分类号:S816.72 文献标志码:C 文章编号:1001-0769(2017)09-0106-03
锌(Zn)是对动物健康非常重要的营养成分之一。许多蛋白质、重要的酶和转录因子均与锌结合,其功能的发挥也依赖于锌。锌参与支持生命的多种生化过程,包括细胞呼吸、氧的细胞利用、DNA和RNA的表达、维持细胞膜的完整性、自由基螯合以及防止脂质过氧化。锌是一种微量元素,是金属酶、乳酸脱氢酶、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶的核心成分。人体含有 1.5 g~2.5 g的锌,其中60%贮存于肌肉,30%存在于骨骼(图1)。
锌是一种必需的金属元素,参与多种生化过程,并与多种生理缺陷有关,包括皮肤病、厌食、体重减轻、生长迟缓以及神经和免疫系统受损。锌缺乏会导致碱性磷酸酶(Alkaline Phosphatase,ALP)、铜/锌超氧化物歧化酶(Cu-Zn SOD)、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶及乳酸脱氢酶等酶活性发生变化。
锌参与维持动物肠道的结构和功能,在肠道免疫功能中起着至关重要的作用。缺乏锌会导致空肠绒毛变得松软扁平。这种形态变化会降低肠道表面的吸收能力,导致单位面积绒毛数量大幅减少。补充锌可加速肠道黏膜的再生,提高刷状边缘酶的水平。
营养性锌缺乏症是一个世界性的问题(图2)。锌摄入量不足与蛋白-能量营养不良有关。锌缺乏会导致多种参与生长和骨骼发育的激素、细胞因子和酶[如胰岛素样生长因子-I(Insulin-Like Growing Factor-I,IGF-1)、生长激素、甲状腺激素、胰岛素、催乳素、碱性磷酸酶(ALP)和前列腺素]的代谢紊乱。人类和动物摄入的锌不足,会导致生长迟缓和骨骼成熟延迟。ALP是一种存在于成骨细胞表面的含锌金属酶,为骨骼正常形成和/或礦化所必需。骨特异性碱性磷酸酶(ALP)的单体带有两个锌分子,因此锌是ALP发挥活性所必需的。此前的动物研究表明,患有锌缺乏症的大鼠骨特异性ALP活性降低。在成年雌性小鼠胫骨中,日粮锌与骨ALP存在剂量依赖性关系。碳酸酐酶II(Carbonic Anhydrase II,CAII)是一种催化二氧化碳可逆性水合的含锌酶,是成骨细胞分化的初始调节剂,对最佳的骨吸收至关重要。
运输锌的“锌指”蛋白和金属硫蛋白(Metallothioneins,MT)都是非酶锌蛋白。因特异性转运蛋白所致的锌转运失调与特定疾病有关。金属硫蛋白是一类具有低分子量和独特氨基酸序列的非酶肽,在免疫调节、神经保护、金属调节和解毒中起着重要的生物学作用。
正常日粮不会导致锌过量摄入。高剂量服用富含锌的营养添加剂时,其他金属代谢可能会受到干扰,因为日粮锌对铜的吸收具有拮抗作用。动物摄入极高剂量的锌会导致其他金属离子如铜、铁、钴和铬的吸收下降。如果持续高剂量摄入,可能会出现贫血症状。因此须确保金属的平衡摄取,以防止失衡。
1 农业生态系统中的锌污染
与其他微量元素(Cu、Mn、Co、Ni)一样,锌以两种方式进入农业生态系统。第一种方式是高浓度锌矿物材料风化。三种含锌的主要矿物为菱锌矿(ZnCO3)、闪锌矿(ZnS)和半闪锌矿[Zn4Si2O7(OH)2·H2O]。例如,玄武岩是含有高水平锌的火成岩,叶岩是具有高水平Zn的沉积岩。这些矿物质可能会在特定环境条件下迅速风化,其中的微量元素被氧化并可流动。
第二种方式是人为活动,包括在农地上施用含有锌等多种微量元素的肥料、杀真菌剂、除草剂、农药和池塘沉积物。例如,在果园施用农药可能使Zn含量每年增加0.05 kg/km2~ 0.09 kg/km2。锌还通过动物排泄物进入农业生态系统。锌是一种无机抗菌化合物,欧盟规定全价料中锌的含量限制在250 mg/kg内,或80 mg螯合锌/kg。土壤中只有一小部分微量元素可生物利用。锌的迁移率受土壤pH以及各种生物过程的影响。
2 锌的代谢
食物是锌的主要来源。肉类(特别是牛肉和猪肉、火鸡和鸡肉)、海鲜(如牡蛎)、谷物和豆类中锌的含量相对较高。通常动物性食品是更为优良的锌源,几乎不含抑制锌吸收的成分,特别是不含可与锌形成不溶性复合物而降低锌生物利用率的植酸。某些氨基酸可改善Zn、半胱氨酸和组氨酸的吸收。
3 锌的吸收
动物吸收锌的主要部位是小肠,其中十二指肠远端和近端空肠发挥着关键的作用。锌的吸收主要依靠主动和被动转运这两种形式进行。主动转运由特定的转运载体运输,其有效性随着日粮锌摄入量的增加而增加。被动转运通过扩散机制进行,其有效性与肠腔内锌的浓度成比例。
在细胞水平上,锌的吸收是一个进入肠细胞的过程,锌通过基底外侧膜进入门静脉循环,该过程通过几种锌转运载体完成。
4 锌的分布
吸收入体内的锌主要与白蛋白(60%~80%)集合,少量与α-2-巨球蛋白和转铁蛋白及游离氨基酸特别是组氨酸和半胱氨酸结合,并通过血液运输。与血浆蛋白结合的锌是身体中最容易获取的锌源,尽管它仅占体内Zn总量的约0.1%。血液中的锌含量比血浆高五倍以上。在红细胞中,80%的锌存在于碳酸酐酶和Zn超氧化物歧化酶。 运送到肝脏的锌稍后运输到身体各处。在肝细胞、肠细胞和其他细胞中,锌贮存于金属蛋白,包括金属酶、基因调节分子、储存蛋白和锌转运蛋白。肝细胞中的锌主要与MT结合。
5 锌的转运载体
锌转运载体分为两类:ZnT和ZIP。ZnT主要存在于细胞质膜、高尔基体、内质网和内质网,负责转运细胞质中的锌。其中ZnT-1存在于质膜,将Zn从细胞转运到几乎所有组织中的细胞外。ZnT-2存在于肠、肾和睾丸中,可将锌从细胞中运出,也可将Zn转运到细胞中的储存囊泡中。ZnT-3的活性与Zn向囊泡转移有关,其表达仅限于脑部。这表明Zn在中枢神经系统中具有重要作用。ZnT-4位于哺乳动物的腺体和脑部。ZnT-5位于胰腺的囊泡分泌细胞和肠细胞的顶端膜。ZnT-10位于胞质膜上。
ZIP载体可以分为四个亚类:Zip I、Zip II、gufA和LZT。大多数ZIP类蛋白(Zip-4~Zip- 8、Zip-10和Zip-12~Zip-14)为LZT亚类。ZIP类载体将锌从细胞外或细胞内囊泡转移到细胞质中。此类载体大多位于细胞质膜上。在急性炎症的情况下,ZIP-14移动到肝细胞膜上,从而增加锌的吸收。
6 金屬硫蛋白
金属硫蛋白(Metallothioneins,MT)是一组低分子量的胞内蛋白,可以与锌等二价金属阳离子结合。MT在体内执行许多功能,其中最重要的是转运必需的金属离子及对金属离子进行解毒。大多数金属硫蛋白与锌结合,还可贮存过量的金属离子,在金属离子摄入不足的条件可以动员这些金属离子。
哺乳动物的金属硫蛋白含有61至68个氨基酸残基,其中包括18至23个半胱氨酸残基,但是不含芳香族氨基酸或组氨酸。其三级结构由两个结构域组成(α:包含C末端的稳定结构域,β:包含N-末端的反应性域)。它们可配合7个二价或12个一价金属离子。金属硫蛋白以MT-1、MT-2、MT-3和MT-4等多种异构体存在。
金属硫蛋白表达的调节与金属离子有关。在金属调节转录因子-1(Metal-Regulatory Transcription Factor-1,MTF-1)与MT基因启动子上的金属反应元件(MRE)结合后启动转录。通常,MTF-1与抑制剂MTI结合。金属离子进入细胞内间隙后,细胞在金属离子与MTI之间建立连接,并释放MTF-1,诱导MT的表达。□□
未完,待续。
原题名:Zinc In The Animal Organism: A Review(英文)
原作者:V. Sloup和I. Jankovská等(捷克生命科学大学农业生物、食品与自然资源学院)