Mérgező sör, amely nélkül nem élhetünk. A mikroelemek betekintést engednek a geokémia és az evolúciós biológia kölcsönhatásába

Paracelsus (1493–1541) orvos, alkimista és asztrológus - akit széles körben a toxikológia atyjának tartanak - híresen ezt írta: „[Minden] dolog méreg, és semmi sem méreg nélküli, csak az adag lehetővé teszi, hogy valami ne legyen mérgező. ” Mégis, ha valaki elhiszi az egészségügyi szakirodalom, az étrendi tanácsok és az egyre növekvő étrend-kiegészítők iparának reklámjait, az embereknek több mikroelemet - például szelént, cinket vagy vasat - kell bevenniük, hogy segítsenek nekik a betegségek és a fogyatékosságok elhárításában. Számos fémion biológiai szerepének egyre növekvő kutatása azonban most azt bizonyítja, hogy Paracelsus belátása még mindig igaz: a látszólag „jó” fém túl sok mérgező. Még meglepőbb, hogy úgy tűnik, hogy az embereknek és más szervezeteknek még szükségük lehet néhány „rossz” fémre a megfelelő működéshez.

… Egyre több bizonyíték mutatja, hogy a mérgező fémek kis adagokban nélkülözhetetlen tápanyagok lehetnek

Bár egyes átmeneti fémek, mint például a réz és a cink, alapvető tápanyagok, mások, nevezetesen a higany, tisztán mérgezőek. De annak megkülönböztetése, hogy egy fém esszenciális vagy mérgező, bizonyos fokig csak egy fokú. Valójában egyre több bizonyíték mutatja, hogy a mérgező fémek kis adagokban nélkülözhetetlen tápanyagok lehetnek. Például: „kiderült, hogy a kadmium elengedhetetlen egy kova, a Thalassiosira weissflogii esetében” - jegyezte meg Ute Kraemer, a németországi Heidelbergi Egyetem növényi tápanyag-specialistája. Ennek az egysejtű algának különösen nagy szüksége van a cinkre, de mivel ennek a fémnek hiánya van a tengeri környezetben, a szervezet a kadmium mellett döntött, hogy katalizálja a CO2 hidrogén-karbonáttá történő átalakítását (Lane & Morel, 2000).

Hasonlóképpen, az ólom - amely történelmileg a levegő és az ivóvíz fő szennyezője, és amelyről kiderül, hogy akadályozza az idegsejtek fejlődését, különösen a csecsemőknél - elengedhetetlen lehet számos organizmus számára, még akkor is, ha biológiai szerepét még meg kell határozni. "Érdekes módon az ólomnak jótékony hatása van az állatokban" - mondta Sabeeha Merchant, aki a fémcsere biokémiáját és genetikáját vizsgálja az UCLA Molekuláris Biológiai Intézetében (Los Angeles, Kalifornia, USA). „Az ólom molekuláris célpontja nem ismert. De az ólomhiány vérszegénységet és növekedési hibákat okozott a második generációs patkányokban, egy 1981-es tanulmány szerint. "

Még az arzén is, amely sok kitalált gyilkos által választott méreg, ma már közel áll ahhoz, hogy az állatok mikroelemének minősüljön. Úgy tűnik, hogy az arzénnek szerepe van a metionin aminosav metabolizmusában és a géncsendesítésben (Uthus, 2003). Más munka azt sugallja, hogy pozitív kölcsönhatásba lép a fontosabb mikroelem-szelénnel (Zeng et al, 2005).

Valójában, ha az arzén elengedhetetlen az ember számára, akkor az ajánlott napi bevitele alig különbözne a szeléntől, ami annyira fontos, hogy az evolúció beépítette a ritka aminosav-szelenociszteinbe - az antioxidáns szelenoproteinek kulcsfontosságú összetevőjébe, amelyek segítenek más fehérjék kijavításában. oxidatív károsodás. Az ajánlott szelénadag 40 μg naponta, míg az emlősökből végzett vizsgálatok extrapolációi azt sugallják, hogy az embereknek 12,5 és 25 μg közötti arzénra lehet szükségük. Ez bizonyos mértékben akadémikus; egy normál étrend 12–50 μg arzént tartalmaz a világ legtöbb részén, de ez azt mutatja, hogy az arzén - a híres méreg - és a szelén - az étrend egyik legszélesebb körben vizsgált eleme - szinte azonos táplálkozási szükségesség és toxicitás.

Az élet nagyon korán éhezett e fémek iránt, talán amint az első életformák kialakultak. Egész egyszerűen a kényelem elrendezése volt; az enzimek a fémionokra támaszkodnak, mivel az evolúció korai anaerob szakaszában bőségesen rendelkezésre álltak. A fotoszintézis következtében a légkör későbbi oxigénellátása azonban csökkentette egyes átmeneti fémek biológiai felhasználhatóságát, és növelte mások számát; Egyszerűen fogalmazva: a bolygó rozsdásodott. A vas oldhatatlan oxidokká változott, és így az élet, amely már sokféle reakció társfaktoraként vált függővé az elemtől, komoly kihívást jelentett. Következésképpen a korai organizmusok kidolgozott eszközöket fejlesztettek ki a vasoxidok csökkentésére és azok felszívására. Ezzel szemben a réz könnyebben hozzáférhetővé vált, és a vas mellett sok redoxireakcióban használták a sejtanyagcsere részeként.

Még az arzén is, amely sok kitalált gyilkos által választott méreg, ma már közel áll ahhoz, hogy az állatok mikroelemének minősüljön

Ezenkívül az összes átmenetifém meglehetősen alacsony szinten mérgezővé vált, amint a növények és a cianobaktériumok elkezdtek oxigént engedni a légkörbe. Az összes organizmus, beleértve a növényeket és a baktériumokat is, kezdeti kihívása az volt, hogy megbirkózzon a fémionok új képességével az elektronok átadására a redoxi reakciókban, ami fenyegetést és lehetőséget jelentett. "Ezek a nélkülözhetetlen fémek, mint például a mangán, a vas, a kobalt, a nikkel, a réz, a cink és a molibdén oxigénnel halálossá váltak, ezért az organizmusoknak kelátképző mechanizmusokat kellett kifejleszteniük" - mondta Jonathan Gitlin, a Gyermekgyógyászati és Genetikai Professzor Washington Egyetem Orvostudományi Kar (St Louis, MO, USA) és a fémek anyagcseréjének szakembere. A szervezetek ezután ellenőrzött utakon szabadítják fel ezeket a kelátfémeket, hogy megakadályozzák a fehérjék útközbeni károsodását. "Ezek a kelátképző mechanizmusok annyira hatékonyak, hogy legalább a réz esetében, és minden más fém esetében valószínűleg chaperonokra van szükség, hogy megmentsék a fémeket a kelátoktól, és felhasználás céljából eloszlassák őket" - mondta Gitlin.

Ezeket a mechanizmusokat korán, az oxigén korában fejlesztették ki, és annyira elengedhetetlenné váltak a biokémiai reakciók szempontjából, hogy az egész biótában rendkívül konzerváltak maradtak. "Például a baktériumok réz transzporterei (ATPázai) az emberi sejtekben működnek, és az emberi transzporterek - amelyek mutáció esetén emberi betegséget okoznak - a növényekben működnek" - mondta Gitlin. Az átmenetifémek jelentőségét az is tükrözi, hogy az összes fehérje egyharmadában vannak jelen.

Az átmenetifémek még a sejtekben kontrolláló kelátképző mechanizmusok ellenére is meglehetősen alacsony dózisban veszélyesek. Ez a mikroelemek fontos jellemzőjéhez vezet: az ajánlott napi mennyiség (RDA) és a minimális toxikus szint közötti viszonylag alacsony tartományhoz - bár a tényleges mennyiségek elemenként jelentősen eltérnek. A haszon és a toxicitás tipikus aránya a kereskedő szerint 1:10 és 1:30 között mozog, de a legfontosabb két elem: a szelén és a vas esetében akár 1: 5 is lehet. A szelén esetében a felnőttek RDA-értéke 40 μg, a minimális toxikus szint pedig 200 μg, míg a vas esetében ennek mennyisége 10 mg, illetve 50 mg. A vas esetében egyes csoportoknál még magasabb az RDA, ami még tovább csökkenti az arányt - a terhes nők RDA 18 mg.

Ezek a szűk margók azonban nincsenek olyan vészesen közel, mint amilyennek tűnhet; táplálkozási szempontból a gazdagabb nemzetek legtöbb emberének az RDA egybeesik a kiegyensúlyozott étrend által elért szinttel. De a helyzet arra késztette a kutatókat, hogy megkérdőjelezzék nemcsak az étrend-kiegészítők hatékonyságát, hanem a biztonságát is, amelyeket sokan szinte biztosítási kötvényként fogtak fel a rossz egészségi állapot ellen.

Történelmileg széles körben elterjedt feltételezés volt - kezdetben sok táplálkozási szakember osztotta -, hogy mivel a mikroelemek elengedhetetlenek, meglehetősen nagy adagokban kell biztonságosnak lenniük, és emellett előnyöket jelenthet, ha ezeket lényegesen magasabb szinten veszik be, mint a RDA. Linus Pauling, a Nobel-díjas vegyész - aki híresen a későbbi éveiben az ajánlott C-vitamin körülbelül 50-szeresét vette fel, és azt állította, hogy soha nem volt ennyire megfázva - eredetileg ilyen ötleteket indított el, de ez a megállapítás mára nagyrészt hiteltelen. Saverio Stranges, az Egyesült Királyság Warwick Orvosi Iskolájának kardiovaszkuláris epidemiológiai docense szerint az emberek többségének legjobb lenne elkerülni az étrend-kiegészítőket, ha kiegyensúlyozott étrendet fogyasztanak. "Nincsenek erős bizonyítékok az antioxidánsok, köztük a multivitaminok és a nyomelemek széles körű használatának alátámasztására" - mondta.

A táplálkozás azonban soha nem fekete-fehér. Például sok kutató úgy vélte, hogy a kiegészítő szelén - ha azt biztonságos szinten tartják - növelheti az ellenállást egy sor rák, szívbetegség és II. Típusú cukorbetegség ellen, amelyek mindegyikét kiválthatja az oxidatív stressz, vagy amelyek társulnak vele. Az ilyen meggyőződések összeegyeztethetőnek tűntek a szelén immunrendszerben játszott ismert szerepével, de nehéznek bizonyult egy olyan szint meghatározása, amelynél a megnövekedett szelén előnyös. Ahogy Peter Hoffmann, a Hawaii Egyetem Sejt- és Molekuláris Biológiai Tanszékéről megjegyezte, „az egyén szelénállapotának alacsony szintről megfelelőre való növelése minden bizonnyal növeli az immunitás legtöbb típusát [. ] Azonban a megfelelő szelén státusra való emelés a kiegészítőkkel növelheti az immunitás bizonyos típusait, másokét azonban nem. "

… Kényelmi megállapodás volt; az enzimek a fémionokra támaszkodnak, mivel az evolúció korai anaerob szakaszában bőségesen rendelkezésre álltak

Stranges szerint bizonyíték van arra, hogy a kiegészítő szelén védelmet nyújt egyes rákok, különösen a prosztatarák ellen, bár az érintett mechanizmusok még nem ismertek (Duffield-Lillico és mtsai, 2002). Egy nemrégiben készült tanulmány azonban azt találta, hogy a kiegészítő szelén nem adott extra védelmet a szívbetegségekkel szemben, és nem volt jelentős hatása a kapcsolódó kiváltó tényezőkre, például a vérlemezkék képződésére. Ez sok elvárással ellentétes volt, és mégis egy szelénről és a II. Típusú cukorbetegségről szóló másik tanulmány eredményei még zavaróbbnak tűntek. A vizsgálat során, amely több mint 1300 embert vett részt randomizált kettős-vak tesztekben, kiderült, hogy azoknak, akik kiegészítő szelént kaptak napi 200 μg sebességgel - közel a maximális biztonságos szinthez, valamivel magasabb volt a II. Típusú cukorbetegség előfordulása, mint azoknál, akik a placebo. "Ez rávilágít a szelén lehetséges káros hatására a glükóz metabolizmusára és az inzulinrezisztenciára" - mondta Stranges. Állatmodellekből is kiderül, hogy az ajánlott szint feletti szelénbevitel káros hatással van a glükóz metabolizmusára (Satyanarayana et al, 2006).

a legtöbb embernek a legjobb lenne elkerülni az extra étrend-kiegészítőket, ha kiegyensúlyozott étrendet fogyaszt

Mint Stranges megjegyezte, ezek a megállapítások azért jelentősek, mert sok étrend-kiegészítő szelénszintet biztosít, hasonlóan a vizsgálatokhoz, és ezért egyes embereket fokozottan veszélyeztethet a glükóz-anyagcsere-szövődmények kialakulása. Mégis, ha a szelén egyes rákos megbetegedésekkel szembeni védőhatása megerősítést nyer, előfordulhat, hogy kiegészítéseket adnak olyan embereknek, akikről ismert, hogy nagy a kockázataik, például a prosztatarák erős családi kórtörténetében szenvedő férfiaknak.

Nem minden mikroelem nagy adagokban azonban halálos. Az átmeneti fémek némelyikének strukturálisabb szerepe van a fehérjék stabilizálásában, a reakciók katalizálása helyett. A legszembetűnőbb példa a sok kisebb fehérjében található cinkujj, beleértve a DNS-transzkripciós faktorokat is. Normális esetben a fehérjék tercier formájukban elégséges erőt és stabilitást érnek el viszonylag gyenge hidrogénkötések és az aminosavak közötti hidrofób erők révén. Az ilyen kötések kumulatív hatásuk miatt megfelelőek a nagyobb fehérjékhez, de a körülbelül 20 aminosavat tartalmazó kisméretű fehérjékhez nem elegendőek. Az evolúciós megoldás egy fémion toborzása volt. Merchant szerint a cink a választott fémként jelent meg aminosav oldalláncok iránti affinitás és a reakcióképesség hiánya miatt, amely immunitást biztosít a fehérje oxidatív károsodása ellen. "Azt hiszem, azt mondanám, hogy nem akarja, hogy a fém redoxireakciókban" reaktív "legyen, mint például a réz és a vas, ezért valami jobb, mint a cink." - mondta Kereskedő.

A legújabb munkák rávilágítottak a korábban titokzatos folyamatokra is, amelyek során a mikroelemeket biztonságosan szállítják célpontjaikhoz. A rézt a legszélesebb körben tanulmányozták a redoxreakciókban betöltött egyedülálló szerepe, rugalmassága és sok biokémiai reakció katalizálására való képessége miatt. „A réz a Ctr1 [réztranszporter 1] típusú transzportereken lép be a sejtekbe (valószínűleg ezek a transzporterek a megfelelő szubsztrátumon kívül ezüst ionokat is felvesznek, vagyis rézionok), majd ha bent van, akkor egy„ réz chaperone ”veszi fel - magyarázta Merchant. "Ez a fehérje szállítja a rézet egy transzporterhez, amely a szekréciós út lumenjébe (csatornájába) pumpálja, ahol a réz betölthető a rézfehérjékbe, amelyek kiválasztódnak vagy a plazmamembránhoz kötődnek."

Ezeknek az utaknak a tanulmányozása szintén felderítette egyes fémek cseréjét a hiány esetén. Valójában léteznek alternatívák a különféle mikroelemeknek, amelyek szükség esetén helyettesíthetik őket: rézhiányos algák például vasat tartalmazó fehérjét helyettesítenek az egyiket tartalmazó réz helyett (Merchant & Bogorad, 1987). "Azt is tudjuk, hogy vashiány esetén a mangánt tartalmazó szuperoxid-diszmutáz, amely segít az oxidatív stressz kezelésében, helyettesítheti a vas-tartalmat" - mondta Merchant. - Számos példa van az ilyen típusú dolgokra. Ez azt jelenti, hogy előnyben részesítik az egyik fémet a másikkal szemben, ha a szervezet számára az összes fém közül választhatnak, de hiányos környezetben vannak biztonsági mentések. "

Más esetekben az egyik fém csak melegen tartja az ülést egy másiknál, és megvédi az aktív kötőhelyet, amíg a megfelelő elem meg nem jelenik. A réz például ezt a szerepet tölti be a molibdén nevében, amely különféle enzimeken belül működik. "A molibdén-kofaktor biogenezis során azt tapasztaltuk, hogy a réz egy helyőrző, amely megvédi a nagyon reaktív molibdopterin ditioléncsoportot, mindaddig, amíg a molibdén meg nem érkezik és rézre cserélődik" - mondta Ralf Mendel a németországi Braunschweig Műszaki Egyetem Növénybiológiai Tanszékén. (Mendel, 2007).

Sok organizmus kidolgozta a döntő elemek adagolásának sémáit is, ha az esszenciális mikrotápanyagok kevések. A növények és a cianobaktériumok például először a rendelkezésre álló mangánt osztják el a II. Fotorendszerben, mivel a fotoszintézis szempontjából fontos szerepet játszik a víz felosztásában. Az elem másik fő fogyasztója, a mangán-szuperoxid-diszmutáz antioxidáns enzim, amely minden organizmusban megtalálható, a második helyet foglalja el, mert a növények hosszabb ideig képesek túlélni mangán-szuperoxid-diszmutáz aktivitás nélkül, mint fotoszintézis nélkül (Allen és mtsai, 2007).

Az elmúlt években egyre nagyobb hangsúlyt fektetnek a növények és állatok mikrotápanyagok tekintetében mutatkozó szükségletei közötti különbségekre. Az állatokkal ellentétben a növények nem használnak arzént, és egyesek nem igényelnek szelént. Még ennél is szembetűnőbb, hogy egyes növények az átmenetifémeket és a szelént hiperhalmozhatják fel olyan koncentrációkra, amelyek meghaladják az állatokat megölő koncentrációkat. Az Arabidopsis mintanövény például hatalmas mennyiségű cinket képes tárolni: száraz testtömegének több mint 1% -a. "Az egyes növényi taxonok a nikkel, a cink, a réz, a mangán, a szelén, a kadmium és az arzén hiper felhalmozódását eredményezték" - mondta Kraemer. A szelektív erőket, amelyek lehetővé tették számukra ezen mechanizmusok kifejlesztését, nem teljesen értik, de az uralkodó bölcsesség Kraemer szerint úgy véli, hogy a képesség védekezésként fejlődött ki a ragadozók és a betolakodó kórokozók ellen.

A növények hiperakkumulációs képessége egyre inkább felkelti a tudományos érdeklődést, mivel nagy lehetőségei vannak a mérgező fémek felpörgetésére a szennyezett talajokban

A szelén hiperakkumulációja a Prince Plume (Stanleya pinnata) növényben például megvédi a hernyókat a táplálék közvetlen visszatartó erejeként és a szelén hernyókra gyakorolt mérgező hatásaival (Freeman et al, 2006). A legérdekesebb módon azonban ugyanaz a kutatás azt mutatta, hogy a gyémántlepke (Plutella xylostella) sokféle lefegyverezte ezt a védelmet, és büntetlenül meg tudja enni a növényt. Ennél is szembetűnőbb, hogy a darázs Diadegma szigetcsoportja a moly táplálékaként fejlődött ki. Mindkét rovarban nyilvánvalóan tolerancia alakult ki a rendkívül magas szelénszinttel szemben, ami azt mutatja, hogy ez a képesség nem korlátozódik a növényekre.

A növények hiperakkumulációs képessége egyre inkább felkelti a tudományos érdeklődést, mivel nagy lehetőségei vannak a mérgező fémek felpörgetésére a szennyezett talajokban. A fitoremediáció lehetséges stratégiái magukban foglalhatják a növények termesztését a növények mellett a mérgező fémek talajból történő leválasztása érdekében - például olyan rizstermelő területeken, ahol a talajban magas az arzénkoncentráció. Kifinomultabb és hatékonyabb megközelítés célja olyan transzgenikus növények kifejlesztése, amelyek még jobban tolerálják a fémionokat, és amelyeket erősen szennyezett ipari területeken termesztenek (Peuke & Rennenberg, 2005). Az emberek tehát profitálhatnak a növények és a ragadozók közötti evolúciós fegyverkezési versenyből, amelynek során a mikroelemeket fegyverként alkalmazták. A Paracelsus átfogalmazásával nemcsak a dózis, hanem a felhasználás is meghatározza, hogy valami jó vagy rossz.