生物学における亜鉛

亜鉛は、ヒト^{[1] [2] [3]}や他の動物^[4] 、植物^[5]、微生物^[6]にとって必須の微量元素です。亜鉛は300種類以上の酵素と1000種類以上の転写因子^[3]の機能に必要であり、メタロチオネイン^[7 ]に蓄積され、輸送されます。^[8]亜鉛は鉄に次いでヒトの体内で2番目に豊富な微量金属であり、すべての酵素クラスに存在する唯一の金属です。^{[5] [3]}

タンパク質では、亜鉛イオンはアスパラギン酸、グルタミン酸、システイン、ヒスチジンなどのアミノ酸側鎖に配位していることが多い。タンパク質（および他の遷移金属）におけるこの亜鉛結合の理論的かつ計算的記述は困難である。^[9]

人体にはおよそ2～4 グラムの亜鉛^{[10]が分布しています。亜鉛のほとんどは脳、筋肉、骨、腎臓、肝臓に存在し、最も高濃度なのは前立腺と眼の一部です。 [11]} 精液には特に亜鉛が豊富に含まれており、前立腺の機能と生殖器官の成長に重要な因子です。^[12]

体内の亜鉛の恒常性は主に腸によって制御されています。ここでは、ZIP4、特にTRPM7が、出生後の生存に不可欠な腸の亜鉛の取り込みに関連していました。^{[13] [14]}

ヒトにおいて、亜鉛の生物学的役割は遍在している。^{[15] [2]}亜鉛は「広範囲の有機リガンド」と相互作用し、^{[15] RNAとDNAの代謝、}シグナル伝達、遺伝子発現に役割を果たしている。また、アポトーシスも制御している。2015年のレビューによると、ヒトタンパク質の約10％（約3000）が亜鉛に結合し、^[16]亜鉛を輸送するタンパク質は数百種類あることが示された。シロイヌナズナの同様のコンピューターによる研究では、2367個の亜鉛関連タンパク質が見つかった。^[5]

脳では、亜鉛はグルタミン酸作動性ニューロンによって特定のシナプス小胞に蓄えられ、ニューロンの興奮性を調節することができる。^{[2] [3] [17]亜鉛は}シナプス可塑性、ひいては学習において重要な役割を果たしている。 ^{[2] [18]}亜鉛の恒常性は中枢神経系の機能調節においても重要な役割を果たしている。^{[2] [17] [3]}中枢神経系における亜鉛恒常性の調節不全によってシナプス亜鉛濃度が過剰になると、ミトコンドリアの酸化ストレス（例えば、複合体 I、複合体 III、α-ケトグルタル酸脱水素酵素などの電子伝達系に関与する特定の酵素を破壊することによる）、カルシウム恒常性の調節不全、グルタミン酸作動性ニューロンの興奮毒性、およびニューロン内シグナル伝達の妨害を介して神経毒性を誘発すると考えられている。^{[2] [19]} L-ヒスチジンとD-ヒスチジンは脳の亜鉛の取り込みを促進する。^[20] SLC30A3は脳の亜鉛恒常性に関与する主要な亜鉛トランスポーターである。 ^[2]

亜鉛は効率的なルイス酸であり、水酸化反応やその他の酵素反応において有用な触媒となる。 ^[21]この金属はまた、柔軟な配位構造を有しており、これを利用するタンパク質は、生物学的反応を行うために急速に構造を変化させることができる。^[22]亜鉛含有酵素の2つの例は、炭酸脱水酵素とカルボキシペプチダーゼであり、これらは二酸化炭素（CO
₂）の調節とタンパク質の消化に関与している。^[23]

脊椎動物の血液では、炭酸脱水酵素がCO
₂重炭酸塩に変換され、同じ酵素が重炭酸塩を再びCOに変換する
₂肺から呼気するために必要である。^[24]この酵素がなければ、この変換は正常な血液pH 7で約100万倍遅くなるか^[25]、pH 10以上が必要になる。^[26]関連のないβ-炭酸脱水酵素は、植物の葉の形成、インドール酢酸（オーキシン）の合成、アルコール発酵に必要である。^[27]

カルボキシペプチダーゼはタンパク質の消化中にペプチド結合を切断します。末端ペプチドと亜鉛に結合したC=O基との間に配位共有結合が形成され、炭素に正電荷が与えられます。これにより、亜鉛の近くに酵素上に疎水性ポケットが形成され、消化されるタンパク質の非極性部分が引き寄せられます。^[23]

亜鉛はシグナル伝達経路を活性化するメッセンジャーとして認識されています。これらの経路の多くは異常な癌の成長の原動力となります。これらはZIPトランスポーターを介して標的とすることができます。^[28]

亜鉛は、亜鉛フィンガー、ツイスト、クラスターにおいて純粋に構造的な役割を果たしている。 ^{[29]亜鉛フィンガーは、} DNAの複製と転写中にDNA塩基配列を認識するタンパク質である転写因子の一部を形成している。9つまたは10個のZn^2歳以上
亜鉛フィンガー内のイオンは転写因子内の4つのアミノ酸と協調的に結合することでフィンガーの構造を維持するのに役立ちます。 ^[25]

血漿中では、亜鉛はアルブミン（60%、低親和性）とトランスフェリン（10%）に結合し、輸送されます。 ^[10]トランスフェリンは鉄も輸送するため、鉄が多すぎると亜鉛の吸収が低下し、逆もまた同様です。銅にも同様の拮抗作用があります。^[30]血漿中の亜鉛濃度は、亜鉛の摂取量に関係なく、比較的一定に保たれます。^[21 ]唾液腺、前立腺、免疫系、腸の細胞は、亜鉛シグナル伝達を利用して他の細胞と通信します。^[31]

亜鉛は微生物内のメタロチオネイン貯蔵庫や動物の腸や肝臓に蓄えられている。 ^[32]腸細胞内のメタロチオネインは亜鉛の吸収を15～40%調節することができる。^[33]しかし、亜鉛の摂取量が不十分または過剰になると有害となる可能性があり、メタロチオネインは銅と銅の両方を吸収するため、亜鉛の過剰摂取は特に銅の吸収を阻害する。^[34]

ヒトドーパミントランスポーターは、亜鉛と結合するとドーパミンの再取り込みを阻害し、体外でのアンフェタミン誘発性ドーパミン流出を増幅する高親和性細胞外亜鉛結合部位を含む。^{[35] [36] [37]}ヒトセロトニントランスポーターとノルエピネフリントランスポーターには亜鉛結合部位が含まれない。^[37] S100やNCS-1などの一部のEFハンドカルシウム結合タンパク質も亜鉛イオンと結合することができる。^[38]

米国医学研究所(IOM) は、2001 年に亜鉛の推定平均必要量 (EAR) と推奨食事摂取量 (RDA) を更新しました。14 歳以上の女性と男性の亜鉛の現在の EAR は、それぞれ 6.8 mg/日と 9.4 mg/日です。RDA は 8 mg/日と 11 mg/日です。RDA は EAR よりも高く設定されているため、平均よりも高い必要量を持つ人にも対応できる量となっています。妊娠中の RDA は 11 mg/日です。授乳中の RDA は 12 mg/日です。生後 12 か月までの乳児の RDA は 3 mg/日です。1～13 歳の小児の RDA は、年齢とともに 3 mg/日から 8 mg/日まで増加します。安全性に関しては、IOM は十分な証拠がある場合に、ビタミンとミネラルの許容上限摂取量(UL) を設定しています。亜鉛の場合、成人の UL は 40 mg/日 (小児の場合はそれより低くなります) です。 EAR、RDA、AI、ULは総称して食事摂取基準（DRI）と呼ばれます。^[21]

欧州食品安全機関（ EFSA ）は、これらの情報を食事摂取基準値と呼び、RDAの代わりに人口摂取基準（PRI）、EARの代わりに平均必要量と呼んでいる。AIとULは米国と同じ定義である。18歳以上の人の場合、EFSAは食事中のフィチン酸含有量が増えるにつれてより高い値を設定しているため、PRIの計算は複雑である。女性の場合、フィチン酸摂取量が300 mg/日から1200 mg/日に増加すると、PRIは7.5 mg/日から12.7 mg/日に増加し、男性の場合、範囲は9.4 mg/日から16.3 mg/日である。これらのPRIは米国のRDAよりも高い。^[39] EFSAは同じ安全性の問題を検討し、ULを25 mg/日に設定したが、これは米国の値よりもはるかに低い。^[40]

米国の食品および栄養補助食品の表示では、1食分あたりの量は1日の摂取量のパーセント（％DV）として表されます。亜鉛の表示では、1日の摂取量の100％は15 mgでしたが、2016年5月27日に11 mgに改訂されました。^{[41] [42]}成人の新旧1日摂取量の表は、Reference Daily Intakeに掲載されています。

肉、魚、貝類、鶏肉、卵、乳製品などの動物性食品には亜鉛が含まれています。植物中の亜鉛濃度は土壌中の濃度によって異なります。土壌に十分な亜鉛が含まれている場合、最も亜鉛を多く含む食用植物は小麦（胚芽とふすま）とゴマ、ケシ、アルファルファ、セロリ、マスタードなどの種子です。^{[43]亜鉛は}豆、ナッツ、アーモンド、全粒穀物、カボチャの種、ヒマワリの種、ブラックカラントにも含まれています。^[44]

その他の供給源としては、強化食品や様々な形態の栄養補助食品がある。1998年のレビューでは、米国で最も一般的なサプリメントの1つである酸化亜鉛と炭酸亜鉛は、ほぼ不溶性で体内で吸収されにくいと結論付けられた。^[45]このレビューでは、酸化亜鉛と炭酸亜鉛を摂取した被験者の血漿亜鉛濃度は、酢酸亜鉛と硫酸亜鉛塩を摂取した被験者よりも低かったという研究が引用されている。^[45]しかし、強化に関しては、2003年のレビューでは、より高価な形態と同じくらい簡単に吸収される安価で安定した供給源としてシリアル（酸化亜鉛を含む）が推奨されている。^[46] 2005年の研究では、酸化物や硫酸塩を含むさまざまな亜鉛化合物をトウモロコシのトルティーヤに強化剤として添加した場合、吸収に統計的に有意な差は見られなかった。^[47]

発展途上国では約20億人が亜鉛が欠乏している。リスクのあるグループには、発展途上国の子供や慢性疾患を抱える高齢者が含まれる。^[48]子供の場合、亜鉛は感染症や下痢の増加を引き起こし、世界中で年間約80万人の子供の死亡の一因となっている。^[15]世界保健機関は、重度の栄養失調や下痢に対する亜鉛補給を推奨している。^[49]亜鉛サプリメントは、特に低出生体重または発育不全の子供の病気を予防し、死亡率を低下させるのに役立つ。^[49]しかし、発展途上国では多くの人が複数の欠乏症を抱えており、亜鉛は他の微量栄養素と相互作用するため、亜鉛サプリメントを単独で投与すべきではない。^[50]亜鉛欠乏症は通常、食事からの摂取量が不十分なことが原因だが、吸収不良、腸性肢端皮膚炎、慢性肝疾患、慢性腎疾患、鎌状赤血球症、糖尿病、悪性腫瘍、その他の慢性疾患と関連している可能性がある。^[48]

米国では、食品消費に関する連邦政府の調査で、19歳以上の女性と男性の平均消費量はそれぞれ9.7 mg/日と14.2 mg/日であることが判明した。女性では17%がEARを下回る摂取量で、男性では11%であった。EARを下回る割合は年齢とともに増加した。^[51]調査の最新版（NHANES 2013–2014）では、平均値がさらに低く（9.3 mg/日と13.2 mg/日）、摂取量はやはり年齢とともに減少していると報告されている。^[52]

軽度の亜鉛欠乏症の症状は多様です。^[21]臨床結果には、成長抑制、下痢、インポテンツ、性成熟の遅れ、脱毛症、眼および皮膚の病変、食欲不振、認知機能の変化、免疫機能の低下、炭水化物の利用障害、生殖奇形形成などがあります。^[21]亜鉛欠乏は免疫力を低下させますが、^[53]亜鉛過剰も同様に免疫力を低下させます。^[10]

いくつかの懸念があるにもかかわらず、^[54]西洋のベジタリアンやビーガンは、肉食者よりも明白な亜鉛欠乏症に悩まされていません。^[55]亜鉛の主な植物源には、調理された乾燥豆、海藻、強化シリアル、大豆食品、ナッツ、エンドウ豆、種子などがあります。^[54]しかし、多くの全粒穀物や繊維に含まれるフィチン酸は亜鉛の吸収を妨げる可能性があり、亜鉛の限界摂取の影響は十分に理解されていません。種子やシリアルふすまに含まれる亜鉛キレート剤の フィチン酸は、亜鉛の吸収不良に寄与する可能性があります。^[48]一部の証拠は、ベジタリアンなど、食事にフィチン酸を多く含む人には、米国のRDA（成人女性で8 mg /日、成人男性で11 mg /日）を超える必要があることを示唆しています。^[54]欧州食品安全機関（EFSA）のガイドラインは、食事中のフィチン酸摂取が多い場合は亜鉛の摂取量を増やすことを推奨することで、これを補おうとしています。^{[39]これらの考慮事項は、適切な亜鉛}バイオマーカーの不足とバランスを取る必要があり、最も広く使用されている指標である血漿亜鉛は感度と特異性が低い。^[56]

土壌中の亜鉛は、水溶性亜鉛、交換性亜鉛、有機結合亜鉛、炭酸塩結合亜鉛、アルミニウムおよびマンガン酸化物結合亜鉛、および亜鉛の残留分画の6つの異なる形で存在します。^[57]

毒性条件下では、カルナ、エリカ、スノキ属の種は亜鉛金属を含む土壌で生育することができます。これは、エリコイド菌根菌の働きによって毒性イオンの転流が妨げられるためです。^[58]

亜鉛欠乏症は、作物における最も一般的な微量栄養素欠乏症のようで、特に高 pH 土壌でよく見られます。^[59]亜鉛欠乏土壌は、トルコとインドの約半分、中国の 3 分の 1、および西オーストラリアの大部分の耕作地で栽培されています。これらの地域では、亜鉛施肥に対する大きな反応が報告されています。 ^[5]亜鉛欠乏の土壌で育つ植物は、病気にかかりやすくなります。亜鉛は主に岩石の風化によって土壌に追加されますが、人間は化石燃料の燃焼、鉱山廃棄物、リン酸肥料、殺虫剤 (リン化亜鉛)、石灰岩、肥料、下水汚泥、亜鉛メッキ表面の粒子を通じて亜鉛を追加しています。亜鉛の過剰は植物に有毒ですが、亜鉛の毒性はそれほど広範囲ではありません。^[5]

亜鉛（Zn）は、マグネシウム（Mg）および鉄（Fe）とともに、生分解性金属の3つのファミリーの1つを構成します。^[60]亜鉛は、豊富な微量元素として、人体内で生命を維持するために不可欠なすべての必須金属元素の中で6番目にランクされています。^[61]亜鉛は、Fe（比較的遅い）とMg（比較的高い）の中間の生分解速度を示し、生分解性インプラントに使用するための有望な材料として位置付けられています。^{[62] [63] [64]}