Kalcij: definicija, sinteza, apsorpcija, transport i distribucija

Kalcij je kemijski element sa simbolom elementa Ca i atomskim brojem 20. Pripada skupini zemnoalkalijskih metala i peti je element po zastupljenosti na Zemlji. Kalcij predstavlja esencijalni (vitalni) mineral za ljude i javlja se u organizmu isključivo kao dvovalentni kation (Ca2 +).

Apsorpcija

Hrana vezana kalcijum mora se prvo osloboditi probavnim sokovima u gastrointestinalnom traktu (GI trakt) da bi se potom apsorbirali (uzeli) u tankog crijeva, prvenstveno u dvanaesnika (duodenum) i proksimalni jejunum (gornji jejunum). Apsorpcija javlja se transcelularno (masa transport kroz epitelne stanice crijeva) aktivnim mehanizmom slijedeći kinetiku zasićenja pri malom do normalnom unosu kalcija i dodatno paracelularno (prijenos mase kroz intersticijske prostore crijevnih epitelnih stanica) pasivnom difuzijom duž elektrokemijskog gradijenta pri visokim unosima. Pasivno crijevno apsorpcija, koji se javlja u crijevnom traktu, uključujući i debelo crijevo (debelo crijevo), nije ni približno toliko učinkovit u usporedbi s aktivnim mehanizmom resorpcije, zbog čega se ukupna apsorbirana količina povećava u apsolutnom iznosu s porastom kalcija doza, ali se relativno smanjuje. Dok je aktivan transcelularni kalcij apsorpcija regulirano je paratiroidni hormon (PTH, peptidni hormon sintetiziran u paratireoidna žlijezda) I kalcitriol (fiziološki aktivan oblik vitamina D3, 1,25-dihidroksilholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3),), pasivna paracelularna difuzija ostaje pod utjecajem hormoni popisana. Regulacija resorpcije transepitelnog kalcija pomoću PTH i kalcitriol, odnosno detaljnije se raspravlja u nastavku. U enterocitima (stanice tankog crijeva epitelijum), kalcij je vezan za specifični protein koji se veže za kalcij (transport), zvan kalbindin, koji transportira kalcij kroz enterocite do bazolaterala (daleko od crijeva) stanična membrana. 1,25- (OH) 2-D3 dovodi do receptorom posredovane stimulacije unutarstanične (unutar stanice) ekspresije kalbindina. Kalcij ulazi u krvotok pomoću transmembranske Ca2 + -ATPaze (transportni sustav koji djeluje pod energijom i adenozin potrošnja trifosfata (ATP)) i nosač izmjene Ca2 + / 3 Na + (transporter kalcija vođen gradijentom Na +). Stopa apsorpcije kalcija ovisi o raznim čimbenicima i varira između 15% i 60%. Nakon dojenačke dobi, apsorpcija kalcija pokazuje najveću učinkovitost u pubertetu (~ 60%), a zatim se smanjuje na 15-20% u odrasloj dobi. Sljedeći čimbenici inhibiraju apsorpciju kalcija, uključujući stvaranje kompleksa:

Sljedeći čimbenici potiču apsorpciju kalcija:

  • Istodobna apsorpcija kalcija s hranom
  • Raspodjela u nekoliko pojedinačnih doza dnevno
  • 1,25-Dihidroksilkolekalciferol (1,25- (OH) 2-D3) - potiče unutarćelijsku sintezu kalbindina.
  • Lako apsorbirani šećeri, poput laktoza (mlijeko šećer).
  • Mliječna kiselina
  • Limunska kiselina
  • Aminokiseline
  • Kazeinski fosfopeptidi
  • Neupijajući ugljikohidrati, kao što su inulin, fruktooligosaharidi i laktuloza, koji se bakterijski fermentiraju u kratkolančane masne kiseline u ileumu (donje tanko crijevo) i debelom crijevu (debelo crijevo) → rezultirajući pad pH u lumenu crijeva dovodi do povećano oslobađanje vezanog kalcija, ostavljajući više slobodnog kalcija na raspolaganju za pasivnu apsorpciju

Za vrijeme trudnoća, povećana je apsorpcija kalcija - posredovana PTH i kalcitriol, odnosno - za prilagodbu dnevnog prijenosa kalcija preko posteljica (placenta) do fetus (nerođeno dijete), što u prosjeku iznosi 250 mg u 3. tromjesečju (XNUMX trudnoća). Uz povećani crijevni (crijevovezana) apsorpcija kalcija, dodatni zahtjev trudnice zadovoljava se povećanim oslobađanjem kalcija iz kostura nakon 1. tromjesečja. U usporedbi s trudnicama, gubici kalcija s mlijeko, koji se kreću od 250 do 350 mg / dan, u dojilja se nadoknađuju povećanom mobilizacijom kalcija samo iz kosti, što rezultira 5% kostiju masa gubitak nakon šest mjeseci laktacije. Međutim, unutar 6-12 mjeseci nakon odbića dolazi do obnavljanja kosti bez obzira na administraciju kalcija dodataka-pod pretpostavkom da je unos kalcija dovoljan.

Transport i raspodjela u tijelu

Sadržaj kalcija u ljudskom tijelu iznosi oko 25-30 g (0.8% tjelesne težine) pri rođenju i oko 900-1,300 g (do 1.7% tjelesne težine) u odrasloj dobi. Oko 99% ukupnog tjelesnog kalcija izvanstanično je (izvan stanica) u koštanom sustavu, uključujući zube, gdje se pretežno skladišti u vezanom obliku kao nerastvoreni kalcij fosfat ili hidroksiapatit (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2). U kostima kalcij čini približno 39% ukupnog sadržaja minerala. Tek nešto manje od 1% ukupnog tijela masa kalcija je lokaliziran u drugim tjelesnim tkivima (~ 7 g) i tjelesne tekućine (~ 1 g). Dakle, unutarćelijski udio kalcija je 10,000 XNUMX puta manji od izvanstaničnog udjela kalcija. Za održavanje koncentracija gradijent između izvanstaničnog i unutarstaničnog kalcija, stanična membrana je uglavnom nepropusna (nepropusna) za kalcij u uvjetima odmora. Uz to postoje transmembranski pumpni ili transportni sustavi, poput Ca2 + -ATPaza (Ca2 + transporteri koji rade pod potrošnjom ATP-a) i Ca2 + / 3 Na + izmjenjivači (Ca2 + transporteri vođeni gradijentom Na +), koji transportiraju kalcij iz stanice. U membranama endoplazmatskog retikuluma (ER, bogato razgranati kanalski sustav planarnih šupljina u eukariotskim stanicama) nalaze se specifične Ca2 + -ATPaze, takozvane SERCA (sarko- / endoplazmatični retikulum Ca2 + -ATPaze), koje oboje mogu pumpati kalcij iz citosola u ER - unutarstanično skladištenje - i transportirajte mineral natrag u citosol za stanične funkcije nakon stimulacije stanice s odgovarajućim podražajima koji motiviraju kalcij. Tri različite frakcije kalcija mogu se razlikovati u krv. Ionizirani, slobodni kalcij tvori najveću frakciju s oko 50%, nakon čega slijedi protein- (album-, globulin-) vezani kalcij (40-45%) i kalcij u kompleksu s ligandima niske molekulske mase, poput citrata, fosfat, sulfat i bikarbonat (5-10%). I nedostatak proteina i pomak pH utječu na međusobni omjer frakcija kalcija. Na primjer, acidoza (krv pH <7.35) dovodi do smanjenja i alkaloza (krv pH> 7.45) do povećanog vezanje na proteine serumskog kalcija, što rezultira odgovarajućim povećanjem ili smanjenjem udjela slobodnog, ioniziranog kalcija u serumu - za približno 0.21 mmol / l Ca2 + po pH jedinici. Jonizirana frakcija slobodnog kalcija (1.1-1.3 mmol / l) predstavlja biološki aktivan oblik i homeostatički se kontrolira pomoću paratiroidni hormon1,25- (OH) 2-D3 i kalcitonin (peptidni hormon sintetiziran u C stanicama štitnjače) (vidi dolje). Dakle, ukupni kalcij u serumu koncentracija održava se konstantnom u relativno uskom rasponu (2.25-2.75 mmol / l).

izlučivanje

Kalcij se pretežno izlučuje mokraćom i izmetom (stolicom), a neznatno u znoj. Bubrežni (bubregPovezana količina kalcija koja se eliminira u normalnim uvjetima manja je od 4 mg / kg tjelesne težine dnevno ili manja od 300 mg / dan u muškaraca i manja od 250 mg / dan u žena. Bubrežno izlučivanje kalcija rezultat je glomerularne filtracije i tubularne reapsorpcije (reapsorpcija kroz bubrežne tubule), koja se javlja pasivno u proksimalnom tubulu (glavni dio bubrežnih tubula) i aktivno u distalnom tubulu (srednji dio bubrežnih tubula) - kontrolirano PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 i kalcitonin - i čini više od 98% filtrirane količine. To ilustrira da bubreg igra presudnu ulogu u homeostazi kalcija ili održavanju konstantne razine kalcija u serumu. Sljedeći čimbenici potiču izlučivanje kalcija kroz bubrege:

  • Povećanje oralnog unosa kalcija, na primjer, dodacima (npr. Prehrambenim dodataka).
  • Kofein - u kava, zelena i crni čaj, Itd
  • Natrij - kao sastojak kuhinjske soli (natrij kloridNaCl); za svaka 2 g prehrambene hrane natrij, U mokraći se izgubi 30-40 mg kalcija.
  • Povećan unos proteina - i životinjskih i biljnih proteina; 1 g proteina povećava izlučivanje kalcija kroz bubrege za 0.5-1.5 mg
  • Povećani unos fosfata - u kobasicama, topljenom siru, bezalkoholnim pićima itd .; omjer kalcij-fosfata u dijeta od 1: 1.0-1.2 smatra se optimalnim
  • Povećan unos alkohola
  • kroničan acidoza (pH krvi <7.35)

Idiopatska hiperkalciurija (nefiziološki visok mokraćni kalcij koncentracija,> 4 mg kalcija / kg tjelesne težine / dan) posljedica je genetske abnormalnosti s promjenjivom ekspresijom u kojoj je uzrok nepoznat - apsorpcijski (utječe na crijeva), bubrežni (utječe na bubrege) ili nutritivni. Pojedinci s idiopatskom hiperkalciurijom, kojima je povećan rizik od urolitijaze (formiranje bubreg kamenje) u usporedbi sa zdravim osobama pokazuju veću osjetljivost na sol (sinonimi: osjetljivost na sol; osjetljivost na fiziološku otopinu; osjetljivost na slanu otopinu) od ljudi s normalnim rizikom za bubrežni kamenci. Ograničenje fiziološkom otopinom i proteinima dovodi do normalizacije izlučivanja kalcija kroz bubrege kod hiperkalciuričnih bolesnika. Kalcij koji se izlučuje (izlučuje) u gastrointestinalni trakt podliježe 85% -tnoj crijevnoj reapsorpciji (reapsorpciji). Preostalih 15% (18-224 mg / dan) gubi se s fecesom (stolicom). Gubici kalcija u znoju procjenjuju se na 4-96 mg / dan, uz obvezne gubitke u rasponu od 3 do 40 mg / dan.

Hormonska regulacija homeostaze kalcija

Budući da kalcij igra središnju ulogu u brojnim vitalnim funkcijama u ljudskom organizmu, održavanje izvanćelijske koncentracije ioniziranog slobodnog kalcija je neophodno. Ionizirani slobodni kalcij u serumu međusobno je povezan s različitim dijelovima kalcija - kostima, tankog crijeva, bubreg - i složenim hormonskim regulatornim sustavom održava ga konstantnim u uskim granicama. Sljedeći hormoni sudjeluju u regulaciji metabolizma kalcija:

  • Paratiroidni hormon
  • Kalcitriol (1,25-dihidroksilkolekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • kalcitonin

Korištenje električnih romobila ističe hormoni navedeni utječu na apsorpciju kalcija u crijevima, izlučivanje kalcija kroz bubrege i oslobađanje ili unos kalcija u kosti. U slučaju manjih odstupanja izvanstanične koncentracije slobodnog kalcija, obično su dovoljni crijevni i bubrežni kompenzacijski mehanizmi. Tek kad ovi regulatorni mehanizmi propadnu, kalcij se oslobađa iz kostura, što rezultira gubitkom koštane mase povezanim s slabljenjem mehaničke stabilnosti kosti. Promjene u izvanstaničnoj koncentraciji slobodnog kalcija osjeti se pomoću specifične membrane proteini nazvani senzori za kalcij, koji pripadaju natporodici 7-puta membranski propusnih receptora povezanih s G-proteinima. Receptori specifični za kalcij uglavnom se eksprimiraju paratireoidnim stanicama koje PTH oslobađaju ovisno o kalciju, C stanicama štitnjače koje luče kalcitonin na kalcij ovisan način i putem bubrežnih stanica koje sintetiziraju aktivni 1,25- (OH) 2-D3 na kalcijem ovisan način. Uz to, senzori za kalcij mogu se otkriti i na brojnim drugim vrstama stanica, poput osteoklasta (stanice koje resorbiraju kosti) i enterocita (stanice epitelnog crijeva). Pretpostavlja se da preko kalcijem osjetljivih receptora ovisi o kalcijumu modulacija (povećanje) učinka hormoni PTH, kalcitriol i kalcitonin odvijaju se na razini ciljnih stanica - kosti, tankog crijeva, stanice bubrega. Izvanćelijska koncentracija slobodnog kalcija niska - paratiroidni hormon i kalcitriol.

Kada razina kalcija u serumu padne - kao rezultat neadekvatnog unosa ili povećanih gubitaka - PTH se sve više sintetizira (formira) u paratireoidnim stanicama i izlučuje (izlučuje) u krvotok. PTH dolazi do bubrega, gdje stimulira ekspresiju 1-alfa-hidroksilaze i na taj način sintezu 1,25- (OH) 2-D3, biološki aktivnog oblika Vitamin D. Na kosti PTH i 1,25- (OH) 2-D3 potiču aktivnost osteoklasta, koji dovesti do resorpcije (razgradnje) koštane tvari. Kalcij se potom oslobađa iz kosti i oslobađa u izvanstanični prostor. Budući da se kalcij skladišti u koštanom sustavu u obliku hidroksiapatita (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), fosfatni se ioni istodobno mobiliziraju iz kostiju - uska korelacija (veza) metabolizma kalcija i fosfata. Na granici membrane četkice proksimalnog tankog crijeva, kalcitriol potiče i aktivnu transcelularnu apsorpciju kalcija i reapsorpciju fosfata i transport kalcija i fosfata u izvanstanični prostor. U bubrezima PTH povećava tubularnu reapsorpciju kalcija, dok inhibira reapsorpciju tubularnog fosfata. Konačno, dolazi do povećanog izlučivanja fosfata putem bubrega, što je povećalo nakupljanje zbog mobilizacije kalcijevog fosfata iz kostiju i reapsorpcije iz crijeva. Smanjenje razine serumskog fosfata, s jedne strane, sprječava taloženje kalcijevog fosfata u tkivima, a s druge strane potiče oslobađanje kalcija iz kostiju - u korist koncentracije kalcija u serumu. Rezultat učinaka PTH i kalcitriola na međupodjelične pokrete kalcija pri niskim razinama serumskog kalcija je povećanje i normalizacija izvanstanične koncentracije slobodnog kalcija. Dugotrajno povišena razina 1,25- (OH) 2-D3 u serumu dovesti na inhibiciju sinteze i proliferacije PTH (rast i proliferacija) paratireoidnih stanica - negativne povratne informacije. Ovaj se mehanizam odvija putem receptora vitamina D3 paratireoidnih stanica. Ako kalcitriol zauzme ove receptore specifične za sebe, vitamin može utjecati na metabolizam ciljnog organa. Visoka izvanstanična koncentracija slobodnog kalcija - kalcitonin

Povećanje izvanstaničnog ioniziranog kalcija uzrokuje da stanice C štitnjače sintetiziraju i izlučuju (izlučuju) više kalcitonina. Kalcitonin inhibira aktivnost osteoklasta na kosti, a time i razgradnju koštanog tkiva, što pospješuje taloženje kalcija u kosturu. Istodobno, peptidni hormon potiče bubrežno izlučivanje kalcija. Kroz ove mehanizme kalcitonin dovodi do smanjenja koncentracije kalcija u serumu. Kalcitonin predstavlja izravnog antagonista (protivnika) PTH. Dakle, kada se poveća izvanstanični slobodni kalcij, sinteza i izlučivanje PTH iz paratireoidna žlijezda i smanjena je proizvodnja bubrega izazvanog PTH 1,25- (OH) 2-D3. To rezultira smanjenom mobilizacijom kalcijevog fosfata iz kosti, smanjenom reapsorpcijom kalcija u crijevima i smanjenom tubularnom reapsorpcijom kalcija, a time i povećanim izlučivanjem kalcija kroz bubrege. Rezultat, u skladu s Mehanizam djelovanja kalcitonina, smanjenje je izvanstanične koncentracije slobodnog kalcija i normalizacija razine kalcija u serumu.

Ravnoteža kalcija

Kalcij uravnotežiti ovisi o dobi. Tijekom faze rasta u djetinjstvo i adolescencija, pod pretpostavkom odgovarajućeg unosa kalcija, postoji pozitivan kalcij uravnotežiti, s više kalcija koji tijelo apsorbira nego što ga eliminiraju bubrezi i crijeva. Povećana aktivnost osteoblasta (stanica koje tvore kosti) dovodi do povećanog skladištenja kalcija u koštanoj tvari, a time i do povećanog skladištenja kalcija. Maksimalna mineralna masa ili vrhunac kosti gustoća kostiju pretežno se stječe tijekom adolescencije i mlade zrele dobi. Dakle, djevojčice odnosno žene imaju oko 90% ukupnog sadržaja minerala u kosturu u dobi od 16.9 ± 1.3 godine, a oko 99% u dobi od 26.2 ± 3.7 godine. Kod dječaka i kod muškaraca može se primijetiti kašnjenje od oko 1.5 godine. U pravilu, vrhunska koštana masa doseže se otprilike do 30. godine. Sadržaj minerala u kosti samo neodgovarajuće karakterizira stvarnu kost snaga. Umjesto toga, određuju ga faktori poput tjelesne aktivnosti, mišićne mase, građe tijela i veličine. Od 30. godine postoji ravnotežni kalcij uravnotežiti tijekom nekoliko desetljeća života, pri čemu količina kalcija koju tijelo apsorbira korelira s količinom kalcija koji se izlučuje bubrežno i fekalno. Primjerice, s unosom kalcija od 1,000 mg, približno 200 mg se apsorbira, a oko 200 mg eliminira putem bubrega, dok se 250-500 mg oslobađa iz kosti i ponovno apsorbira kao dio procesa preoblikovanja. Da bi se spriječilo da ravnoteža kalcija postane negativna, treba paziti na dovoljan unos kalcija u prehrani. Unatoč uravnoteženom metabolizmu kalcija, gustoća kostiju kontinuirano opada od 30. godine života. U zdravih ljudi gubitak mineralne mase kostiju iznosi oko 1% godišnje. Uzrok gubitka koštane mase s povećanjem dobi je povećana aktivnost osteoklasta (stanica koje razgrađuju kosti), što je popraćeno povećanom razgradnjom koštanog tkiva i povećanim oslobađanjem kalcija iz kosti. Konačno, više se kalcija izlučuje mokraćom i izmetom nego što ga apsorbiraju tanko crijevo i kosti. Starije osobe stoga imaju negativnu ravnotežu kalcija. Konkretno, koštana masa se progresivno smanjuje u žena u postmenopauzi (menopauza; menopauza u žena) zbog promijenjenog statusa estrogena. Kao rezultat studija, kod žena na bedrenoj kosti može se primijetiti početak gubitka kosti i mineralne tvari vrat od 37. godine, a na kralježnici od 48. godine. Žene u postmenopauzi stoga imaju povećan rizik od razvoja osteoporoza (gubitak kostiju). Što je niža “vršna koštana masa”, to je veći rizik od osteoporoza. Studije na ženama u postmenopauzi pokazale su da je razina oralnog unosa kalcija usko povezana s rizikom od prijeloma kuka. Kalcij administraciju od 800-1,000 mg / dan rezultiralo je smanjenom aktivnošću osteoklasta u ispitanika, što je zaustavilo koštanu resorpciju ili gubitak koštane mase i smanjilo prijelom učestalost.