Метаболизм кальция

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Тело регулирует гомеостаз ионов кальция двумя путями: первый используется когда концентрация Ca2+ ниже нормы, а второй- когда она выше нормы.
Движение и регуляция ионов кальция и жидкостей организма при их поступлении и выведении

Метаболизм кальция — это перемещение и регуляция ионов кальция (Ca2+) при их поступлении в организм (через кишечник), выведении из него (через кишечник и почки) и обмене между компартментами организма: плазма крови, внеклеточной и внутриклеточной жидкостями, а также костной тканью. Кости действуют как центр хранения кальция для его отложения и извлечения по мере необходимости для крови посредством непрерывного ремоделирования костной ткани.[1]:276–277

Важным аспектом метаболизма кальция является гомеостаз кальция в плазме крови — регуляция уровня ионов кальция в плазме крови в узких пределах.[2] Уровень кальция в плазме регулируется гормонами паратгормоном (ПТГ) и кальцитонином. ПТГ высвобождается главными клетками паращитовидных желез, когда уровень кальция в плазме падает ниже нормы, чтобы повысить его; кальцитонин высвобождается парафолликулярными клетками щитовидной железы, когда уровень кальция в плазме превышает норму, чтобы снизить его.

Содержание в компартментах организма[править]

Кальций является самым распространенным минералом в организме человека.[3] В организме среднего взрослого человека содержится в общей сложности около 1 кг кальция, 99% которого находится в скелете в виде солей фосфата кальция.[3] Внеклеточная жидкость (ВКЖ) содержит примерно 22 ммоль, из которых около 9 ммоль находится в плазме крови.[4] Примерно 10 ммоль кальция обменивается между костной тканью и ВКЖ в течение двадцати четырех часов.[5]

Концентрация в крови[править]

Концентрация ионов кальция внутри клеток (во внутриклеточной жидкости) более чем в 7000 раз ниже, чем в плазме крови (т.е. <0,0002 ммоль/л по сравнению с 1,4 ммоль/л в плазме).

Нормальный уровень в плазме[править]

Концентрация общего кальция в плазме находится в диапазоне 2,2–2,6 ммоль/л (9–10,5 мг/дл), а нормальный уровень ионизированного кальция составляет 1,3–1,5 ммоль/л (4,5–5,6 мг/дл).[4] Количество общего кальция в крови варьируется в зависимости от уровня альбумина плазмы — самого распространенного белка в плазме и, следовательно, основного переносчика связанного с белками кальция в крови. Однако биологический эффект кальция определяется количеством ионизированного кальция, а не общего. Поэтому именно уровень ионизированного кальция в плазме строго регулируется гомеостатическими системами отрицательной обратной связи, чтобы оставаться в очень узких пределах.

От 35 до 50% кальция в плазме связано с белками, а 5–10% находится в виде комплексов с органическими кислотами и фосфатами. Остальная часть (50–60%) ионизирована. Ионизированный кальций можно определить напрямую с помощью колориметрии или считать по номограммам, хотя полезность последних ограничена, когда pH и содержание белка в плазме сильно отклоняются от нормы.[4]

Функции[править]

 → Кальций в биологии

Кальций выполняет несколько основных функций в организме.

Связывание с сывороточными белками[править]

Он легко связывается с белками, особенно с теми, аминокислоты которых имеют боковые цепи, оканчивающиеся карбоксильными (-COOH) группами (например, остатки глутамата). Когда происходит такое связывание, электрические заряды на белковой цепи изменяются, что приводит к изменению третичной структуры (т.е. трехмерной формы) белка. Хорошим примером этого являются несколько факторов свертывания в плазме крови, которые не функционируют в отсутствие ионов кальция, но становятся полностью функциональными при добавлении правильной концентрации солей кальция.

Потенциал-зависимые натриевые каналы[править]

[[1]|потенциал-зависимые натриевые]] каналы в клеточных мембранах нервов и мышц особенно чувствительны к концентрации ионов кальция в плазме.[6] Относительно небольшое снижение уровня ионизированного кальция в плазме (гипокальциемия) приводит к тому, что эти каналы пропускают натрий в нервные клетки или аксоны, делая их гипервозбудимыми (положительный батмотропный эффект), что вызывает спонтанные мышечные спазмы (тетанию) и парестезию (ощущение «мурашек») в конечностях и вокруг рта.[7] Когда уровень ионизированного кальция в плазме поднимается выше нормы (гиперкальциемия), больше кальция связывается с этими натриевыми каналами, оказывая на них отрицательный батмотропный эффект, что вызывает вялость, мышечную слабость, анорексию, запоры и эмоциональную лабильность.[7]

Внутриклеточная передача сигналов[править]

Поскольку внутриклеточная концентрация ионов кальция чрезвычайно низка (см. выше), поступление мельчайших количеств ионов кальция из эндоплазматического ретикулума или из внеклеточных жидкостей вызывает быстрые, очень заметные и легко обратимые изменения относительной концентрации этих ионов в цитозоле. Таким образом, это может служить очень эффективным внутриклеточным сигналом (или «вторичным мессенджером») в различных обстоятельствах, включая мышечное сокращение, высвобождение гормонов (например, инсулина из бета-клеток островков поджелудочной железы) или нейромедиаторов (например, ацетилхолина из пресинаптических окончаний нервов) и другие функции.

Кости[править]

Кальций структурно действует как опорный материал в костях в виде гидроксиапатита кальция (Ca10(PO4)6(OH)2).

Мышцы[править]

В скелетных и сердечной мышцах ионы кальция, высвобождаемые из саркоплазматического ретикулума (эндоплазматического ретикулума поперечно-полосатых мышц), связываются с белком тропонином С, присутствующим на содержащих актин тонких филаментах миофибрилл. В результате трехмерная структура тропонина изменяется, заставляя тропомиозин, к которому он прикреплен, смещаться от участков связывания миозина на молекулах актина, образующих основу тонких филаментов. Затем миозин может связываться с открытыми участками связывания миозина на тонком филаменте, чтобы пройти повторяющуюся серию конформационных изменений, называемую циклом поперечных мостиков, энергию для которого обеспечивает АТФ. Во время этого цикла каждый белок миозина «гребет» вдоль тонкого актинового филамента, многократно связываясь с участками связывания миозина вдоль актинового филамента, подтягиваясь и отпуская. В результате толстый филамент движется или скользит вдоль тонкого филамента, что приводит к мышечному сокращению. Этот процесс известен как модель скользящих нитей мышечного сокращения.[8][9][10][11][12]

Источники[править]

Не весь кальций, поступающий с пищей, легко усваивается в кишечнике. Наиболее легко усваиваемый кальций содержится в молочных продуктах (72%), овощах (7%), зерновых (5%), бобовых (4%), фруктах (3%), белковых продуктах (3%). Кальций, содержащийся в растительной пище, часто образует комплексы с фитатами,[13] оксалатами,[14] цитратами и другими органическими кислотами, такими как длинноцепочечные жирные кислоты (например, пальмитиновая кислота), с которыми кальций связывается, образуя нерастворимые кальциевые мыла.[15]

Депонирование в костях[править]

Поток кальция в кости и из них может быть положительным, отрицательным или нейтральным. Когда он нейтрален, за день в обмене участвует около 5–10 ммоль. Кости служат важным депо кальция, так как в них содержится 99% всего кальция в организме. Высвобождение кальция из костей регулируется паратгормоном (ПТГ) в сочетании с кальцитриолом, вырабатываемым в почках под воздействием ПТГ. Кальцитонин (гормон, секретируемый щитовидной железой, когда уровень ионизированного кальция в плазме высок или повышается; не путать с «кальцитриолом», который вырабатывается в почках) стимулирует включение кальция в костную ткань.

Всасывание в кишечнике[править]

Обычный рацион взрослого человека содержит около 25 ммоль кальция в день. Из них в организме усваивается только около 5 ммоль в день (см. ниже).[16]

Vitamin D synthesis metabolism pathway WikiPathways WP1531.svg

Реабсорбция[править]

Кишечник[править]

Поскольку около 15 ммоль кальция в день выделяется в кишечник с желчью,[4] общее количество кальция, поступающего в двенадцатиперстную и тонкую кишку каждый день, составляет около 40 ммоль (25 ммоль с пищей плюс 15 ммоль с желчью), из которых в среднем 20 ммоль всасывается (обратно) в кровь. В результате из кишечника всасывается примерно на 5 ммоль больше кальция, чем выделяется в него с желчью. Если нет активного формирования костей (как в детстве) или повышенной потребности в кальции во время беременности и лактации, эти 5 ммоль кальция, всасываемые из кишечника, компенсируют потери с мочой, которые регулируются лишь частично.[16]

Почки[править]

Почки фильтруют 250 ммоль ионов кальция в день в первичную мочу (или клубочковый фильтрат) и реабсорбируют 245 ммоль, что приводит к чистой средней потере с мочой около 5 ммоль/сут. Количество ионов кальция, выделяемых с мочой за день, частично зависит от уровня паратгормона (ПТГ) в плазме: высокие уровни ПТГ снижают скорость выведения ионов кальция, а низкие — повышают.[note 1] Однако паратгормон оказывает большее влияние на количество фосфат-ионов (HPO42−), выделяемых с мочой.[17] Фосфаты образуют нерастворимые соли в сочетании с ионами кальция. Следовательно, высокие концентрации HPO42− в плазме снижают уровень ионизированного кальция во внеклеточных жидкостях. Таким образом, выведение с мочой большего количества фосфатов, чем ионов кальция, повышает уровень ионизированного кальция в плазме, даже если общая концентрация кальция может быть снижена.

Почки влияют на концентрацию ионизированного кальция в плазме и другим способом. Они перерабатывают витамин D3 в кальцитриол — активную форму, которая наиболее эффективно способствует всасыванию кальция в кишечнике. Этому превращению витамина D3 в кальцитриол также способствуют высокие уровни паратгормона в плазме.[18][19]

Экскреция[править]

Кишечник[править]

Большая часть избытка кальция выводится с желчью и калом, поскольку уровень кальцитриола в плазме (который в конечном итоге зависит от уровня кальция в плазме) регулирует, какое количество кальция из желчи реабсорбируется из содержимого кишечника.

Почки[править]

Экскреция кальция с мочой в норме составляет около 5 ммоль (200 мг) в день. Это меньше по сравнению с тем, что выводится с калом (15 ммоль/день).

Регуляция[править]

Файл:Calcium regulation.png
Регуляция кальция в организме человека.[20]

Концентрация ионизированного кальция в плазме регулируется в узких пределах (1.3–1.5 ммоль/л). Это достигается за счет того, что парафолликулярные клетки щитовидной железы и паращитовидные железы постоянно улавливают (т.е. измеряют) концентрацию ионов кальция в протекающей через них крови.

Высокий уровень в плазме[править]

Когда концентрация кальция повышается, парафолликулярные клетки щитовидной железы увеличивают секрецию кальцитонина, полипептидного гормона, в кровь. В то же время паращитовидные железы снижают секрецию паратгормона (ПТГ), также являющегося полипептидным гормоном, в кровь. В результате высокий уровень кальцитонина в крови стимулирует остеобласты в костях извлекать кальций из плазмы крови и откладывать его в костной ткани.

Сниженный уровень ПТГ тормозит выведение кальция из скелета. Низкий уровень ПТГ имеет и ряд других эффектов: увеличивается потеря кальция с мочой, но, что более важно, подавляется потеря фосфат-ионов с мочой. Поэтому фосфат-ионы задерживаются в плазме, где они образуют нерастворимые соли с ионами кальция, тем самым удаляя их из пула ионизированного кальция в крови. Низкий уровень ПТГ также подавляет образование кальцитриола (не путать с кальцитонином) из холекальциферола (витамина D3) в почках.

Низкий уровень в плазме[править]

Когда уровень ионизированного кальция в плазме низкий или падает, происходит обратное. Секреция кальцитонина подавляется, а секреция ПТГ стимулируется, в результате чего кальций выводится из костей для быстрого восстановления уровня кальция в плазме. Высокий уровень ПТГ в плазме препятствует потере кальция с мочой, одновременно стимулируя выведение фосфат-ионов этим же путем. Они также стимулируют выработку почками кальцитриола (стероидного гормона), который повышает способность клеток, выстилающих кишечник, всасывать кальций из содержимого кишечника в кровь за счет стимуляции выработки кальбиндина в этих клетках. Стимулированная ПТГ выработка кальцитриола также вызывает высвобождение кальция из костей в кровь за счет высвобождения RANKL (цитокина или местного гормона) из остеобластов, что повышает активность резорбции кости остеокластами. Однако это относительно медленные процессы[2][5][17][21][22]

Таким образом, быстрая краткосрочная регуляция уровня ионизированного кальция в плазме в первую очередь включает быстрое перемещение кальция в скелет или из него. Долгосрочная регуляция достигается путем регулирования количества кальция, всасываемого из кишечника или теряемого с калом.[2][5][21][22]

Нарушения[править]

 → Нарушения обмена кальция

Гипокальциемия (низкий уровень кальция в крови) и гиперкальциемия (высокий уровень кальция в крови) являются серьезными медицинскими нарушениями. Остеопороз, остеомаляция и рахит — это заболевания костей, связанные с нарушениями обмена кальция и действием витамина D. Почечная остеодистрофия является следствием хронической почечной недостаточности, связанной с метаболизмом кальция.

Диета, достаточно богатая кальцием, может уменьшить потерю кальция из костей в пожилом (постменопаузальном) возрасте.[23] Низкое потребление кальция с пищей может быть фактором риска развития остеопороза в более позднем возрасте; а диета с постоянным достаточным количеством кальция может снизить риск развития остеопороза.

Исследования[править]

Роль, которую кальций может играть в снижении заболеваемости колоректальным раком, была предметом многих исследований. Однако, учитывая его скромную эффективность, в настоящее время нет медицинских рекомендаций по использованию кальция для профилактики рака.

См. также[править]

Сноски[править]

  1. ↑ Основным фактором, определяющим количество кальция, выделяемого с мочой за день, является концентрация ионизированного кальция в плазме. Концентрация паратгормона (ПТГ) в плазме лишь увеличивает или уменьшает количество выделяемого кальция при любой заданной концентрации ионизированного кальция в плазме. Таким образом, при первичном гиперпаратиреозе количество кальция, выделяемого с мочой за день, увеличивается, несмотря на высокий уровень ПТГ в крови. Это связано с тем, что гиперпаратиреоз приводит к гиперкальциемии, которая увеличивает концентрацию кальция в моче (гиперкальциурия), несмотря на умеренно повышенную скорость реабсорбции кальция из почечных канальцев, вызванную действием ПТГ на эти канальцы. Поэтому камни в почках часто являются первым признаком гиперпаратиреоза, особенно потому, что гиперкальциурия сопровождается увеличением экскреции фосфатов с мочой (прямой результат высокого уровня ПТГ в плазме). Вместе кальций и фосфат имеют тенденцию выпадать в осадок в виде нерастворимых в воде солей, которые легко образуют твердые «камни».

Примечания[править]

  1. ↑ Marieb, Elaine (2000), «Essentials of human anatomy and physiology», San Francisco: Benjamin Cummings, ISBN 978-0805349405 
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Brini Marisa, Ottolini Denis Chapter 4. Calcium in Health and Disease // Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases. — Springer, 2013. — Т. 13. — P. 81–137. — ISBN 978-94-007-7499-5.
  3. ↑ 3,0 3,1 Peacock, Munro (2010-01-01). «Calcium Metabolism in Health and Disease» (en). Clinical Journal of the American Society of Nephrology 5 (Supplement 1): S23–S30. DOI:10.2215/CJN.05910809. ISSN 1555-9041. PMID 20089499.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Scientific Tables. — Seventh. — Basel: Ciba-Geigy Limited. — Т. 565. — P. 653–654. — ISBN 978-3-9801244-0-9.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Marshall W. J. Clinical Chemistry. — 3rd. — London: Mosby, 1995. — ISBN 978-0-7234-2190-0.
  6. ↑ (Mar 1999) «Calcium block of Na+ channels and its effect on closing rate». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96 (7): 4154–7. DOI:10.1073/pnas.96.7.4154. PMID 10097179. Bibcode: 1999PNAS...96.4154A.
  7. ↑ 7,0 7,1 Principles of Internal Medicine. — third. — New York: McGraw-Hill Book Company. — P. 170, 571–579.
  8. ↑ Silverthorn Dee Unglaub Muscles // Human Physiology: An Integrated Approach. — 7th. — San Francisco, CA: Pearson. — P. 377–416. — ISBN 978-0-321-98122-6.
  9. ↑ (June 2004) «The sliding filament model: 1972-2004». The Journal of General Physiology 123 (6): 643–56. DOI:10.1085/jgp.200409089. PMID 15173218.
  10. ↑ (January 2002) «Stretching the lever-arm theory». Nature 415 (6868): 129–31. DOI:10.1038/415129a. PMID 11805818. Bibcode: 2002Natur.415..129G.
  11. ↑ (November 1989) «In pursuit of myosin function». Cell Regulation 1 (1): 1–11. DOI:10.1091/mbc.1.1.1. PMID 2519609.
  12. ↑ (1985) «Sliding distance of actin filament induced by a myosin crossbridge during one ATP hydrolysis cycle». Nature 316 (6026): 366–9. DOI:10.1038/316366a0. PMID 4022127. Bibcode: 1985Natur.316..366Y.
  13. ↑ (1983) «Calcium binding to phytic acid». Journal of Agricultural and Food Chemistry 31 (4): 851–855. DOI:10.1021/jf00118a045.
  14. ↑ (2009) «Effects of oxalic acid ingestion by sheep. II. Large doses to sheep on different diets». The Journal of Agricultural Science 52 (2): 250–255. DOI:10.1017/S0021859600036765.
  15. ↑ (Nov 2001) «The influence of dietary palmitic acid triacylglyceride position on the fatty acid, calcium and magnesium contents of at term newborn faeces». Early Human Development 65 Suppl: S83–94. DOI:10.1016/S0378-3782(01)00210-9. PMID 11755039.
  16. ↑ 16,0 16,1 Barrett KE, Barman SM, Boitano S, Brooks H, "Chapter 23. Hormonal Control of Calcium & Phosphate Metabolism & the Physiology of Bone" (Chapter). Barrett KE, Barman SM, Boitano S, Brooks H: Ganong's Review of Medical Physiology, 23e: http://www.accessmedicine.com/content.aspx?aID=5244785 Архивировано из первоисточника 2011-07-07..
  17. ↑ 17,0 17,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок pmid25287933 не указан текст
  18. ↑ Stryer L. Biochemistry (Fourth Edition). Chapter 27 "Vitamin D is derived from cholesterol by the ring-splitting action of light". New York, W.H. Freeman and Company.
  19. ↑ Tortora GJ, Anagnostakos NP. Principles of Anatomy and Physiology (Fifth Edition) p. 696. New York, Harper & Row Publishers.
  20. ↑ The Parathyroid Glands and Vitamin D // Medical Physiology: A Cellular And Molecular Approach. — Elsevier/Saunders, 2003. — ISBN 978-1-4160-2328-9.
  21. ↑ 21,0 21,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Walter не указан текст
  22. ↑ 22,0 22,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок guyton не указан текст
  23. ↑ (Apr 2000) «Calcium, dairy products and osteoporosis». Journal of the American College of Nutrition 19 (2 Suppl): 83S–99S. DOI:10.1080/07315724.2000.10718088. PMID 10759135.

Ссылки[править]

  • Кальций на сайте Lab Tests Online
  • Nosek Thomas M. Section 5/5ch6/5ch6line // Essentials of Human Physiology.[недоступная ссылка (August 2020)]
Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Метаболизм_кальция&oldid=2674085