Калций: Определение, синтез, абсорбция, транспорт и разпределение

калций е химичен елемент със символа на елемента Ca и атомен номер 20. Той принадлежи към групата на алкалоземните метали и е петият най-разпространен елемент на Земята. калций представлява основен (жизненоважен) минерал за човека и се среща в организма изключително като двувалентен катион (Ca2 +).

Абсорбцията

Хранително обвързани калций първо трябва да се освободи от храносмилателните сокове в стомашно-чревния тракт (стомашно-чревния тракт), за да се абсорбира впоследствие (поеме) в тънко черво, главно в дванадесетопръстник (дванадесетопръстник) и проксимална йеюнум (горна част на йеюнума). Абсорбцията се среща трансцелуларно (маса транспортиране през епителните клетки на червата) чрез активен механизъм след кинетиката на насищане при ниски до нормални приема на калций и допълнително парацелуларно (транспортиране на маса през интерстициалните пространства на чревните епителни клетки) чрез пасивна дифузия по електрохимичен градиент при висок прием. Пасивни чревни абсорбция, който се среща в целия чревен тракт, включително двоеточие (дебелото черво), не е почти толкова ефективен в сравнение с активния резорбционен механизъм, поради което общото абсорбирано количество се увеличава в абсолютно изражение с увеличаване на калция доза, но намалява относително. Докато е активен трансцелуларен калций абсорбция се регулира от паратиреоиден хормон (PTH, пептиден хормон, синтезиран в паращитовидна жлеза) И калцитриол (физиологично активна форма на витамин D3, 1,25-дихидроксилхолекалциферол, съответно 1,25- (OH) 2-D3), пасивната парацелуларна дифузия остава незасегната от хормони изброени. Регулирането на трансепителната резорбция на калций чрез PTH и калцитриол, съответно, е обсъдено по-подробно по-долу. В ентероцитите (клетки на тънките черва епителий), калцият се свързва със специфичен протеин, свързващ калций (транспортен), наречен калбиндин, който транспортира калция през ентероцитите до базолатерала (далеч от червата) клетъчната мембрана. 1,25- (OH) 2-D3 води до медиирано от рецептора стимулиране на вътреклетъчната (вътре в клетката) експресия на калбиндин. Калцият попада в кръвта чрез трансмембранна Са2 + -АТФаза (транспортна система, работеща под енергия и аденозин консумация на трифосфат (ATP), съответно) и Ca2 + / 3 Na + обменен носител (калциев транспортер, задвижван от Na + градиент). Скоростта на усвояване на калция зависи от различни фактори и варира между 15% и 60%. След кърмаческа възраст абсорбцията на калций показва най-висока ефективност в пубертета (~ 60%), след което намалява до 15-20% в зряла възраст. Следните фактори инхибират абсорбцията на калций, включително образуването на комплекс:

Следните фактори насърчават усвояването на калций:

  • Едновременно усвояване на калция с храната
  • Разпределение по няколко индивидуални дози на ден
  • 1,25-дихидроксилхолекалциферол (1,25- (OH) 2-D3) - стимулира вътреклетъчния синтез на калбиндин.
  • Лесно усвоими захари, като лактоза (мляко захар).
  • Млечна киселина
  • Лимонена киселина
  • Аминокиселините
  • Казеинови фосфопептиди
  • Неусвоими въглехидрати, като инулин, фруктоолигозахариди и лактулоза, които са бактериално ферментирали до късоверижни мастни киселини в илеума (долната част на тънките черва) и дебелото черво (дебелото черво) → резултатът от спада на pH в чревния лумен води до повишено отделяне на свързан калций, оставяйки повече свободен калций на разположение за пасивна абсорбция

По време на бременност, абсорбцията на калций се увеличава - медиирана от PTH и калцитриол, съответно - за да се приспособи ежедневният трансфер на калций през плацента (плацента) към ембрион (неродено дете), което е средно 250 mg през 3 триместър (трети триместър на бременност). В допълнение към увеличената чревна (кормя-свързана) абсорбция на калций, допълнителното изискване на бременната жена се задоволява с повишено освобождаване на калций от скелета след 1-ви триместър. В сравнение с бременните жени, загубите на калций с мляко, които варират от 250 до 350 mg / ден, се компенсират при кърмещи жени чрез повишена мобилизация на калций само от костите, което води до 5% кост маса загуба след шест месеца лактация. Въпреки това, в рамките на 6-12 месеца след отбиването, възстановяването на костите се извършва независимо от администрация на калций добавки- ако приемем, че приемът на калций е достатъчен.

Транспорт и разпределение в тялото

Съдържанието на калций в човешкото тяло е около 25-30 g (0.8% от телесното тегло) при раждане и около 900-1,300 g (до 1.7% от телесното тегло) в зряла възраст. Около 99% от общия телесен калций е извънклетъчен (извън клетките) в костната система, включително зъбите, където се съхранява предимно в свързана форма като неразтворен калций фосфат или хидроксиапатит (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2). В костите калцият представлява приблизително 39% от общото минерално съдържание. Само малко по-малко от 1% от цялото тяло маса калций се локализира в други телесни тъкани (~ 7 g) и телесни течности (~ 1 g). По този начин вътреклетъчното съдържание на калций е 10,000 XNUMX пъти по-ниско от съдържанието на извънклетъчен калций. За поддържане на концентрация градиент между извънклетъчния и вътреклетъчния калций, клетъчната мембрана е до голяма степен непроницаем (непропусклив) за калция в условия на покой. В допълнение съществуват трансмембранни помпени или транспортни системи, като Ca2 + -ATPases (Ca2 + транспортери, работещи при консумация на ATP) и Ca2 + / 3 Na + обменни носители (Ca2 + транспортери, задвижвани от Na + градиент), които транспортират калций извън клетката. В мембраните на ендоплазмения ретикулум (ER, богато разклонена канална система от равнинни кухини в еукариотни клетки) има специфични Ca2 + -ATPases, така наречените SERCAs (сарко- / ендоплазматичен ретикулум Ca2 + -ATPases), които могат едновременно да изпомпват калций от цитозола в ER - вътреклетъчно съхранение - и транспортиране на минерала обратно в цитозола за клетъчни функции след стимулиране на клетката с подходящи стимулиращи калция стимули. Три различни калциеви фракции могат да бъдат разграничени в кръв. Йонизираният, свободен калций образува най-голямата фракция с около 50%, последван от протеин- (албумин-, свързан с глобулин-) калций (40-45%) и калций в комплекс с лиганди с ниско молекулно тегло, като цитрат, фосфат, сулфат и бикарбонат (5-10%). Както дефицитът на протеин, така и изместването на рН влияят на съотношението на калциевите фракции помежду си. Например, ацидоза (кръв рН <7.35) води до намалено и алкалоза (кръв рН> 7.45) до повишено свързване с протеини на серумния калций, което води до съответно увеличаване или намаляване на дела на свободния, йонизиран калций в серума - с приблизително 0.21 mmol / l Ca2 + на рН единица. Йонизираната свободна калциева фракция (1.1-1.3 mmol / l) представлява биологично активната форма и се хомеостатично контролира от паратиреоиден хормон1,25- (OH) 2-D3 и калцитонин (пептиден хормон, синтезиран в клетки на щитовидната жлеза С) (виж по-долу). По този начин, общ серумен калций концентрация се поддържа постоянна в относително тесен диапазон (2.25-2.75 mmol / l).

отделяне

Калцият се екскретира предимно с урината и изпражненията (изпражненията) и незначително с потта. Бъбречната (бъбрек-свързано) количеството калций, елиминирано при нормални условия, е по-малко от 4 mg / kg телесно тегло на ден или по-малко от 300 mg / ден при мъжете и по-малко от 250 mg / ден при жените. Бъбречната екскреция на калций е резултат от гломерулна филтрация и тубулна реабсорбция (реабсорбция от бъбречните тубули), което се случва пасивно в проксималния канал (основната част на бъбречните тубули) и активно в дисталния канал (средната част на бъбречните тубули) - контролиран от PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 и калцитонин - и представлява над 98% от филтрираното количество. Това илюстрира, че бъбрек играе решаваща роля в калциевата хомеостаза или поддържането на постоянно ниво на серумния калций. Следните фактори насърчават бъбречната екскреция:

  • Увеличаване на пероралния прием на калций, например чрез добавки (напр. Диетични добавки).
  • Кофеин - В кафе, зелено и черен чайИ др
  • натрий - като компонент на готварска сол (натрий хлорид, NaCl); на всеки 2 g диетично натрий, 30-40 mg калций се губят в урината.
  • Повишен прием на протеини - както животински, така и растителен протеин; 1 g протеин увеличава бъбречната екскреция на калций с 0.5-1.5 mg
  • Повишен прием на фосфати - в колбаси, топено сирене, безалкохолни напитки и др .; съотношение калций-фосфат в диета от 1: 1.0-1.2 се счита за оптимално
  • Повишен прием на алкохол
  • Хроничен ацидоза (рН на кръвта <7.35)

Идиопатична хиперкалциурия (нефизиологично висок калций в урината концентрация,> 4 mg калций / kg телесно тегло / ден) се дължи на генетична аномалия с променлива експресия, при която причината е неизвестна - абсорбираща (засягаща червата), бъбречна (засягаща бъбреците) или хранителна. Лица с идиопатична хиперкалциурия, които са изложени на повишен риск от уролитиаза (образуване на бъбрек камъни) в сравнение със здрави индивиди, показват по-висока чувствителност към сол (синоними: чувствителност към сол; чувствителност към физиологичен разтвор; физиологична чувствителност), отколкото хората с нормален риск за камъни в бъбреците. Ограничаването на физиологичен разтвор и протеини води до нормализиране на бъбречната екскреция на калций при пациенти с хиперкалциурия. Калцият, секретиран (екскретиран) в стомашно-чревния тракт, е обект на 85% чревна реабсорбция (реабсорбция). Останалите 15% (18-224 mg / ден) се губят с изпражнения (изпражнения). Загубите на калций с пот се оценяват на 4-96 mg / ден, като задължителните загуби варират от 3 до 40 mg / ден.

Хормонална регулация на калциевата хомеостаза

Тъй като калцият играе централна роля в редица жизненоважни функции в човешкия организъм, поддържането на извънклетъчната йонизирана свободна концентрация на калций е от съществено значение. Йонизираният свободен серумен калций е взаимосвързан с различните калциеви отделения - кост, тънко черво, бъбрек - и се поддържа постоянно в тесни граници от сложна хормонална регулаторна система. Следните хормони участват в регулирането на метаболизма на калция:

  • Паратиреоиден хормон
  • Калцитриол (1,25-дихидроксилхолекалциферол, 1,25- (OH) 2-D3)
  • Калцитонин

- хормони изброените влияят върху абсорбцията на калций в червата, екскрецията на калций в бъбреците и освобождаването или усвояването на калций в костите. В случай на незначителни отклонения на извънклетъчната концентрация на свободен калций, чревният и бъбречният компенсаторен механизъм обикновено са достатъчни. Едва когато тези регулаторни механизми не успеят, калцият се освобождава от скелета, което води до загуба на костна маса, свързана с отслабване на механичната стабилност на костта. Промените в извънклетъчната концентрация на свободен калций се усещат от специфична мембрана протеини наречени калциеви сензори, които принадлежат към суперсемейството на G-протеин-свързани 7-кратно мембранно-пропускливи рецептори. Калциево-специфичните рецептори се експресират главно от паратиреоидни клетки, които освобождават ПТХ по калциево зависим начин, от щитовидни С клетки, които секретират калцитонин по калциево-зависим начин, и чрез бъбречни клетки, които синтезират активния 1,25- (OH) 2-D3 по калциево-зависим начин. В допълнение, калциевите сензори могат да бъдат открити и в редица други клетъчни типове, като остеокласти (костно-резорбиращи клетки) и ентероцити (чревни епителни клетки). Предполага се, че чрез чувствителните към калций рецептори зависи калциево-зависима модулация (увеличаване) на ефекта на хормони PTH, калцитриол и калцитонин се провеждат на нивото на целевите клетки - кост, тънко черво, бъбречни клетки. Извънклетъчна концентрация на свободен калций ниска - паратиреоиден хормон и калцитриол.

Когато нивата на серумния калций спаднат - в резултат на неадекватен прием или увеличени загуби - PTH все повече се синтезира (образува) в паращитовидните клетки и се секретира (секретира) в кръвния поток. PTH достига до бъбреците, където стимулира експресията на 1-алфа-хидроксилаза и по този начин синтеза на 1,25- (OH) 2-D3, биологично активната форма на витамин D. В костта PTH и 1,25- (OH) 2-D3 стимулират активността на остеокластите, които олово до резорбция (разграждане) на костно вещество. Впоследствие калцият се освобождава от костите и се освобождава в извънклетъчното пространство. Тъй като калцият се съхранява в костната система под формата на хидроксиапатит (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), фосфатните йони се мобилизират едновременно от костта - тясна корелация (връзка) на метаболизма на калция и фосфатите. В граничната мембрана на четката на проксималното тънко черво, калцитриолът насърчава както активната трансцелуларна абсорбция на калций, така и реабсорбцията на фосфат и транспортирането на калций и фосфат в извънклетъчното пространство. В бъбреците PTH увеличава тубулната реабсорбция на калций, като същевременно инхибира реабсорбцията на тубулен фосфат. И накрая, има повишена бъбречна екскреция на фосфат, което е увеличило натрупването поради мобилизирането на калциев фосфат от костите и реабсорбцията от червата. Намаляването на нивото на серумния фосфат, от една страна, предотвратява утаяването на калциев фосфат в тъканите и, от друга страна, стимулира отделянето на калций от костите - в полза на серумната концентрация на калций. Резултатът от ефектите на PTH и калцитриол върху междукамерните движения на калций при ниски серумни нива на калций е съответно повишаване и нормализиране на извънклетъчната концентрация на свободен калций. Продължително повишени 1,25- (OH) 2-D3 серумни нива олово до инхибиране на синтеза и пролиферацията на PTH (растеж и пролиферация) на паращитовидните клетки - отрицателна обратна връзка. Този механизъм протича чрез рецепторите за витамин D3 на паращитовидните клетки. Ако калцитриолът заема тези специфични за себе си рецептори, витаминът може да повлияе на метаболизма на целевия орган. Висока извънклетъчна концентрация на свободен калций - калцитонин

Увеличението на извънклетъчния йонизиран калций кара клетките на щитовидната жлеза да синтезират и секретират (секретират) повече калцитонин. Калцитонинът инхибира активността на остеокластите върху костта и по този начин разграждането на костната тъкан, което насърчава отлагането на калций в скелета. В същото време пептидният хормон стимулира бъбречната екскреция на калций. Чрез тези механизми калцитонинът води до намаляване на серумната концентрация на калций. Калцитонинът представлява директен антагонист (противник) на PTH. По този начин, когато се повиши извънклетъчният свободен калций, синтезът и секрецията на PTH от паращитовидна жлеза и индуцираното от PTH бъбречно производство на 1,25- (OH) 2-D3 намалява. Това води до намалена мобилизация на калциев фосфат от костите, намалена реабсорбция на калций в червата и намалена реабсорбция на калциев канал и по този начин увеличена екскреция на калций през бъбреците. Резултатът, съобразен с механизъм на действие на калцитонин, е намаляване на извънклетъчната концентрация на свободен калций и нормализиране на серумните нива на калций.

Калциев баланс

калций баланс зависи от възрастта. По време на фазата на растеж през детство и юношеството, ако приемем адекватен прием на калций, има положителен калций баланс, с повече калций, усвоен от организма, отколкото елиминиран от бъбреците и червата. Повишената активност на остеобластите (костообразуващи клетки) води до повишено съхранение на калций в костното вещество и по този начин до увеличено съхранение на калций. Максималната минерална маса или връх на костите костната плътност се придобива предимно по време на юношеството и младата зряла възраст. По този начин момичетата и жените имат съответно около 90% от общото съдържание на минерали в скелета на възраст 16.9 ± 1.3 години и около 99% на възраст 26.2 ± 3.7 години. При момчетата и мъжете, съответно, може да се наблюдава забавяне от около 1.5 години. По правило пиковата костна маса се достига до около 30-годишна възраст. Съдържанието на костни минерали само неадекватно характеризира действителната кост сила. По-скоро се определя от фактори като физическа активност, мускулна маса, изграждане на тялото и размер. От 30-годишна възраст има равновесен калций баланс в продължение на няколко десетилетия от живота, като количеството калций, абсорбирано от организма, корелира с количеството калций, екскретирано през бъбреците и фекалиите. Например, при прием на калций от 1,000 mg, приблизително 200 mg се абсорбират и около 200 mg се елиминират от бъбреците, докато 250-500 mg се отделят от костите и се реабсорбират като част от процесите на ремоделиране. За да се предотврати отрицателен баланс на калция, трябва да се внимава да се осигури адекватен прием на калций в храната. Въпреки балансирания метаболизъм на калция, костната плътност намалява непрекъснато от 30-годишна възраст. При здрави хора загубата на костна минерална маса е около 1% годишно. Причината за загуба на костна маса с увеличаване на възрастта е повишената активност на остеокластите (разграждащи костите клетки), която е придружена от повишено разграждане на костната тъкан и повишено освобождаване на калций от костите. И накрая, повече калций се отделя с урината и изпражненията, отколкото се абсорбира от тънките черва и костите. Следователно възрастните хора имат отрицателен калциев баланс. По-специално, костната маса прогресивно намалява при жени в менопауза (менопауза; менопауза при жени) поради променения естрогенен статус. В резултат на проучвания може да се наблюдава начало на загуба на костна и минерална субстанция при жени при бедрената кост шия от 37-годишна възраст и в гръбначния стълб от 48-годишна възраст. Поради това жените в постменопауза са с повишен риск от развитие остеопороза (загуба на костна маса). Колкото по-ниска е „пиковата костна маса“, толкова по-висок е рискът от остеопороза. Изследвания при жени в менопауза показват, че нивото на орален прием на калций е тясно свързано с риска от фрактури на тазобедрената става. Калций администрация от 800-1,000 mg / ден води до намалена активност на остеокластите при субектите, което спира костната резорбция или загубата на костна маса и намалява фрактура честота.