第五节 矿物元素

已发现的必需矿物元素有20多种，占机体总质量的4%～5%。其中含量较多（大于5g）的有钙、磷、镁、钾、钠、氯、硫七种，每日膳食需要量都在100mg以上，称为常量元素。

常量元素（Macro minerals），占人体总灰分的60%～80%。它们往往成对出现，对机体发挥着极为重要的生物功效：

①构成人体组织的重要成分，如骨骼和牙齿等硬组织，大部分由钙、磷和镁组成，而软组织含钾较多；

②在细胞内外液中与蛋白质一起调节细胞膜的通透性、控制水分、维持正常渗透压和酸碱平衡（磷、氯为酸性元素，钠、钾、镁为碱性元素），维持神经肌肉兴奋性；

③构成酶的成分或激活酶的活力，参加物质代谢。

由于各种常量元素在人体新陈代谢过程中，每日都有一定数量由各种途径排出体外，因此必须通过膳食补充。

还有一些矿物元素，在人体内的存在数量极少。但它们都具有重要的生物功效，且必须从食品中摄取，称为必需微量元素。目前：

①确认是必需的微量元素，包括碘、锌、铁、铜、硒、钴、铬、钼八种；

②可能是必需的微量元素，包括锰、硅、镍、矾、硼五种；

③具有毒性、但剂量低时可能是必需的微量元素，包括氟、锡、砷等。

微量元素（Trace elements）的生物功效，主要有以下几方面：

①酶和维生素必需的活性因子。许多金属酶都含有微量元素，如碳酸酐酶含有锌、呼吸酶含有铁和铜、精氨酸酶含有锰，谷胱甘肽过氧化酶含有硒等；

②构成某些激素或参与激素的作用，如甲状腺素含碘胰岛素含锌，铬是葡萄糖耐量因子的重要组成成分，铜参与肾上腺类固醇的生成等；

③参与核酸代谢，核酸是遗传信息的携带者，含有多种适量的微量元素，并需要铬、锰、钴、铜、锌等维持核酸的正常功效；

④协助常量元素和大宗营养素发挥作用，常量元素要借助微量元素起化学反应。如含铁血红蛋白可携带并输送氧到各种组织中，不同微量元素参与蛋白质、脂肪、碳水化合物的代谢。

我国居民矿物元素的参考摄入量，如表2-4所示。

一、常量元素

（一）钙（Calcium）

钙是常量元素中的重点，倍受关注。我国人民缺钙现象相当普遍，这导致佝偻病、骨软化、老年性骨质疏松等的发病率较高。调查表明，少年儿童中钙的实际摄入量，只有推荐量标准的40%～50%。

钙是最先被确认的人体必需元素之一，钙对所有生物体都是必需的。对人体而言，体内99%钙的作用是用来构成骨骼和牙齿以及维持它们的正常功能的，其余1%对体内一系列的生理生化反应起到重要的调节作用。

由钙参与的硬组织形成过程为生物钙化，关系到骨骼、牙齿等机体硬组织的形成。血液凝固是一个复杂的生理过程，一些酶原必须被激活成为有活性的酶后，才能起到凝血作用。而在凝血过程中，血浆中的Ca2+对酶的激活起到至关重要的作用。

钙参与了肌肉的收缩与舒张过程，对心脏的收缩与舒张过程具有重要意义。生物体内的钙，与环磷酸腺苷（cAMP）、环磷酸鸟苷（cGMP）一样，在信息传递上起偶联作用，影响着神经与肌肉组织之间的相互作用。

（二）磷（Phosphorus）

磷普遍地存在于各种食品中，易于被肌体吸收，因此磷缺乏症极为罕见。但是，人体中的磷和钙紧密相连，任何一种元素的缺乏或过多，都会干扰另一个元素被正常利用。

磷是构成细胞膜和遗传物质RNA、DNA的必要成分，存在于全身的每个细胞中。凡涉及能量代谢的生化反应，都离不开磷的参与。另外，能量的调节、骨骼的钙化、体液酸碱平衡的调节、遗传信息的传递等，都离不开磷。

（三）镁（Magnesium）

镁的生物功效，主要包括以下几点：

①镁和钙、磷共同构成骨骼和牙齿的主要成分；

②镁是体内许多酶系统的激活剂，是高能磷酸键转移酶的重要激活剂；

③镁是糖、蛋白质等物质代谢的必需元素；

④镁是钙离子兴奋作用的拮抗剂。

由于镁的重要生物功效，因此尽管不易造成缺乏，我国仍将它列为需要补充的矿物元素。镁元素是肌体所需的重要元素，尤其是对酒精中毒患者、恶性营养不良患者，以及镁吸收障碍者。

（四）钾（Potassium）

机体中大量的生物学过程，都不同程度地受到血浆钾浓度的影响。钾元素的作用在于：

①调节细胞的渗透压；

②维持正常的神经兴奋性和心肌运动；

③参与细胞内糖和蛋白质的代谢；

④调节体液的酸碱平衡。

值得注意的是，钾的大部分生物功效，都是在与钠离子的协同作用中表现出来的。因此，维持体内钾、钠离子浓度的平衡，对生命活动具有重要意义。

过量的食盐摄入，是发生高血压症的重要原因之一。给高血压患者使用钠盐，会使患者的血压进一步升高，使用钾盐则可降低血压。据此推测，从膳食中摄取充足的钾，有助于预防高血压。事实也是如此。

尽管钾有预防高血压的作用，但它的降压作用仅在肌体处于高钠状态时才表现出来。有时，高血压患者为了减少体内水量，而服用利尿剂（尤其是氯噻嗪类），会导致尿钾的大量丢失，此时需要同时口服钾片。但对任何非自然膳食方式的补钾，都必须慎重，因为高血钾会造成心力衰竭，甚至死亡。摄入量高于8g/d，将发生高血钾症。

（五）钠（Sodium）

钠是细胞外液中带正电的主要离子，有助于维持水、酸与碱的平衡，可调节细胞的渗透压平衡。在人体内，钠在水分代谢方面起重要作用，对碳水化合物的吸收代谢有特殊作用，与肌肉收缩及神经功能也有相互联系。

但是，钠的真正生物学意义，通常1g/d即已足够。钠摄入量过多，是高血压的主要起因。过量的钠还会造成浮肿，表现在腿肿和脸肿上。钠摄入量过多，会引起血小板功能亢进，产生凝聚现象，进而出现血栓堵塞血管。还会因血压升高，血管承受不了血液的冲击，脑部出现血管破裂的情况，形成脑内血肿。

钠与胃癌的发病率，有密切的关系。食盐具有腐蚀性，会对胃黏膜产生严重的腐蚀，易发生萎缩性胃炎。萎缩性胃炎是胃癌的前期病变，食盐的摄取量与胃癌的死亡率呈正相关。降低食盐摄取量，不但能预防高血压，减少因高血压所致中风的死亡率，而且能降低因钠盐所致的萎缩性胃炎，而导致胃癌的死亡率。

二、微量元素

在机体内，微量元素的含量甚微，但对生命过程中具有重要意义。它们参与了人体内50%～70%的酶成分，构成体内重要的载体和电子传递系统，参与某些激素和维生素的合成，与某些原因不明的疾病（如肿瘤和地方病）相关等。

（一）铁（Iron）

铁是构成血红蛋白、肌红蛋白的必要成分，作为O₂和CO₂的载体，也是很多酶的活性部分。铁与细胞的呼吸、氧化磷酸化，卟啉代谢，胶原的合成，淋巴细胞与粒细胞功能，神经介质的合成与分解，躯体与神经组织的发育等都有关系。

人体缺铁，会发生缺铁性贫血。孕妇和儿童的铁需要量大，最有可能出现缺铁性贫血。另外，还有一些贫血与铁有关。例如，溶血性贫血是由于红细胞破坏过多造成的，而红细胞的破坏可因铁催化产生自由基引起。由于铁供给不足可使红细胞增殖能力下降，也会引起贫血。

铁缺乏还影响其他组织，是一种全身性疾病。当铁缺乏时，会引起血红蛋白浓度降低，使体力明显下降，同时含铁酶的含量和功效也都会受到影响，从而影响机体的一些代谢功能。

铁摄入过多，会造成机体氧自由基代谢失常，导致基因突变和肿瘤。目前，对于铁与肿瘤发生的关系虽不肯定，但有不少研究表明了这种关系的存在。动物试验表明，铁化合物可能有致癌作用。虽然曾报告铁离子未能在实验动物上致癌，但其对原核和真核细胞都有致突变作用，也对染色体有影响。有一种情况是，如摄入铁过多并引起肝脏蓄积时，不经治疗的话有可能引发肝癌。

食品中铁的生物利用率较低，平均按8%计。孕妇在妊娠中期（4～7个月），铁的吸收率提高1倍，计为15%；妊娠后期（7～10个月）甚至提高4倍，计为20%。

（二）锌（Zinc）

在生物体内，锌既是许多酶的组成成分，又可以影响某些非酶的有机分子配位体的结构。锌至少以这两种方式，参与体内各种物质与能量的代谢，从而显示出它所具有的各种极其复杂的生物功效：

①与体内多种金属酶的组成；

②保护和稳定生物膜；

③促进机体的生长发育和组织再生；

④调节免疫功能；

⑤影响内分泌系统；

⑥改善味觉并促进食欲；

⑦促进维生素A的正常代谢和视觉功能；

⑧保护皮肤和骨骼的正常功能；

⑨促进智力发育。

在正常条件下，供应生长所必需、组织修复以及强制性排泄的补充等，成人锌的需要量每日约为2.2mg。平均吸收率按25%估计，则成人每日锌供给量为14mg。

（三）铜（Copper）

铜吸收后，经血液送至肝脏及全身，除一部分以铜蛋白形式储存于肝脏外，其余或在肝内合成血浆铜蓝蛋白，或在各组织内合成细胞色素氧化酶、过氧化物歧化酶、酪氨酸酶等。这些铜蛋白和铜酶，在人体内发挥重要的作用：

①维护正常造血机能和铁代谢；

②维护骨骼、血管、皮肤的正常；

③维护中枢神经系统的健康；

④保护毛发正常的色素和结构；

⑤保护机体细胞免受超氧离子的毒害。

铜缺乏症的特征是贫血、骨质疏松、皮肤和毛发脱色、肌张力减退及精神性运动障碍。铜缺乏导致与运铁蛋白结合的铁的缺乏，其症状和铁缺乏非常相似。缺铜贫血为低血色素小红细胞性贫血，补充铁不能改善症状。

在铜与疾病的关系方面，值得注意的是Cu/Zn比值。铜和锌有对抗作用，血清Cu/Zn比值需保持恒定，正常的为0.82或0.9～1.2。在很多病理情况下，血清Cu/Zn比会发生显著的变化。例如，在下列疾病中，血清Cu/Zn比值较高：支气管癌、白血病、肉瘤、弥漫性淋巴瘤、各型肝炎（除慢性活动性肝炎）、糖尿病、缺铁性贫血等。因此，Cu/Zn比值可作为衡量健康与否的参考指标。

（四）碘（Iodine）

碘对合成甲状腺激素是必不可少的，这是它最为重要的生物功效。尽管有人推测，碘本身也能影响中枢神经系统的发育，但尚缺乏有力的证据。

甲状腺激素对机体的作用，最主要的是对物质代谢的作用，以及对生长发育和组织系统发育的影响。它参与糖类、脂肪、维生素、水等营养物质的代谢，并刺激蛋白质、核糖核酸、脱氧核糖核酸等生命物质的合成。此外，对神经系统、骨骼系统、心血管系统、消化系统、生殖系统等也有显著影响，尤其在胚胎发育期表现得更为明显。

碘与甲状腺肿之间具有明显的双相性，存在着上、下限阈值。低于下限阈值容易引发低碘甲状腺肿，高于上限阈值易发高碘甲状腺肿。

低碘甲状腺肿，是世界上流行最广的地方性疾病，多见于缺碘的山区、丘陵和沙漠等地区。人体不仅表现为脖根粗大，更由于甲状腺肿大而压迫气管、影响呼吸以及增加心脏跳动频率，容易导致心脏病。高碘甲状腺肿，其病征在外观上与低碘甲状腺肿无异，只是尿碘高，甲状腺吸收率低。

地方性克汀病（Endemic Cretinism），是一种严重损害健康的先天性疾病，主要表现有智力低下、短小、聋哑瘫痪等。克汀病一旦形成，就会对人体造成严重的伤害，且很难治愈，故在实践中以防为主。根本方法就是给缺碘机体，特别是怀孕前的妇女，补充足量的碘，同时铲除近亲结婚的陋俗。

（五）硒（Selenium）

谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-P_x），是生命有机体内最重要的含硒酶。含硒酶和非酶硒化物，都具有很好的清除自由基功效。通过抑制细胞膜脂质的过氧化，激活机体免疫功能，从而延缓组织细胞衰老进程，有效控制肿瘤的诱发与发展。

硒有利于维持心血管系统的正常功能，预防动脉硬化和冠心病的出现；维持机体正常血压水平，对高血压有调节作用。此外，硒能刺激损伤血管的修复速度，破坏沉积在动脉管壁损伤处的胆固醇。硒化物能够拮抗重金属，如Hg、Cd、As等的毒性，消除机体内重金属的积累，对重金属中毒具有解毒作用。

缺硒是导致克山病和大骨节病的重要原因。

（六）铬（Chromium）

铬参与机体糖类代谢和脂肪代谢，缺铬会引起糖尿病和动脉硬化等疾，白内障、高血脂也可能与长期缺铬有关。

铬的生物功效，体现在以下几个方面：

①铬是葡萄糖耐量因子的组成成分，促进升高的血糖降回正常值；

②促进机体糖代谢的正常进行，加强胰岛素的作用；

③促进机体脂代谢的正常进行，维持正常血清胆固醇水平；

④铬是核酸类物质的稳定剂和某些酶的激活剂。

早期缺铬没有明显征兆，体内会分泌足够的额外胰岛素，以补偿因缺铬引起的胰岛素效能的降低。因此胰岛素分泌增加，是临界缺铬的主要标志。胰岛素增加，会使铬过多释放到血液中，经尿排出。若不及时补充铬，当胰腺分泌胰岛素的代偿能力枯竭时，肌体的胰岛素依赖功能将严重受损，从而引起糖尿病，也会出现低血糖、异常肥胖以及动脉粥样硬化等症状。

（七）钴（Cobalt）

钴主要是以维生素B₁₂和维生素B₁₂辅酶的形式，参与蛋白质生物合成、叶酸储存等一系列生命活动的。钴同时是许多酶的重要组成成分，对维持这些酶的活性是必需的。

维生素B₁₂中钴的生物活性，是无机钴活性的1000倍。从目前的情况看，许多归咎于缺钴的疾病，实际上是由于缺乏维生素B₁₂引起的。这些疾病，通常可以通过补充维生素B₁₂加以防治。

甲状腺肿与碘缺乏是紧密相关的，但地方性甲状腺肿与该地区钴含量偏低，也存在着对应关系。在不补充碘的情况下，用钴治疗甲状腺肿可取得较好的效果，与碘一样过量的钴摄取也会导致甲状腺肿。

有人认为，机体每天的钴摄入量达300μg，就能维持正常的代谢平衡。由于对人体中非维生素B₁₂形式钴的研究十分有限，因此未能对钴的摄入量做出规定。只是对维生素B₁₂做出明确的规定，参见本章第四节的讨论。

（八）锰（Manganese）

锰是体内某些酶的活性基团或辅助因子，又是多种酶的激活剂。人体内锰的含量虽然很少，但作用重要：

①促进骨骼的生长发育，参与软骨和骨骼形成所需的糖蛋白的合成；

②保护线粒体的完整；

③保持正常的脑功能；

④维持正常的糖代谢；

⑤维持正常的脂质代谢；

⑥对遗传的影响，可能与DNA、RNA和蛋白质的生物合成有关；

⑦在免疫功能上也发挥作用，与嗜中性白细胞和巨噬细胞之间存在一定的相互作用。

动脉硬化与缺锰有关。锰对加速细胞内脂肪的氧化具有促进作用，能改善动脉硬化患者脂质代谢，防止动脉粥样硬化的发生。调查发现，缺锰的地区肿癌的发生率高。在四川盐亭县、山西太行山地区、河南林州市、河北等食管癌高发区，饮水和食品中除含钼低以外，含锰量也低。

（九）氟（Fluorine）

氟最重要的生物功效，是预防龋齿的发生。缺氟时，牙釉质易受口腔细菌和酸性环境的破坏而导致龋齿，这在儿童时期尤为明显。氟的防龋功效与其浓度密切相关，当饮水中氟浓度为1mg/L时，其抗龋效果最好。

大量事实证明，成年人每天摄入4mg/kg的氟，可预防骨质疏松症。这是因为，氟可促进生物矿化并抑制脱矿。适量补充氟化物，已成为临床上防治骨质疏松的有效辅助手段。如果同时摄取氟化物、钙盐和维生素D，可使患者产生正常的骨组织。但氟的这方面作用，与其摄入量密切相关，浓度过高反而会加重骨质疏松的症状。

氟是中等毒性元素，口服的半数致死量（LD₅₀）为141mg/kg。氟过量对人体造成的危害，要比氟缺乏更为严重。世界上有50多个国家和地区，报道过地方性氟中毒事件。我国也是地方性氟中毒分布面积较广、危害较严重的国家之一。

由于氟的有益和有害作用都很明显。因此，各国对其安全摄取范围都持谨慎态度。