ミネラル (栄養素)
Mineral (nutrient)/ja
栄養の文脈では、ミネラルとは化学元素のことである。一部の「ミネラル」は生命にとって必須であるが、ほとんどはそうではない。ミネラルは必須栄養素の4つのグループの1つであり、他にはビタミン、必須脂肪酸、必須アミノ酸がある。人体の5大ミネラルは、カルシウム、リン、カリウム、ナトリウム、マグネシウムである。残りの元素は「trace element」と呼ばれる。一般的に受け入れられている微量元素は、鉄、塩素、コバルト、銅、亜鉛、マンガン、モリブデン、ヨウ素、セレンである；もっとあるかもしれないという証拠もある。
炭素、水素、酸素、窒素）（CHON）の4元素が人体の96重量％を占める。 これらの元素は通常、栄養ミネラルのリストには含まれていない。 これらの元素はマクロミネラルと呼ばれることもある。マイナーミネラル（微量元素とも呼ばれる）は残りを構成し、通常、食事中のミネラルに関する議論の焦点となる。
植物は土壌からミネラルを得る。植物は動物に摂取されることで、ミネラルを食物連鎖の上に移動させる。大型の生物は土壌を消費したり（地食い）、塩舐めなどの鉱物資源を利用してミネラルを得ることもある。
最後に、ミネラルと元素は多くの点で同義語であるが、ミネラルは生物学的利用吸収可能な程度にしか存在しない。吸収されるためには、ミネラルは可溶性であるか、摂取した生物が容易に抽出できるものでなければならない。 例えば、モリブデンは必須ミネラルだが、金属モリブデンには栄養学的な利点はない。 多くのモリブデン酸塩はモリブデンの供給源である。
ヒトの必須化学元素
構造的・機能的な役割を果たすことで、ヒトの生化学的プロセスをサポートするために必要な化学元素は19種類知られており、さらに10種類程度の証拠がある。
酸素、水素、炭素、窒素は体内で最も重量の多い元素で、人体の重量の約96％を占める。カルシウムは成人体重の920～1200グラムを占め、その99％は骨と歯に含まれている。これは体重の約1.5％にあたる。リンはカルシウムの約2/3の量で、体重の約1％を占める。他の主要ミネラル（カリウム、ナトリウム、塩素、硫黄、マグネシウム）は、体重の約0.85％を占めるに過ぎない。これら11の化学元素（H、C、N、O、Ca、P、K、Na、Cl、S、Mg）を合わせて、身体の99.85％を占める。残りの～18種類の超微量ミネラルは、身体のわずか0.15％、平均的な人で合計約100グラムを構成している。この段落の分数の合計は、人体の化学組成の記事からパーセンテージを合計した量である。
ヒト（および他の哺乳類）における様々な超微量元素の必須性については、同じデータに基づいても、いくつかの多様な意見が存在する。例えば、クロムがヒトにおいて必須であるかどうかは議論されている。クロムを含む生化学物質は精製されていない。米国と日本はクロムを必須栄養素に指定しているが、欧州連合を代表する欧州食品安全機関（EFSA）は2014年にこの問題を検討し、同意していない。
既知のミネラル栄養素や示唆されているミネラル栄養素のほとんどは、比較的原子量が低く、陸上や、ナトリウムとヨウ素については海洋でそれなりに一般的である。そのような可溶性化合物を持たない元素は、非必須元素（Al）か、せいぜい微量（Si）しか必要とされない傾向がある。
| Essential elements for higher organisms (eucarya). | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Legend:
Quantity elements
Essential trace elements
Essentiality or function debated
|
生物学的プロセスにおける役割
| 栄養要素 | RDA/AI 男性/女性 (US) [mg] | UL (US and EU) [mg] | カテゴリ | 高い栄養密度 栄養源 |
不足／過剰の用語 |
|---|---|---|---|---|---|
| カリウム | 4700 | NE; NE | 全身の電解質であり、ATPとナトリウムの共調整に不可欠である。 | サツマイモ、トマト、ジャガイモ、豆類、レンズ豆、乳製品、魚介類、バナナ、プルーン、ニンジン、オレンジ | hypokalemia/ja / hyperkalemia/ja |
| Chlorine/ja | 2300 | 3600; NE | 胃での塩酸の生成、細胞ポンプ機能に必要で、宿主防御に必要である。 | 食塩（塩化ナトリウム）が主な食事源である。 | hypochloremia/ja / hyperchloremia/ja |
| Sodium/ja | 1500 | 2300; NE | 全身の電解質であり、ATPとカリウムの共調整に不可欠である。 | 食卓塩（塩化ナトリウム、主な供給源）、海藻、牛乳、ほうれん草などである。 | hyponatremia/ja / hypernatremia/ja |
| Calcium/ja | 1000 | 2500; 2500 | 筋肉、心臓、消化器系の健康に必要、骨を作る（ハイドロキシアパタイトを参照）、血液細胞の合成と機能をサポート、血液凝固を助ける。 | 乳製品、卵、骨付き魚の缶詰（サーモン、イワシ）、緑黄色野菜、ナッツ、種子、豆腐、タイム、オレガノ、ディル、シナモン。 | hypocalcaemia/ja / hypercalcaemia/ja |
| Phosphorus/ja | 700 | 4000; 4000 | 骨（ハイドロキシアパタイトを参照）、細胞、エネルギー処理、DNAやATP（リン酸塩として）、その他多くの機能を構成する。 | 赤身肉、乳製品、魚、鶏肉、パン、米、オート麦。生物学的な文脈では、通常リン酸塩として見られる。 | hypophosphatemia/ja / hyperphosphatemia/ja |
| Magnesium/ja | 420/320 | 350; 250 | ATPの処理と骨に必要である。 | ほうれん草、豆類、ナッツ類、種子類、全粒穀物、ピーナッツバター、アボカド | hypomagnesemia/ja (マグネシウム欠乏症) / hypermagnesemia/ja |
| Iron/ja | 8/18 | 45; NE | 多くのタンパク質や酵素、特に貧血を防ぐヘモグロビンに必要である。 | 肉類、魚介類、ナッツ類、豆類、ダークチョコレート | iron deficiency/ja / iron overload disorder/ja |
| 亜鉛 | 11/8 | 40; 25 | マトリックスメタロプロテアーゼ、肝アルコールデヒドロゲナーゼ、炭酸脱水酵素、ジンクフィンガータンパク質などのいくつかのクラスの酵素に必要である。 | 牡蠣*、赤身肉、鶏肉、ナッツ類、全粒穀物、乳製品 | zinc deficiency/ja / zinc toxicity/ja |
| Manganese/ja | 2.3/1.8 | 11; NE | スーパーオキシドジスムターゼの必須補酵素である。 | 穀類、豆類、種子類、ナッツ類、葉物野菜、茶、コーヒー | マンガン欠乏症 / manganism/ja |
| Copper/ja | 0.9 | 10; 5 | シトクロムcオキシダーゼの必須補酵素である。 | レバー、魚介類、牡蠣、ナッツ類、種子類。 | copper deficiency/ja / copper toxicity/ja |
| Iodine/ja | 0.150 | 1.1; 0.6 | 甲状腺ホルモンの合成に必要で、宿主防御の酵素を助ける。 | 海藻（昆布またはコンブ）*、穀物、卵、ヨード添加塩 | iodine deficiency/ja (goiter/ja) / ヨウ素中毒 (hyperthyroidism/ja) |
| Molybdenum/ja | 0.045 | 2; 0.6 | キサンチンオキシダーゼ、アルデヒドオキシダーゼ、亜硫酸オキシダーゼの機能に必要である。 | 豆類、全粒穀物、ナッツ類 | molybdenum deficiency/ja / モリブデン毒性 |
| Selenium/ja | 0.055 | 0.4; 0.3 | グルタチオンペルオキシダーゼのような抗酸化酵素の活性に不可欠である。 | ブラジルナッツ、魚介類、内臓肉、肉類、穀類、乳製品、卵 | selenium deficiency/ja / selenosis/ja |
| Cobalt/ja | none | NE; NE | コバルトは、バクテリアによって複雑な分子（例えばビタミンB12）に加工された後にのみ、動物が使用できるようになる。人間はこれらの補酵素の中にミリグラムのコバルトしか含んでいない。 コバルトの欠乏は悪性貧血を引き起こす。 | 動物の筋肉やレバー、貝類やカニ肉も良い栄養源である。 | pernicious anemia/ja / cobalt poisoning/ja |
RDA = 推奨食事許容量; AI= 十分な摂取量; UL = 耐容上限量; 数値は31～50歳の成人、妊娠中・授乳中でない男女の場合である。
* One serving of seaweed exceeds the US UL of 1100 μg but not the 3000 μg UL set by Japan.
Dietary nutrition
Dietitians may recommend that minerals are best supplied by ingesting specific foods rich with the chemical element(s) of interest. The elements may be naturally present in the food (e.g., calcium in dairy milk) or added to the food (e.g., orange juice fortified with calcium; iodized salt fortified with iodine). Dietary supplements can be formulated to contain several different chemical elements (as compounds), a combination of vitamins and/or other chemical compounds, or a single element (as a compound or mixture of compounds), such as calcium (calcium carbonate, calcium citrate) or magnesium (magnesium oxide), or iron (ferrous sulfate, iron bis-glycinate).
The dietary focus on chemical elements derives from an interest in supporting the biochemical reactions of metabolism with the required elemental components. Appropriate intake levels of certain chemical elements have been demonstrated to be required to maintain optimal health. Diet can meet all the body's chemical element requirements, although supplements can be used when some recommendations are not adequately met by the diet. An example would be a diet low in dairy products, and hence not meeting the recommendation for calcium.
Plants
The list of minerals required for plants is similar to that for animals. Both use very similar enzymes, although differences exist. For example, legumes host molybdenum-containing nitrogenase, but animals do not. Many animals rely on hemoglobin (Fe) for oxygen transport, but plants do not. Fertilizers are often tailored to address mineral deficiencies in particular soils. Examples include molybdenum deficiency, manganese deficiency, zinc deficiency, and so on.
Safety
The gap between recommended daily intake and what are considered safe upper limits (ULs) can be small. For example, for calcium the U.S. Food and Drug Administration set the recommended intake for adults over 70 years at 1,200 mg/day and the UL at 2,000 mg/day. The European Union also sets recommended amounts and upper limits, which are not always in accord with the U.S. Likewise, Japan, which sets the UL for iodine at 3000 μg versus 1100 for the U.S. and 600 for the EU. In the table above, magnesium appears to be an anomaly as the recommended intake for adult men is 420 mg/day (women 350 mg/day) while the UL is lower than the recommended, at 350 mg. The reason is that the UL is specific to consuming more than 350 mg of magnesium all at once, in the form of a dietary supplement, as this may cause diarrhea. Magnesium-rich foods do not cause this problem.
Elements considered possibly essential for humans but not confirmed
Many ultratrace elements have been suggested as essential, but such claims have usually not been confirmed. Definitive evidence for efficacy comes from the characterization of a biomolecule containing the element with an identifiable and testable function. One problem with identifying efficacy is that some elements are innocuous at low concentrations and are pervasive (examples: silicon and nickel in solid and dust), so proof of efficacy is lacking because deficiencies are difficult to reproduce. Ultratrace elements of some minerals such as silicon and boron are known to have a role but the exact biochemical nature is unknown, and others such as arsenic are suspected to have a role in health, but with weaker evidence. In particular, trace arsenic seems to have a positive effect on some organisms, but so does lead, showcasing the uncertainty behind whether some trace elements are truly essential. Strontium is tolerated and is a component of some drugs, but it is not essential, only beneficial. Non-essential elements can sometimes appear in the body when they are chemically similar to essential elements (e.g. Rb+ and Cs+ replacing Na+), so that essentiality is not the same thing as uptake by a biological system.
| Element | Description | Excess |
|---|---|---|
| Bromine | Possibly important to basement membrane architecture and tissue development, as a needed catalyst to make collagen IV. | bromism |
| Arsenic | Essential in rat, hamster, goat and chicken models, but no research has been done in humans. | arsenic poisoning |
| Nickel | Nickel is an essential component of several enzymes, including urease and hydrogenase. Although not required by humans, some are thought to be required by gut bacteria, such as urease required by some varieties of Bifidobacterium. In humans, nickel may be a cofactor or structural component of certain metalloenzymes involved in hydrolysis, redox reactions and gene expression. Nickel deficiency depressed growth in goats, pigs, and sheep, and diminished circulating thyroid hormone concentration in rats. | Nickel toxicity |
| Fluorine | Might have a role in biologic mineralisation, and fluoride deficiency symptoms have been found in goats, but there is no clear evidence of essentiality in humans. Research indicates that the primary dental benefit from fluoride occurs at the surface from topical exposure. However, even if not essential, fluorine would still be a beneficial element for this reason. Of the minerals in this table, fluoride is the only one for which the U.S. Institute of Medicine has established an Adequate Intake. | Fluoride poisoning |
| Boron | Boron is an essential plant nutrient, required primarily for maintaining the integrity of cell walls. Boron has been shown to be essential to complete the life cycle in representatives of all kingdoms of life. In animals, supplemental boron has been shown to reduce calcium excretion and activate vitamin D. | No acute effects (LD50 of boric acid is 2.5 grams per kilogram body weight) |
| Lithium | Based on plasma lithium concentrations, biological activity and epidemiological observations, there is evidence, not conclusive, that lithium is an essential nutrient. | Lithium toxicity |
| Chromium | Proposed to be involved in glucose and lipid metabolism, although its mechanisms of action in the body and the amounts needed for optimal health are not well-defined | chromium deficiency / chromium toxicity |
| Silicon | Deficiency symptoms have been found in chickens and rats, though not humans. Circumstantial evidence suggests that it is an essential nutrient, probably having an effect on the function and composition of brain and bone. | |
| Vanadium | Has an established, albeit specialized, biochemical role in other organisms (algae, lichens, fungi, bacteria), and there is significant circumstantial evidence for its essentiality in humans. It is rather toxic for a trace element and the requirement, if essential, is probably small. | |
| Tin | Rats fed a tin-free diet exhibited improper growth, but the evidence for essentiality is otherwise limited. | Tin poisoning |
| Other | Tungsten, the early lanthanides, and cadmium have specialized biochemical uses in certain lower organisms, but these elements appear not to be used by mammals. |
Mineral ecology
Diverse ions are used by animals and microorganisms for the process of mineralizing structures, called biomineralization, used to construct bones, seashells, eggshells, exoskeletons and mollusc shells.
Minerals can be bioengineered by bacteria which act on metals to catalyze mineral dissolution and precipitation. Mineral nutrients are recycled by bacteria distributed throughout soils, oceans, freshwater, groundwater, and glacier meltwater systems worldwide. Bacteria absorb dissolved organic matter containing minerals as they scavenge phytoplankton blooms. Mineral nutrients cycle through this marine food chain, from bacteria and phytoplankton to flagellates and zooplankton, which are then eaten by other marine life. In terrestrial ecosystems, fungi have similar roles as bacteria, mobilizing minerals from matter inaccessible by other organisms, then transporting the acquired nutrients to local ecosystems.
さらに読む
- Humphrey Bowen (1979) Environmental Chemistry of the Elements. Academic Press, ISBN 0-12-120450-2.
- Humphry Bowen (1966) Trace Elements in Biochemistry. Academic Press.
外部リンク
- "Vitamins and minerals". nhs.uk. 23 October 2017.
- Concept of a nutritious food: toward a nutrient density score
- Metals in Nutrition