動(dòng)物體的鋅（綜述）

摘 要：鋅是動(dòng)物的一種必需金屬元素，是它們發(fā)揮正常生理功能所必需的。鋅參與了能夠影響機(jī)體免疫應(yīng)答的生物化學(xué)過程，它在大腦的興奮性突觸（excitatory synpses）中起著神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的功能。鋅參與對(duì)應(yīng)激性刺激的應(yīng)答反應(yīng)。鋅是基因表達(dá)的一種重要調(diào)控因子；在細(xì)胞水平上，鋅在維持細(xì)胞壁的完整性上起著重要的作用，它會(huì)影響動(dòng)物的衰老。鋅在自然界相對(duì)豐富，以礦物質(zhì)的形式存在，且很少以純鋅元素的方式出現(xiàn)。鋅被廣泛用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)：在工業(yè)上，鋅主要以其抗腐蝕作用被用于其他金屬元素的加工工藝中；在農(nóng)業(yè)上，鋅被用作肥料和化學(xué)劑，以生產(chǎn)殺蟲劑。在某些受到人類活動(dòng)影響的地方，鋅在自然界的含量提高，并且大量的鋅進(jìn)入人類的食品供應(yīng)鏈中。本文我們主要介紹鋅在動(dòng)物體內(nèi)的代謝和體內(nèi)平衡，同時(shí)還詳細(xì)介紹鋅的生物學(xué)功能。本文也將介紹鋅的不足和其對(duì)動(dòng)物健康的影響。我們還將簡要介紹鋅的過量攝入及由此引發(fā)的毒性。

關(guān)鍵詞：鋅；金屬元素；酶；蛋白質(zhì)；金屬硫蛋白

中圖分類號(hào)：S816.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-0769（2017）09-0106-03

鋅（Zn）是對(duì)動(dòng)物健康非常重要的營養(yǎng)成分之一。許多蛋白質(zhì)、重要的酶和轉(zhuǎn)錄因子均與鋅結(jié)合，其功能的發(fā)揮也依賴于鋅。鋅參與支持生命的多種生化過程，包括細(xì)胞呼吸、氧的細(xì)胞利用、DNA和RNA的表達(dá)、維持細(xì)胞膜的完整性、自由基螯合以及防止脂質(zhì)過氧化。鋅是一種微量元素，是金屬酶、乳酸脫氫酶、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶的核心成分。人體含有 1.5 g～2.5 g的鋅，其中60%貯存于肌肉，30%存在于骨骼（圖1）。

鋅是一種必需的金屬元素，參與多種生化過程，并與多種生理缺陷有關(guān)，包括皮膚病、厭食、體重減輕、生長遲緩以及神經(jīng)和免疫系統(tǒng)受損。鋅缺乏會(huì)導(dǎo)致堿性磷酸酶（Alkaline Phosphatase，ALP）、銅/鋅超氧化物歧化酶（Cu-Zn SOD）、羧肽酶、DNA和RNA聚合酶及乳酸脫氫酶等酶活性發(fā)生變化。

鋅參與維持動(dòng)物腸道的結(jié)構(gòu)和功能，在腸道免疫功能中起著至關(guān)重要的作用。缺乏鋅會(huì)導(dǎo)致空腸絨毛變得松軟扁平。這種形態(tài)變化會(huì)降低腸道表面的吸收能力，導(dǎo)致單位面積絨毛數(shù)量大幅減少。補(bǔ)充鋅可加速腸道黏膜的再生，提高刷狀邊緣酶的水平。

營養(yǎng)性鋅缺乏癥是一個(gè)世界性的問題（圖2）。鋅攝入量不足與蛋白-能量營養(yǎng)不良有關(guān)。鋅缺乏會(huì)導(dǎo)致多種參與生長和骨骼發(fā)育的激素、細(xì)胞因子和酶[如胰島素樣生長因子-I（Insulin-Like Growing Factor-I，IGF-1）、生長激素、甲狀腺激素、胰島素、催乳素、堿性磷酸酶（ALP）和前列腺素]的代謝紊亂。人類和動(dòng)物攝入的鋅不足，會(huì)導(dǎo)致生長遲緩和骨骼成熟延遲。ALP是一種存在于成骨細(xì)胞表面的含鋅金屬酶，為骨骼正常形成和/或礦化所必需。骨特異性堿性磷酸酶（ALP）的單體帶有兩個(gè)鋅分子，因此鋅是ALP發(fā)揮活性所必需的。此前的動(dòng)物研究表明，患有鋅缺乏癥的大鼠骨特異性ALP活性降低。在成年雌性小鼠脛骨中，日糧鋅與骨ALP存在劑量依賴性關(guān)系。碳酸酐酶II（Carbonic Anhydrase II，CAII）是一種催化二氧化碳可逆性水合的含鋅酶，是成骨細(xì)胞分化的初始調(diào)節(jié)劑，對(duì)最佳的骨吸收至關(guān)重要。

運(yùn)輸鋅的“鋅指”蛋白和金屬硫蛋白（Metallothioneins，MT）都是非酶鋅蛋白。因特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白所致的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)失調(diào)與特定疾病有關(guān)。金屬硫蛋白是一類具有低分子量和獨(dú)特氨基酸序列的非酶肽，在免疫調(diào)節(jié)、神經(jīng)保護(hù)、金屬調(diào)節(jié)和解毒中起著重要的生物學(xué)作用。

正常日糧不會(huì)導(dǎo)致鋅過量攝入。高劑量服用富含鋅的營養(yǎng)添加劑時(shí)，其他金屬代謝可能會(huì)受到干擾，因?yàn)槿占Z鋅對(duì)銅的吸收具有拮抗作用。動(dòng)物攝入極高劑量的鋅會(huì)導(dǎo)致其他金屬離子如銅、鐵、鈷和鉻的吸收下降。如果持續(xù)高劑量攝入，可能會(huì)出現(xiàn)貧血癥狀。因此須確保金屬的平衡攝取，以防止失衡。

1 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的鋅污染

與其他微量元素（Cu、Mn、Co、Ni）一樣，鋅以兩種方式進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。第一種方式是高濃度鋅礦物材料風(fēng)化。三種含鋅的主要礦物為菱鋅礦（ZnCO3）、閃鋅礦（ZnS）和半閃鋅礦[Zn4Si2O7（OH）2·H2O]。例如，玄武巖是含有高水平鋅的火成巖，葉巖是具有高水平Zn的沉積巖。這些礦物質(zhì)可能會(huì)在特定環(huán)境條件下迅速風(fēng)化，其中的微量元素被氧化并可流動(dòng)。

第二種方式是人為活動(dòng)，包括在農(nóng)地上施用含有鋅等多種微量元素的肥料、殺真菌劑、除草劑、農(nóng)藥和池塘沉積物。例如，在果園施用農(nóng)藥可能使Zn含量每年增加0.05 kg/km2～ 0.09 kg/km2。鋅還通過動(dòng)物排泄物進(jìn)入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。鋅是一種無機(jī)抗菌化合物，歐盟規(guī)定全價(jià)料中鋅的含量限制在250 mg/kg內(nèi)，或80 mg螯合鋅/kg。土壤中只有一小部分微量元素可生物利用。鋅的遷移率受土壤pH以及各種生物過程的影響。

2 鋅的代謝

食物是鋅的主要來源。肉類（特別是牛肉和豬肉、火雞和雞肉）、海鮮（如牡蠣）、谷物和豆類中鋅的含量相對(duì)較高。通常動(dòng)物性食品是更為優(yōu)良的鋅源，幾乎不含抑制鋅吸收的成分，特別是不含可與鋅形成不溶性復(fù)合物而降低鋅生物利用率的植酸。某些氨基酸可改善Zn、半胱氨酸和組氨酸的吸收。

3 鋅的吸收

動(dòng)物吸收鋅的主要部位是小腸，其中十二指腸遠(yuǎn)端和近端空腸發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。鋅的吸收主要依靠主動(dòng)和被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)這兩種形式進(jìn)行。主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)由特定的轉(zhuǎn)運(yùn)載體運(yùn)輸，其有效性隨著日糧鋅攝入量的增加而增加。被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)通過擴(kuò)散機(jī)制進(jìn)行，其有效性與腸腔內(nèi)鋅的濃度成比例。

在細(xì)胞水平上，鋅的吸收是一個(gè)進(jìn)入腸細(xì)胞的過程，鋅通過基底外側(cè)膜進(jìn)入門靜脈循環(huán)，該過程通過幾種鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體完成。

4 鋅的分布

吸收入體內(nèi)的鋅主要與白蛋白（60%～80%）集合，少量與α-2-巨球蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白及游離氨基酸特別是組氨酸和半胱氨酸結(jié)合，并通過血液運(yùn)輸。與血漿蛋白結(jié)合的鋅是身體中最容易獲取的鋅源，盡管它僅占體內(nèi)Zn總量的約0.1%。血液中的鋅含量比血漿高五倍以上。在紅細(xì)胞中，80%的鋅存在于碳酸酐酶和Zn超氧化物歧化酶。

運(yùn)送到肝臟的鋅稍后運(yùn)輸?shù)缴眢w各處。在肝細(xì)胞、腸細(xì)胞和其他細(xì)胞中，鋅貯存于金屬蛋白，包括金屬酶、基因調(diào)節(jié)分子、儲(chǔ)存蛋白和鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。肝細(xì)胞中的鋅主要與MT結(jié)合。

5 鋅的轉(zhuǎn)運(yùn)載體

鋅轉(zhuǎn)運(yùn)載體分為兩類：ZnT和ZIP。ZnT主要存在于細(xì)胞質(zhì)膜、高爾基體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞質(zhì)中的鋅。其中ZnT-1存在于質(zhì)膜，將Zn從細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到幾乎所有組織中的細(xì)胞外。ZnT-2存在于腸、腎和睪丸中，可將鋅從細(xì)胞中運(yùn)出，也可將Zn轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞中的儲(chǔ)存囊泡中。ZnT-3的活性與Zn向囊泡轉(zhuǎn)移有關(guān)，其表達(dá)僅限于腦部。這表明Zn在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有重要作用。ZnT-4位于哺乳動(dòng)物的腺體和腦部。ZnT-5位于胰腺的囊泡分泌細(xì)胞和腸細(xì)胞的頂端膜。ZnT-10位于胞質(zhì)膜上。

ZIP載體可以分為四個(gè)亞類：Zip I、Zip II、gufA和LZT。大多數(shù)ZIP類蛋白（Zip-4～Zip- 8、Zip-10和Zip-12～Zip-14）為LZT亞類。ZIP類載體將鋅從細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)囊泡轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)中。此類載體大多位于細(xì)胞質(zhì)膜上。在急性炎癥的情況下，ZIP-14移動(dòng)到肝細(xì)胞膜上，從而增加鋅的吸收。

6 金屬硫蛋白

金屬硫蛋白（Metallothioneins，MT）是一組低分子量的胞內(nèi)蛋白，可以與鋅等二價(jià)金屬陽離子結(jié)合。MT在體內(nèi)執(zhí)行許多功能，其中最重要的是轉(zhuǎn)運(yùn)必需的金屬離子及對(duì)金屬離子進(jìn)行解毒。大多數(shù)金屬硫蛋白與鋅結(jié)合，還可貯存過量的金屬離子，在金屬離子攝入不足的條件可以動(dòng)員這些金屬離子。

哺乳動(dòng)物的金屬硫蛋白含有61至68個(gè)氨基酸殘基，其中包括18至23個(gè)半胱氨酸殘基，但是不含芳香族氨基酸或組氨酸。其三級(jí)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成（α：包含C末端的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)域，β：包含N-末端的反應(yīng)性域）。它們可配合7個(gè)二價(jià)或12個(gè)一價(jià)金屬離子。金屬硫蛋白以MT-1、MT-2、MT-3和MT-4等多種異構(gòu)體存在。

金屬硫蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)與金屬離子有關(guān)。在金屬調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子-1（Metal-Regulatory Transcription Factor-1，MTF-1）與MT基因啟動(dòng)子上的金屬反應(yīng)元件（MRE）結(jié)合后啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。通常，MTF-1與抑制劑MTI結(jié)合。金屬離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)間隙后，細(xì)胞在金屬離子與MTI之間建立連接，并釋放MTF-1，誘導(dǎo)MT的表達(dá)。□□

未完，待續(xù)。

原題名：Zinc In The Animal Organism： A Review（英文）

原作者：V. Sloup和I. Jankovská等（捷克生命科學(xué)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物、食品與自然資源學(xué)院）