Mangan: do czego jest przydatny w organizmie człowieka? Źródła w żywności i wodzie

Mangan i jego właściwości

Mangan to pierwiastek mineralny znany pod nazwą chemiczną Mn. Pochodzi ona od łacińskiego słowa manganum.

Jest dwunastym najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na naszej planecie. W śladowych ilościach jest również ważnym składnikiem organizmów żywych.

Mangan w organizmie człowieka: czy jest korzystny? Jak rozpoznać jego niedobór lub nadmiar?

Jako pierwiastek chemiczny, mangan został po raz pierwszy rozpoznany w 1774 r. przez szwedzkiego chemika Carla Wilhelma Scheele, a konkretnie jako część minerału piroluzytu.

W tym samym roku został on wyizolowany przez innego szwedzkiego chemika, Johana Gottlieba Gahna, poprzez podgrzanie piroluzytu.

Nazwa manganu pochodzi od łacińskiego słowa "magnes", które tłumaczy się jako magnes, co ponownie odnosi się do jego minerału piroluzytu, który ma właściwości magnetyczne.

Mangan jest pierwiastkiem z grupy 7 układu okresowego pierwiastków chemicznych i znajduje się w okresie 4.

Jest klasyfikowany w grupie pierwiastków zwanych pierwiastkami przejściowymi lub metalami przejściowymi.

Nazwa ta pochodzi z czasów, gdy chemicy przypisywali pierwiastkom w środku układu okresowego właściwości przejściowe między metalami alkalicznymi a niemetalami.

Pod względem właściwości mangan jest srebrno-szarym pierwiastkiem metalicznym, który może przypominać żelazo, ale jest od niego twardszy i bardzo kruchy.

Jest reaktywny i bardzo łatwo się utlenia. Utlenia się powierzchniowo w powietrzu i rozkłada się w wodzie. Mangan i niektóre jego związki mają właściwości paramagnetyczne.

Tabelaryczne zestawienie podstawowych informacji chemicznych i fizycznych na temat manganu

Mangan jest uwalniany do powietrza, gleby i wody w wyniku naturalnej erozji ziemi. Prawie nie występuje w postaci wolnej, właśnie ze względu na swoją reaktywność i fakt, że łatwo się utlenia.

Występuje zatem w postaci związków nieorganicznych lub organicznych. Przeważają związki organiczne.

W przyrodzie występuje głównie w postaci minerałów, najczęściej tlenków, krzemianów lub węglanów, np. wspomnianego już piroluzytu (MnO2) lub braunitu, psilomelanu, rodochrozydu.

Obecnie mangan i jego związki mają ważne zastosowania przemysłowe w różnych sektorach.

Największa część manganu (do 90% całkowitej rocznej produkcji) jest wykorzystywana do produkcji stali w celu poprawy jej właściwości - zwiększenia plastyczności, wytrzymałości i trwałości.

Inne zastosowania manganu to:

• Jest dodawany do stopów aluminium jako środek ochronny przed korozją.
• Służy jako pigment, na przykład do barwienia szkła, ceramiki lub kamieni szlachetnych.
• Służy do usuwania zielonych przebarwień szkła spowodowanych obecnością żelaza.
• Jest składnikiem baterii.
• W rolnictwie stosuje się go jako dodatek do nawozów (zwłaszcza do upraw cytrusów), pestycydów lub środków pleśniobójczych.
• Wykorzystuje się również działanie dezynfekujące i antyseptyczne niektórych związków manganu.
• Jest on stosowany w medycynie jako środek kontrastowy w badaniach obrazowych i jest ważnym składnikiem mleka dla niemowląt lub żywienia pozajelitowego.

Jaką funkcję pełni mangan w organizmie człowieka?

Mangan jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym. Ludzie potrzebują go tylko w niewielkich ilościach, ale jego obecność w organizmie jest kluczowa dla utrzymania zdrowia i normalnych funkcji.

Organizm nie jest w stanie samodzielnie wytwarzać manganu i jest uzależniony od jego przyjmowania ze środowiska zewnętrznego.

Podstawową formą, w jakiej mangan występuje w organizmach żywych, jest jon ^Mn2+ lub ^Mn3+.

Mangan pełni kilka ważnych funkcji fizjologicznych.

Jego główna rola związana jest z enzymami i funkcjonowaniem układów enzymatycznych w organizmie. Mangan albo działa jako składnik tych enzymów (niezbędny do ich tworzenia), albo bierze udział w aktywacji istniejących enzymów (niezbędny do ich funkcjonowania).

Które enzymy są zaangażowane? W rzeczywistości mówimy o szerokiej gamie enzymów z grupy oksydoreduktaz, transferaz, hydrolaz, liazy, izomerazy lub ligazy.

W tym zakresie enzymów znajdujemy nawet enzymy, które są ściśle zależne od obecności manganu w organizmie. Bez wystarczającej ilości manganu enzymy te nie są ani formowane, ani aktywowane.

Przykłady obejmują:

• Syntetaza glutaminy - Działa w mózgu, gdzie rozkłada pewne toksyczne substancje (funkcja metaboliczna).
• Dysmutaza ponadtlenkowa - główny enzym antyoksydacyjny w komórkach, który przekształca reaktywne formy tlenu w wodę, chroniąc je w ten sposób przed uszkodzeniem (funkcja antyoksydacyjna).
• Arginaza - enzym w wątrobie potrzebny do rozkładania toksycznego amoniaku wytwarzanego podczas procesów metabolicznych (funkcja metaboliczna).
• Karboksylaza pirogronianowa - kluczowy enzym do tworzenia glukozy (funkcja metaboliczna).

Główne funkcje fizjologiczne i procesy, w których mangan bierze udział poprzez wpływ na enzymy, można zatem podsumować w następujący sposób:

• Normalny rozwój organizmu
• Wpływ na funkcje immunologiczne, nerwowe i hormony płciowe
• Działanie przeciwutleniające
• Regulacja metabolizmu cukrów, tłuszczów i białek
• Tworzenie energii w komórkach
• Wzrost kości i chrząstek
• Krzepnięcie krwi
• Regulacja poziomu cukru we krwi poprzez wpływ na produkcję insuliny
• Rozwój mózgu i jego funkcji
• Gojenie się ran poprzez wpływ na produkcję kolagenu

Mangan - od spożycia do wydalania

Wchłanianie

Mangan może przedostawać się do organizmu kilkoma drogami. Najczęstsze drogi to droga pokarmowa, inhalacyjna (wdychanie), pozajelitowa lub przez kontakt ze skórą.

Wśród tych dróg dominuje doustna droga wchłaniania, tj. przyjmowanie manganu doustnie. Wchłanianie zachodzi w środowisku przewodu pokarmowego.

Głównymi źródłami manganu są woda, żywność, suplementy diety lub mleko modyfikowane dla niemowląt.

Mangan jest wchłaniany w szczególności w jelicie cienkim za pomocą dwóch mechanizmów - biernej dyfuzji lub aktywnego transportu wymagającego energii. Szybkość wchłaniania jest stosunkowo wysoka.

Nośniki, przez które mangan przechodzi przez komórki jelitowe, nie są przeznaczone specjalnie dla manganu. Przenoszą one również inne pierwiastki metaliczne, takie jak żelazo, miedź, cynk lub wapń.

Mogą one konkurować ze sobą o konkretny nośnik, co może wpływać na szybkość wchłaniania każdego pierwiastka.

Z całkowitej ilości spożytego manganu tylko około 3-5% jest wchłaniane w przewodzie pokarmowym.

Szybkość wchłaniania manganu u kobiet jest ogólnie wyższa niż u mężczyzn, co prawdopodobnie wynika z różnicy w poziomie żelaza między płciami.

Odzwierciedla to fakt, że żelazo i mangan wykorzystują ten sam transporter do wchłaniania. Tak więc, jeśli poziom żelaza jest niższy, mangan ma więcej możliwości wiązania się z transporterem.

Również z tego powodu dzienne zapotrzebowanie na mangan może być niższe u kobiet.

Innym czynnikiem wpływającym na wchłanianie jest wiek. Niemowlęta i dzieci mają wyższe spożycie manganu. Wynika to z naturalnie wyższego zapotrzebowania na mangan podczas wzrostu i rozwoju dziecka.

Inne drogi wchłaniania manganu (tj. wspomniane już wdychanie lub przenikanie przez skórę) najczęściej dotyczą osób, które mają kontakt z manganem w swojej pracy, takich jak pracownicy przemysłowi, górnicy, spawacze itp.

Mangan jest podawany pozajelitowo (dożylnie) wcześniakom lub osobom otrzymującym całkowite żywienie pozajelitowe w ramach utrzymania odpowiedniego dziennego spożycia składników odżywczych, w tym manganu.

Dystrybucja i regulacja

Wchłonięty mangan dostaje się do krwi z przewodu pokarmowego i jest rozprowadzany do różnych części ciała.

Fizjologiczne stężenie manganu we krwi waha się od 4 do 15 mg/l. U kobiet stężenie to jest zwykle o około 30% wyższe niż u mężczyzn (ze względu na wyższy współczynnik wchłaniania).

Mangan wiąże się we krwi z czerwonymi krwinkami, które transportują go w postaci jonów ^Mn2+ lub ^Mn3+. Przeważa ^Mn2+.

Narządy, w których skoncentrowane są największe ilości manganu to wątroba, trzustka, kości, okrężnica, nerki i mózg (od 0,15 do 1,3 mg/kg). W mniejszym stopniu drogi moczowe lub czerwone krwinki.

Mangan ma zdolność przekraczania bariery krew-mózg, bariery krew-mózg, łożyska, a także jest wydalany z mlekiem matki.

Utrzymanie poziomu manganu na fizjologicznym poziomie jest ważne dla zdrowia i prawidłowego funkcjonowania organizmu. W proces ten zaangażowane są mechanizmy regulacyjne, które utrzymują tzw. homeostazę.

Głównym narządem regulującym poziom manganu w organizmie jest wątroba, która kontroluje jego przyjmowanie i wydalanie przez jelita.

Z jednej strony wpływa na transportery znajdujące się w jelitach, regulując w ten sposób wchłanianie, a z drugiej strony wychwytuje nadmiar manganu z krwi i wydala go z powrotem do jelit za pośrednictwem żółci (która powstaje w wątrobie).

Ponadto, ze względu na ścisłą regulację ilości manganu już wchłoniętego w jelitach, toksyczność spowodowana nadmiernym spożyciem pokarmu jest bardzo rzadka.

Najbardziej wrażliwym organem na nadmiar manganu w organizmie jest mózg. W przypadku toksyczności to właśnie zaburzenia mózgu i ośrodkowego układu nerwowego są najbardziej oczywistymi, a także najpoważniejszymi objawami.

Wydalanie

Główną drogą wydalania manganu jest żółć po jego wchłonięciu przez wątrobę.

Wraz z żółcią przedostaje się on ponownie do jelit, a następnie jest wydalany z organizmu wraz z kałem.

Pacjenci z chorobami wątroby mogą być zatem podatni na nadmiar manganu, a tym samym jego toksyczność.

Ponadto mangan jest również wydalany w bardzo niewielkich ilościach z moczem, mlekiem lub potem.

Jakie jest zalecane dzienne spożycie manganu?

Zalecenia dotyczące średniego dziennego spożycia manganu nie zostały ustalone ze względu na brak danych.

Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności publikuje jednak wartości dotyczące odpowiedniego spożycia manganu. Odpowiednie spożycie to średnia wartość oparta na obserwacji. Zakłada się, że odpowiada ona zapotrzebowaniu populacji.

Tabela odpowiedniego dziennego spożycia manganu według wieku

Źródła manganu w diecie

Dla większości populacji żywność i woda pitna są głównymi źródłami manganu, które mogą w wystarczającym stopniu pokryć wymagane dzienne spożycie.

Pokarmy o wyższej zawartości manganu obejmują orzechy (laskowe, migdały, pekan), ryż, kiełki pszenicy, otręby, owies, rośliny strączkowe, zielone warzywa liściaste, owoce (ananas), herbatę, czekoladę i owoce morza (zwłaszcza małże).

Ilość manganu w wodzie pitnej zależy od lokalizacji i stopnia zanieczyszczenia i waha się od 1 µg/l do 2 mg/l.

Obecnie na rynku dostępne są suplementy diety zawierające mangan, ale wyłącznie w postaci preparatów wieloskładnikowych - multiwitaminowych lub mineralnych.

Jednak oprócz siarczanu manganu, powszechnie stosuje się również siarczan manganu, askorbinian manganu lub kompleksy aminokwasów z manganem.

Potencjalne interakcje manganu z żywnością mogą wystąpić przy jednoczesnym spożyciu kwasu fitynowego, który jest obecny w orzechach, nasionach, fasoli, soi lub zbożach. Mogą one również wystąpić przy jednoczesnym spożyciu kwasu szczawiowego, który jest obecny w kapuście, szpinaku lub słodkich ziemniakach.

W obu przypadkach występuje niewielkie zahamowanie wchłaniania manganu.

Występuje również niewielkie zmniejszenie wchłaniania manganu przy jednoczesnym spożyciu garbników, które są bogate w herbaty.

Co więcej, wspomniane już żelazo zmniejsza wchłanianie manganu w przewodzie pokarmowym na wysokich poziomach. Wapń i fosfor również zmniejszają szybkość wchłaniania manganu.

I magnez, który oprócz zmniejszenia wchłaniania, nawet zwiększa wydalanie manganu.

Jak rozpoznać niedobór i nadmiar manganu?

Mangan bierze udział w wielu procesach biologicznych w organizmie człowieka i jest praktycznie niezbędny, jednak jego nadmierne nagromadzenie może stanowić potencjalne zagrożenie.

Granica między dobrym a szkodliwym poziomem manganu jest dość cienka, dlatego ważne jest, aby mechanizmy regulacyjne w organizmie działały wystarczająco, aby utrzymać homeostazę manganu.

Zakłócenie tej homeostazy i rozwój niedoboru lub nadmiaru manganu zwykle powoduje komplikacje zdrowotne lub skutki uboczne.

Niedobór manganu

Występowanie niewystarczających ilości manganu w organizmie jest rzadkim stanem, który jest rzadko obserwowany u ludzi.

Wynika to z faktu, że w żywności i wodzie pitnej znajduje się wystarczająca ilość manganu, aby pokryć dzienne zapotrzebowanie.

Objawy i powikłania spowodowane niedoborem manganu były badane jedynie eksperymentalnie i poprzez sztuczne wywoływanie niedoboru (głównie u zwierząt).

Niedobór manganu powoduje następujące powikłania:

• Opóźnienie wzrostu i rozwoju kości
• Nieprawidłowości w kształcie szkieletu
• Upośledzenie funkcji rozrodczych
• Upośledzona mobilność
• Upośledzony metabolizm tłuszczów, białek i węglowodanów, nadmierna tolerancja glukozy
• Zmiany nastroju
• Wady wrodzone

W kilku przypadkach zaobserwowano niedobór manganu u ludzi. W takich przypadkach zaobserwowano objawy, takie jak zaburzenia zapalne skóry, opóźniony wzrost włosów i paznokci, obniżony poziom cholesterolu, zmniejszone krzepnięcie krwi lub podwyższony poziom wapnia i fosforu we krwi.

Nadmiar manganu

W przypadku manganu znacznie częściej mamy do czynienia z sytuacją odwrotną, czyli występowaniem jego kumulacji w organizmie.

Nadmiar jest najczęściej spowodowany nadmiernym spożyciem lub wdychaniem manganu. Może być również spowodowany niewydolnością procesów regulacyjnych, które utrzymują homeostazę.

Grupy ryzyka rozwoju nadmiaru manganu w organizmie to:

• Niemowlęta i dzieci - ze względu na naturalnie wyższe tempo wchłaniania manganu w przewodzie pokarmowym
• niemowlęta karmione sztucznym mlekiem i pacjenci otrzymujący żywienie pozajelitowe
• Pacjenci z wrodzonym zaburzeniem transportera w wątrobie zaangażowanego w wydalanie manganu.
• Pacjenci z przewlekłą chorobą wątroby powodującą słabą czynność wątroby w zakresie wydalania nadmiaru manganu do żółci.
• Pacjenci z niedoborem żelaza - niedobór żelaza zwiększa szybkość wchłaniania manganu w przewodzie pokarmowym.
• Osoby wykonujące niebezpieczne zawody, w których stężenie manganu jest podwyższone - spawacze, górnicy, hutnicy. Zwykle wiąże się to z wdychaniem związków manganu.

Głównym narządem docelowym toksyczności manganu jest mózg. Zaangażowanie mózgu objawia się charakterystycznymi objawami neurologicznymi - jednolicie określanymi jako manganizm.

W przypadku manganizmu szczególnie dotknięte są zdolności umysłowe i motoryczne danej osoby.

Manganizm rozwija się przez długi okres czasu. We wczesnych stadiach, osoba cierpiąca może doświadczać spowolnionych reakcji, drażliwości, depresji, wahań nastroju, zachowań kompulsywnych lub agresywnych, halucynacji lub zaburzeń intelektualnych.

Później pojawia się ogólne osłabienie, utrata mimiki twarzy, problemy z mową, nadmierne ślinienie i pocenie się, mimowolne ruchy kończyn, drżenie, sztywność mięśni, zmiany chodu (chodzenie w pochyleniu do przodu), problemy ze zręcznością i równowagą oraz częstsze upadki.

Nie reagują one jednak na lewodopę, lek stosowany w leczeniu choroby Parkinsona.

Oprócz objawów związanych z uszkodzeniem mózgu, manganizm może również powodować zaburzenia wątroby (marskość, zaburzenia enzymów wątrobowych) lub zaburzenia sercowo-naczyniowe (zwiększona częstość akcji serca, obniżone ciśnienie krwi).

Głównymi objawami nadmiernego narażenia na wdychanie manganu są kaszel, zapalenie oskrzeli, zapalenie płuc i zaburzenia czynności płuc.