W organizmie ludzkim znajduje się ok. 60 pierwiastków istotnych dla prawidłowego funkcjonowania ustroju. Ze względu na ich zawartość w organizmie oraz wartość dziennego zapotrzebowania można podzielić je na dwie grupy: makroelementy, których zawartość w ustroju wynosi ponad 0,01%, natomiast dzienne zapotrzebowanie przekracza 100 mg oraz mikroelementy o poziomie mniejszym niż 0,01% i dziennym zapotrzebowaniu poniżej 100 mg. Głównymi przedstawicielami tej ostatniej grupy są żelazo i cynk – pierwiastki śladowe, których nadmiar lub niedobór prowadzi do poważnych zaburzeń fizjologicznych.
Rola biologiczna żelaza
Żelazo występuje w organizmie ludzkim w ilości 3-4 g. Wspomniany pierwiastek wchodzi w skład grup prostetycznych wielu ważnych białek z rodziny metaloprotein (m.in. hemoglobiny, mioglobiny) oraz centrów aktywnych licznych enzymów (m.in. cytochromów, peroksydaz, katalaz). Z tego względu żelazo jest niezbędne do prawidłowego przebiegu kluczowych procesów biologicznych.
Kation żelaza, będąc składnikiem hemu, z jednej strony bierze udział w wiązaniu ligandów, z drugiej strony posiada zdolność zmiany stopnia utlenienia. Pierwsza z omawianych właściwości wykorzystywana jest w hemoglobinie i odpowiada za przyłączenie cząsteczki tlenu lub dwutlenku węgla, a następnie ich transport w krwiobiegu. Drugi proces, polegający na naprzemiennych reakcjach utleniania i redukcji, przebiega w centrach żelazowo-siarkowych oraz cytochromach i wykorzystywany jest w jednym z etapów oddychania komórkowego.
Ponadto żelazo w postaci hemu wchodzi w skład licznych enzymów chroniących komórki przed stresem oksydacyjnym, takich jak katalazy i peroksydazy, a także enzymów biorących udział w syntezie serotoniny, produkcji tyroksyny i trijodotyroniny z tyroksyny, syntezie prostaglandyn i tlenku azotu oraz DNA, cGMP i cATP.
Metabolizm żelaza
Żelazo w organizmie ludzkim magazynowane jest głównie w erytrocytach (hemoglobina), wątrobie (ferrytyna, hemosyderyna), mięśniach (mioglobina), osoczu (transferyna) i szpiku kostnym. W żywności omawiany pierwiastek występuje w formie hemowej (Fe+2; produkty mięsne) lub niehemowej (Fe+3; produkty zbożowe, szpinak, buraki, jaja, rośliny strączkowe). Udział żelaza hemowego w codziennej diecie wynosi jedynie 10% i jest o wiele niższy w porównaniu do udziału żelaza niehemowego (90%). Jednak to właśnie forma hemowa charakteryzuje się lepszą przyswajalnością, która wynosi od 25 do 50%, natomiast z pobranego z pożywieniem żelaza niehemowego wchłania się jedynie od 1 do 10%. (…).
Objawy niedoboru i nadmiaru żelaza. Zapotrzebowanie organizmu na żelazo
Przeciętna dzienna utrata żelaza wynosi zaledwie 1,0-1,5 mg i odbywa się głównie poprzez złuszczanie nabłonka jelitowego. Grupami narażonymi na deficyty żelaza są kobiety w okresie ciąży i laktacji, dzieci i młodzież w okresie intensywnego wzrostu, wegetarianie i osoby starsze. Pierwszym objawem biochemicznym niedostatecznej podaży żelaza jest obniżenie stężenia ferrytyny w surowicy krwi (SF < 12 μg/l). Kolejnym symptomem jest niedokrwistość z niedoboru żelaza, która manifestuje się obniżeniem stężenia hemoglobiny (Hb < 12 g/dl – kobiety, Hb < 14 g/dl – mężczyźni). Niedokrwistość objawia się osłabieniem, sennością, bladością skóry i spojówek, zmianami w śluzówce (zanik brodawek językowych, biegunki, zajady w kącikach ust), zwiększoną łamliwością włosów i paznokci, obniżeniem odporności organizmu i sprawności psychicznej. Niedoborom żelaza i związanej z nimi niedokrwistości można zapobiec po przez zwiększenie spożycia omawianego pierwiastka, poprawienie biodostępności żelaza niehemowego, dzięki wzbogacaniu pożywienia w składniki zwiększające jego wchłanianie oraz poprzez stosowanie suplementów diety zawierających żelazo i picie wód mineralnych bogatych w ten pierwiastek.
Stany nadmiarów żelaza
Obecnie częstym problemem jest również nadmiar żelaza w organizmie, spowodowany najczęściej dziedziczną hemochromatozą, schorzeniami wątroby, chorobami wymagającymi częstego przetaczania krwi. Skutkiem nadmiaru wspomnianego pierwiastka w organizmie mogą być: zmniejszone wchłanianie innych składników mineralnych (głównie cynku i miedzi), podatność na infekcje, odkładanie żelaza w tkankach i ich uszkodzenie (np. trzustki – cukrzyca, szpiku kostnego – niedokrwistość, wątroby – marskość), wzrost produkcji wolnych rodników prowadzący do wzrostu ryzyka nowotworów i choroby wieńcowej. O nadmiarze żelaza w ustroju świadczy m.in. znacznie podwyższony poziom ferrytyny w surowicy (SF > 300 μg/l), podwyższony stopień wysycenia transferryny żelazem (TS > 60 %) i drastyczny wzrost stężenia wolnego żelaza we krwi (SI > 1800 μg/l). Z tego względu, przed rozpoczęciem suplementacji preparatami zawierającymi żelazo, należy koniecznie potwierdzić odpowiednimi badaniami laboratoryjnymi niedobór tego pierwiastka w organizmie.
Normy spożycia żelaza podane przez Instytut Żywności i Żywienia są zróżnicowane w zależności od płci i wieku. Zalecane dzienne spożycie żelaza (ang. Recommended daily allowance, RDA) dla mężczyzn wynosi 10 mg, a dla kobiet w wieku rozrodczym – 18 mg. Ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na żelazo w okresie wzrostu i ciąży, wartości RDA w tych okresach są wyższe i wynoszą odpowiednio 12-15 i aż 27 mg Fe/dobę. Ze względu na możliwość akumulacji omawianego pierwiastka w organizmie z powodu braku mechanizmów dostosowujących jego wydalanie do aktualnych potrzeb ustroju, Amerykański Instytut Żywności i Żywienia ustalił maksymalne tolerowane dzienne spożycie (ang. Tolerable upper intake level, UL) żelaza u osób dorosłych na poziomie 45 mg.
Rola biologiczna cynku
Organizm ludzki zawiera od 2 do 4 g cynku, z czego aż 90% znajduje się w kościach i mięśniach. Ogromne znaczenie biologiczne cynku wynika z faktu, iż pierwiastek ten jest składnikiem ponad 2000 białek. Wśród nich ważną grupę stanowią enzymy; cynk wchodzi w skład ok. 400 z nich.
Pierwszym odkrytym enzymem zawierającym jon Zn2+ była anhydraza węglanowa. Jon cynku odgrywa kluczową rolę dla jego aktywności katalitycznej, ponieważ ułatwia uwolnienie protonu z cząsteczki wody, co prowadzi do powstania jonu hydroksylowego, a następnie do utworzenia wodorowęglanu. Poprzez udział w tej reakcji cynk pośrednio, ale znacząco wpływa na gospodarkę kwasowo-zasadową organizmu, regulując ją zarówno w płucach, jak i w kanalikach nerkowych. Dodatkowo anhydraza węglanowa wraz z dehydrogenazą (która również zawiera cynk) uczestniczy w reakcjach powstawania energii. Jeśli jest zbyt mało jonów cynku w organizmie, zamiast energii tworzy się tkanka tłuszczowa, co w konsekwencji prowadzi do otyłości. Przy zbyt niskim poziomie cynku zaburzeniu ulega również profil lipidowy, dochodzi do podwyższenia poziomu cholesterolu całkowitego (TC), trójglicerydów (TG) oraz frakcji cholesterolu o małej gęstości (LDL). Zatem cynk to pierwiastek niezbędny do utrzymania odpowiedniej masy ciała oraz zapobiegający chorobom sercowo-naczyniowym.
Cynk, wchodząc w skład polimeraz DNA i RNA, odpowiada również za procesy replikacji i transkrypcji materiału genetycznego oraz bierze udział w ekspresji genów. Konsekwencją niedoboru cynku jest zmniejszenie aktywności tych enzymów, co prowadzi do zaburzeń biosyntezy białka i kwasów nukleinowych.
Istotną rolą cynku jest także bezpośrednie hamowanie niektórych enzymów apoptycznych, głównie kaspaz. Badania naukowe wskazują, iż suplementacja omawianym pierwiastkiem obniża markery stresu oksydacyjnego, hamuje wytwarzanie białka C-reaktywnego i cytokin prozapalnych oraz blokuje adhezję cząsteczek na makrofagach i monocytach, zapewniając ochronę organizmu przed procesami zapalnymi, które są przyczyną wielu chorób, m.in.: miażdżycy tętnic, zastoinowej niewydolności żylnej, niewydolności nerek, nadciśnienia tętniczego, cukrzycy, zaburzeń immunologicznych, neurodegeneracyjnych.
Interesujący jest fakt, iż cynk jest niezbędny również do proliferacji patogenów. Z tego względu w ostrej fazie infekcji organizm ogranicza stężenie omawianego pierwiastka w surowicy krwi, co stanowi mechanizm obronny ustroju przed namnażaniem się mikroorganizmów. Wykazano, że podczas rozkładu neutrofili uwalniane jest białko wiążące wapń, które chelatując cynk, powoduje hamowanie namnażania bakterii i grzybów z gatunku Candida albicans.
Cynk pełni również istotną funkcję w prawidłowym funkcjonowaniu trzustki. Jony omawianego metalu uczestniczą w syntezie, regulacji wydzielania i przekazywania sygnałów o obecności insuliny oraz biorą udział w sekrecji glukagonu. Zarówno nadmiar, jak i niedobór cynku w organizmie prowadzi do obniżenia wydzielania enzymów trawiennych przez trzustkę.
Metabolizm cynku
Cynk ulega wchłonięciu w przewodzie pokarmowym w granicach 58-77%. Wydalany jest w 70-80% z kałem. U człowieka absorpcja cynku następuje w jelicie cienkim na drodze dwóch mechanizmów: transportu aktywnego i biernego. Absorpcja cynku w jelicie wzrasta w obecności kwasu pikolinowego wydzielanego przez trzustkę, witaminy B6, cytrynianów oraz niektórych aminokwasów. (…).
Objawy niedoboru i nadmiaru cynku. Zapotrzebowanie organizmu na cynk
Żywność najbogatsza w łatwo przyswajalny cynk to: ostrygi, wołowina, jagnięcina, jajka, mleko oraz produkty pełnoziarniste. Ciężki niedobór cynku jest dość rzadko spotykany. Na deficyt tego pierwiastka szczególnie podatne są kobiety w ciąży, niemowlęta i dzieci. Objawami niedoboru cynku u dzieci są: łuszczycopodobne zmiany skórne (acrodermatis enteropathica, biegunka, utrata apetytu, łysienie, hipogonadyzm, zahamowanie wzrostu. U dorosłych z deficytami tego mikroelementu obserwuje się: zaburzenia smaku i węchu, obniżenie odporności, upośledzenie gojenia ran, problemy dermatologiczne, wypadanie włosów, atrofię grasicy i węzłów chłonnych, kurzą ślepotę, zaburzenia psychiczne. W takich przypadkach pożądana jest dodatkowa suplementacja tym pierwiastkiem.
Należy jednak pamiętać, iż długotrwałe spożycie preparatów zawierających cynk i związane z tym „przeładowanie” organizmu omawianym mikroelementem może prowadzić do wystąpienia niepożądanych objawów związanych m.in. z wywołanym przez cynk niedoborem miedzi. Deficyt miedzi wynika z faktu, że miedź i cynk współzawodniczą o miejsce wiążące metalotioneiny. Najczęstsze objawy niedoboru miedzi (i nadmiaru cynku) to m.in.: anemia, leukopenia, wzrost poziomu cholesterolu w surowicy oraz stosunku LDL/HDL, zaburzenia pracy serca.
Normy spożycia cynku podane przez Instytut Żywności i Żywienia są zróżnicowane w zależności od płci i wieku. Zalecane dzienne spożycie cynku (RDA) dla mężczyzn wynosi 11 mg, a dla kobiet 8 mg. Ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na cynk w okresie dojrzewania, ciąży i laktacji, RDA jest wyższe i wynosi odpowiednio 8, 12 i 13 mg Zn/dobę.
Cynk jest uznawany za pierwiastek mało toksyczny dla człowieka. Amerykański Instytut Żywności i Żywienia ustalił maksymalne tolerowane dzienne spożycie (ang. Tolerable upper intake level, UL) cynku dla osób dorosłych na poziomie 40 mg/dobę.
Wzajemne interakcje żelaza i cynku
Nadmierna podaż żelaza może powodować zaburzenia wchłaniania cynku. Badania naukowe wykazały, że jeżeli stosunek masowy Fe/Zn w diecie wynosi 1:1, następuje niewielka inhibicja absorpcji cynku, lecz gdy stosunek Fe/Zn jest wyższy i wynosi 2:1 lub 3:1, absorpcja cynku zostaje istotnie ograniczona. Bardzo ważne jest, w jakiej formie – organicznej czy nieorganicznej – wspomniane pierwiastki występują w diecie. Przyjmowanie żelaza hemowego wraz z cynkiem nieorganicznym w odpowiednim stosunku Fe:Zn nie upośledza absorpcji cynku. Dodatkowo żelazo nie ma wpływu na wchłanianie cynku w sytuacji, gdy cynk występuje w postaci związku organicznego. Potwierdzają to badania, w których podawano ostrygi atlantyckie zawierające 54 mg Zn wraz z 100 mg żelaza (Fe/Zn = 2:1).
Warto zwrócić uwagę, iż u kobiet w ciąży pojawia się zwiększone zapotrzebowanie nie tylko na cynk, lecz również na żelazo. Bardzo często w tym okresie, ze względu na niedobór żelaza, występują objawy anemii, co skutkuje koniecznością dodatkowej suplementacji wspomnianego mikroelementu. Badania naukowe wskazują, że u kobiet w ciąży, którym podawano preparaty zawierające żelazo w dawce ponad 100 mg/dobę, zanotowano niższe stężenia cynku w surowicy niż u kobiet, którym podawano mniejsze niż 100 mg dawki Fe. Dodatkowo preparaty multiwitaminowe zawierające 60-65 mg żelaza powodują ograniczenie wchłaniania cynku u kobiet w pierwszym trymestrze ciąży w porównaniu do kobiet, które nie otrzymują suplementów żelaza lub otrzymujących żelazo w dawce mniejszej niż 30 mg/dobę.
Podsumowanie
Żelazo i cynk to pierwiastki pełniące bardzo ważne funkcje w organizmie człowieka. Niezwykle istotne jest więc utrzymanie ich prawidłowego poziomu, gdyż zarówno nadmiar, jak niedobór skutkuje wystąpieniem objawów niepożądanych.
W ostatnich latach obserwuje się znaczny wzrost zainteresowania suplementami zawierającymi omawiane mikroelementy. Przed przystąpieniem do suplementacji należy mieć jednak świadomość ich wzajemnych interakcji. Powyższe wyniki badań są niezwykle istotne w planowaniu składu preparatów zawierających żelazo i cynk.
Warto również pamiętać, że po suplementy zawierające omawiane mikroelementy należy sięgać po konsultacji z lekarzem, najlepiej po wykonaniu badań laboratoryjnych potwierdzających ich niedobór w ustroju. Długotrwała suplementacja bez wskazań medycznych może mieć bowiem niekorzystny wpływ na funkcjonowanie organizmu.
Dowiedziono, iż długotrwałe przyjmowanie wyższych niż dzienne zapotrzebowanie dawek cynku może prowadzić do zaburzeń wchłaniania miedzi, które w konsekwencji prowadzą do upośledzenia utylizacji żelaza i syntezy hemu, a co za tym idzie – do anemii. W przypadku żelaza, nadmierna podaż i związany z nią podwyższony poziom w organizmie może nasilić produkcję wolnych rodników i zwiększać ryzyko wystąpienia choroby wieńcowej oraz schorzeń narządów magazynujących ten pierwiastek, czyli wątroby, śledziony i trzustki.
dr n farm. Marzena Kuras, dr n farm. Monika Zielińska-Pisklak, Karolina Perz, mgr farm. Łukasz Szeleszczuk, Żelazo i cynk – główne mikroelementy niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu, Farmakoterapia, Vol. 25, nr 05’ 15 (288), s. 6-13.
