Kẽm là nguyên tố cần thiết để duy trì sự sống của con người[163] cũng như các động vật khác,[164] thực vật,[93] và vi sinh vật.[165] Kẽm được tìm thấy trong gần 100 loại enzym đặc biệt[166] (các nguồn khác[167] cho rằng tới 300), có vai trò là các ion cấu trúc trong yếu tố phiên mã và được lưu trữ và vận chuyển ở dạng thionein kim loại.[168] Nó là "kim loại chuyển tiếp phổ biến thứ 2 trong sinh vật" sau sắt và nó là kim loại duy nhất có mặt trong tất cả các lớp enzym.[93]

Trong các protein, các ion kẽm thường liên kết với các chuỗi amino axít của axit aspartic, axít glutamic, cystein và histidin.[169] Việc miêu tả lý thuyết và tính toán của các liên kết kẽm trong các protein này cũng như đối với các kim loại chuyển tiếp khác còn khó khăn.[169]

Có từ 2-4 gam kẽm[170] phân bố trong khắp cơ thể con người. Hầu hết kẽm nằm trong não, cơ, xương, thận và gan, tuy nhiên nồng độ kẽm cao nhất tập trung trong tuyến tiền liệt và các bộ phận của mắt.[171] Tinh dịch đặc biệt rất giàu kẽm, vì đây là yếu tố quan trọng trong chức năng của tuyến tiền liệt và giúp phát triển cơ quan sinh dục.[172]

Kẽm đóng vai trò sinh học quan trọng đối với con người.[6] Nó tương tác với một loạt các phối tử hữu cơ,[6] và có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của RNA và DNA, truyền tín hiệu và biểu hiện gen. Nó cũng quyết định quá trình chết rụng tế bào. Một nghiên cứu năm 2006 ước tính rằng khoảng 10% protein người (2.800) có thể phụ thuộc vào kẽm, thêm vào đó hàng trăm protein vận chuyển kẽm; một nghiên cứu tương tự về in silico trong loài thực vật Arabidopsis thaliana đã tìm thấy 2.367 protein liên quan đến kẽm.[93]

Trong não, kẽm được lưu trữ trong các synaptic vesicles đặc biệt bởi các tế bào thần kinh glutamatergic[173] và có thể "điều chỉnh khả năng kích thích não".[6] Nó có vai trò quan trọng trong synaptic plasticity và cũng như trong việc học.[174] Tuy nhiên, nó được gọi là "ngựa đen của não" ("the brain's dark horse")[173] vì nó cũng có thể là một chất độc thần kinh, homeostasis kẽm đóng vai trò quan trọng trong chức năng bình thường của não và hệ thần kinh trung ương.[173]

Enzym

Kẽm là một axít Lewis, là một chất xúc tác có ích trong quá trình hydroxyl hóa và các phản ứng enzym khác.[166] Kim loại kẽm cũng là một chất có phối hợp hình học linh động, điều này cho phép các protein sử dụng nó để thay đổi cấu trúc protein một cách nhanh chóng để thực hiện các phản ứng sinh học.[175] Hai ví dụ về các enzym chứa kẽm là carbonic anhydrase và carboxypeptidase, đây là các enzym cần thiết trong các quá trình của chuyển hóa cacbon điôxít (CO2) và tiêu hóa protein theo thứ tự.[176]

Trong máu của động vật có xương sống, carbonic anhydrase chuyển hóa CO2 thành bicacbonat và cùng enzym đó chuyển bicacbonat trở lại thành CO2 khi thở qua phổi.[177] Nếu không có enzym này, sự biến đổi này có thể diễn ra chậm hơn khoảng 1 triệu lần[178] đối với máu bình thường có pH là 7 hoặc không thì pH phải 10 hoặc lớn hơn.[179] Anhydrase không liên quan β-carbonic là cần thiết cho sự hình thành lá ở thực vật, sự tổng hợp indole axít acetic (auxin) và hô hấp kị khí (lên men rượu).[180]

Carboxypeptidase tách các liên kết peptit trong quá trình tiêu hóa protein. Liên kết cộng hóa trị phối hợp được tạo ra giữa các peptit đầu cuối và nhóm C=O gắn với kẽm, làm cho cacbon tích điện dương. Yếu tố này giúp tạo ra một hốc kị nước trên enzym gần kẽm, làm hút phần không phân cực của protein bị tiêu hóa.[176]

Các protein khác

Kẽm có vai trò cấu trúc toàn bộ trong cụm, xoắn và ngón tay kẽm.[181] Các kẽm finger tạo thành các bộ phận của một số yếu tố phiên mã (transcription factor), chúng là các protein nhận dạng trình tự DNA trong quá trình phiên mã và sao chép DNA. Mỗi ion Zn2+ thứ 9 hoặc 10 trong ngón tay kẽm giúp duy trình cấu trúc của các ngón tay bằng cách tạo liên kết với 4 amino axít trong nhân tố phiên mã.[178] Yếu tố phiên mã bao bọc xung quanh xoắn DNA và sử dụng các finger của nó để liên kết một cách chính xác với chuỗi DNA.

Trong huyết tương, kẽm bị ràng buộc và bị vận chuyển bởi albumin (60%, ái lực thấp) và transferrin (10%).[170] Vì transferrin cũng vận chuyển sắt, khi lượng sắt tăng quá cao làm giảm khả năng hấp thụ kẽm và ngược lại. Phản ứng tương tự cũng xảy ra đối với đồng.[182] Hàm lượng kẽm trong huyết tương ở mức tương đối ổn định bất kể lượng kẽm tiêu thụ vào là bao nhiêu.[183] Các tế bào trong tuyến nước bọt, tuyến tiền liệt, hệ miễn dịch và ruột sử dụng tín hiệu kẽm như là cách để liên lạc với các tế bào khác.[184]

Kẽm có thể được giữ trong thionein kim loại trong vi sinh vật hoặc trong ruột hoặc gan động vật.[185] Thionein kim loại trong các tế bào ruột có thể điều chỉnh sự hấp thụ kẽm khoảng 15-40%.[186] Tuy nhiên thiếu hoặc thừa kẽm có thể gây hại; đặc biệt thừa kẽm làm giảm hấp thụ đồng do thionein kim loại hấp thụ cả hai kim loại như đã phân tích ở trên.[187]

Chế độ ăn uống

Ở Mỹ, chế độ ăn chỉ định (Recommended Dietary Allowance - RDA) là 8 mg/ngày đối với nữ giới và 11 mg/ngày đối với nam giới.[188] Chế độ ăn trung bình ở Mỹ năm 2000 là 9 mg/ngày đối với nữ giới và 14 mg/ngày đối với nam giới.[189] Hàu, tôm hùm[190] và các loại thịt đỏ, đặc biệt là thịt bò, thịt cừu và gan bò là các thực phẩm có hàm lượng kẽm cao.[172]

Hàm lượng kẽm trong thực vật thay đổi tùy theo hàm lượng nguyên tố này trong đất. Khi đất có đủ lượng kẽm, thực phẩm từ thực vật chứa kẽm nhiều như lúa mì, và các loại hạt khác (mè, anh túc, cỏ linh lăng, cần tây, mù tạc).[191] Các nguồn thức ăn tự nhiên giàu kẽm khác bao gồm: các loại quả có nhân, ngũ cốc nguyên vẹn, hạt bí hay hạt hướng dương.[192]

Các nguồn khác trong thực phẩm tăng cường và chế độ ăn uống bổ sung cũng có nhiều dạng. Một báo cáo năm 1998 kết luận rằng kẽm ôxít, là một trong những chất bổ sung phổ biến nhất ở Mỹ, và kẽm cacbonat là loại gần như không hòa tan và kém được hấp thu trong cơ thể.[193] Bài báo này trích dẫn các nghiên cứu phát hiện rằng các hàm lượng kẽm plasma thấp sau khi ăn kẽm ôxít và kẽm cacbonat so với những trường hợp sau khi tiêu thụ kẽm acetat và kẽm sulfat.[193] Tuy nhiên, bổ sung kẽm vượt mức gây hại là một vấn đề trong số những người tương đối giàu, và có thể không nên vượt quá 20 mg/ngày ở người khỏe mạnh,[194] mặc dù Hội đồng Nghiên cứu quốc gia Hoa Kỳ đưa ra mức trần là 40 mg/ngày.[195]

Tuy nhiên, trong việc tăng cường kẽm, một đánh giá năm 2003 cho rằng kẽm ôxít trong ngũ cốc rẽ, ổn định và dễ hấp thu hơn các loại đắt tiền hơn.[196] Một nghiên cứu năm 2005 phát hiện rằng nhiều hợp chất kẽm bao gồm cả dạng ôxít và sulfat, không cho thấy sự khác biệt đáng kể về thống kê trong việc hấp thụ khi thêm vào bánh ngô.[197] Một nghiên cứu năm 1987 cho thấy rằng kẽm picolinat được hấp thụ tốt hơn so với kẽm gluconat hay kẽm citrat.[198] Tuy nhiên, một nghiên cứu công bố năm 2008 khẳng định rằng kẽm glycinat được hấp thụ tốt nhất trong bốn loại bổ sung kẽm trên thị trường.[199]

Thiếu kẽm

Thiếu kẽm thường là do dinh dưỡng thiếu kẽm, nhưng cũng có thể liên quan đến sự hấp thu kẽm kém, acrodermatitis enteropathica, bệnh gan mãn tính, bệnh thận mãn tính, bệnh hồng cầu hình liềm, tiểu đường, bệnh ác tính và các bệnh mãn tính khác.[7] Các triệu chứng thiếu kẽm nhẹ rất đa dạng.[189] Biểu hiện lâm sàng bao gồm chậm tăng trưởng, tiêu chảy, bất lực và chậm phát dục, rụng tóc, tổn thương da và mắt, giảm cảm giác ngon miệng, thay đổi nhận thức, làm suy giảm khả năng bảo vệ của cơ thể, khiếm khuyết trong việc sử dụng carbohydrat, và sinh quái thai.[183] Thiếu kẽm nhẹ làm giảm miễn dịch,[200] mặc dù dư thừa kẽm cũng giảm miễn dịch.[170] Động vật có chế độ ăn thiếu kẽm thì cần lượng thức ăn tăng gấp đôi để bù lại lượng kẽm so với các động vật được cung cấp đủ kẽm.[125]

Các nhóm có nguy cơ thiếu kẽm bao gồm người già, và những người suy thận. Kẽm chelat phytat được tìm thấy trong hạt và ngũ cốc cám có thể góp phần vào việc kém hấp thu kẽm.[7]

Mặc dù có những lo ngại,[201] nhưng những người ăn chay phương Tây không được phát hiện là thiếu hụt kẽm nhiều so với những người ăn thịt.[202] Các nguồn thực vật cung cấp kẽm như đậu khô, rau biển, ngũ cốc tăng cường, thực phẩm từ đậu nành, đậu phụng, các loại hạt, đậu Hà Lan, mầm hạt.[201] Tuy nhiên, phytat trong nhiều loại hạt và chất xơ trong thực phẩm có thể ảnh hưởng đến việc hấp thụ kẽm và uống kẽm gần giới hạn biên có các hiệu ứng chưa được rõ. Có một vài bằng chứng cho thấy rằng sử dụng lượng kẽm nhiều hơn so với tiêu chuẩn của US RDA (15 mg) hàng ngày có thể là cần thiết cho những người có chế độ ăn uống mà phytat cao, như một số người ăn chay.[201] Việc tính toán này phải được cân đối với thực tế rằng có một lượng ít ỏi các chỉ số sinh học kẽm đầy đủ, và là chỉ số được sử dụng rộng rãi nhất, kẽm plasma, có độ nhạy và độ đặc hiệu kém.[203] Chẩn đoán thiếu kẽm là một thách thức lâu dài.[6]

Thiếu kẽm là trường hợp thiếu vi chất dinh dưỡng phổ biến nhất ở thực vật, đặc biệt là trong đất có độ pH cao. Đất thiếu kẽm được canh tác trong các cánh đồng của phân nửa Thổ Nhĩ Kỳ và Ấn Độ, 1/3 ở Trung Quốc và hầu hết miền Tây Úc, và có những phản hồi đáng kể về việc bổ sung phân kẽm đã được báo cáo ở các khu vực này.[93] Thực vật phát triển trong các loại đất thiếu kẽm dễ bị mắc bệnh hơn. Kẽm về cơ bản được bổ sung vào đất thông qua quá trình phong hóa từ các loại đá, nhưng con người đã đưa kẽm vào trong đất qua quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, chất thải mỏ, phân lân, đá vôi, phân, bùn thải và các hạt từ các bề mặt mạ kẽm. Kẽm dư thừa là chất độc đối với cây, mặc dù độ độc của kẽm ít phổ biến.[93]

Gần 2 tỉ người ở các nước đang phát triển bị thiếu kẽm.[7] Ở trẻ em, thiếu kẽm làm gia tăng nhiễm trùng và tiêu chảy làm khoảng 800.000 trẻm em thiệt mạng mỗi năm trên toàn cầu.[6] WHO có chủ trương bổ sung kẽm cho trẻ suy dinh dưỡng nặng và tiêu chảy.[204] Bổ sung kẽm giúp ngăn ngừa bệnh tật và giảm tử vong, đặc biệt là trẻ em sinh thiếu cân hoặc chậm phát triển.[204] Tuy nhiên, bổ sung kẽm không nên được phân phối một cách riêng lẻ vì một số trường hợp thiếu kẽm ở các quốc gia đang phát triển có thể liên quan đến sự tương tác của kẽm với các vi chất dinh dưỡng khác.[205]