Vi lượng (trace elements hay nguyên tố vi lượng) là các nguyên tố hóa học cần thiết cho sự duy trì cấu trúc và chức năng sinh học của cơ thể sinh vật với hàm lượng cực nhỏ (thường chiếm tỷ lệ dưới một phần vạn khối lượng cơ thể). Mặc dù có nồng độ rất thấp, chúng giữ vai trò sống còn trong hàng loạt phản ứng sinh hóa, xúc tác enzyme và điều hòa biểu hiện gen (Mertz, 1981; Fraga, 2005).
Tiêu chí xác định tính thiết yếu sinh học
Một nguyên tố vi lượng được công nhận là thiết yếu khi thỏa mãn các tiêu chuẩn của Walter Mertz (Mertz, 1981):
- Sự thiếu hụt nguyên tố trong chế độ ăn gây ra các rối loạn chức năng sinh lý hoặc triệu chứng bệnh lý đặc hiệu.
- Triệu chứng thiếu hụt được hồi phục và phòng ngừa khi bổ sung đúng nguyên tố đó ở nồng độ sinh lý.
- Nguyên tố trực tiếp tham gia vào các cơ chế phân tử hoặc thành phần cấu trúc tế bào không thể thay thế bởi nguyên tố khác.
Chức năng sinh học của các nguyên tố vi lượng chủ chốt
Các nguyên tố vi lượng hoạt động chủ yếu dưới dạng trung tâm phối trí kim loại trong các phức hợp metalloprotein (Shenkin, 2006):
| Nguyên tố vi lượng | Dạng tồn tại sinh học chủ yếu | Chức năng chuyển hóa và xúc tác enzyme |
|---|---|---|
| Sắt (Fe) | Heme trong Hemoglobin, Myoglobin; Cytochrome | Vận chuyển oxy trong máu, dự trữ oxy tại mô cơ và tham gia chuỗi chuyền electron hô hấp tế bào tại ty thể. |
| Kẽm (Zn) | Ngón tay kẽm (Zinc fingers), Carbonic anhydrase, DNA polymerase | Điều hòa biểu hiện gen, ổn định cấu trúc ribosome, phân chia tế bào và duy trì đáp ứng miễn dịch tự nhiên. |
| Đồng (Cu) | Ceruloplasmin, Cytochrome c oxidase, Superoxide dismutase | Chuyển hóa sắt, tổng hợp collagen/elastin mô liên kết và bảo vệ tế bào chống lại các gốc tự do oxy hóa. |
| Selen (Se) | Selenocysteine trong Glutathione peroxidase, Thioredoxin reductase | Hệ thống phòng vệ chống oxy hóa nội sinh bảo vệ màng lipid tế bào và điều hòa chuyển hóa hormone tuyến giáp. |
| Iod (I) | Hormone tuyến giáp (Thyroxine và Triiodothyronine) | Chi phối tốc độ chuyển hóa cơ bản, sản sinh nhiệt lượng và thúc đẩy sự phát triển trí não của thai nhi. |
Mối quan hệ liều lượng và độc tính (Quy luật Bertrand)
Tất cả các nguyên tố vi lượng đều tuân thủ đường cong đáp ứng sinh học hình chữ U (Fraga, 2005):
- Vùng thiếu hụt: Khi lượng ăn vào không đủ đáp ứng nhu cầu tối thiểu, các hoạt tính enzyme bị suy giảm, dẫn đến triệu chứng bệnh lý lâm sàng.
- Vùng sinh lý tối ưu: Cơ thể duy trì trạng thái cân bằng nội môi tối ưu và sức khỏe toàn diện.
- Vùng độc tính quá liều: Khi nồng độ vượt quá khả năng bài tiết hoặc tích tụ kim loại nặng, nguyên tố vi lượng trở thành chất độc tế bào gây tổn thương gan, thận và đột biến DNA.
Ứng dụng trong y học và nông nghiệp
Hiểu biết về nguyên tố vi lượng định hướng nhiều giải pháp can thiệp cộng đồng:
- Tăng cường vi chất cộng đồng: Bổ sung iod vào muối ăn, vi chất sắt và acid folic cho phụ nữ mang thai nhằm đẩy lùi tình trạng bướu cổ và thiếu máu dinh dưỡng.
- Dinh dưỡng ngoài đường tiêu hóa (TPN): Bổ sung hỗn hợp vi lượng cân đối vào dịch truyền nuôi dưỡng bệnh nhân hồi sức tích cực dài ngày.
- Phân bón vi lượng trong nông nghiệp: Cung cấp vi lượng kẽm, bo, mangan cho cây trồng giúp tăng năng suất mùa màng, tăng khả năng kháng sâu bệnh và hạn hán.