Метаболизм кальция — это движение и регуляция ионов кальция (Ca 2+ ) в (через кишечник ) и из (через кишечник и почки ) тела, а также между частями тела: плазмой крови , внеклеточной и внутриклеточной жидкостями и костью . Кость действует как центр хранения кальция для отложений и изъятий по мере необходимости кровью посредством постоянного ремоделирования кости . [1] : 276–277
Важным аспектом метаболизма кальция является гомеостаз кальция плазмы , регуляция ионов кальция в плазме крови в узких пределах . [2] Уровень кальция в плазме регулируется гормонами паратиреоидным гормоном (ПТГ) и кальцитонином . ПТГ выделяется главными клетками паращитовидных желез, когда уровень кальция в плазме падает ниже нормального диапазона, чтобы повысить его; кальцитонин выделяется парафолликулярными клетками щитовидной железы , когда уровень кальция в плазме превышает нормальный диапазон, чтобы снизить его.
Кальций является наиболее распространенным минералом в организме человека . [3] В среднем в организме взрослого человека содержится около 1 кг кальция, 99% которого находится в скелете в виде солей фосфата кальция . [3] Внеклеточная жидкость (ECF) содержит около 22 ммоль, из которых около 9 ммоль находится в плазме . [ 4] Около 10 ммоль кальция обменивается между костью и ECF в течение двадцати четырех часов. [5]
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).
Концентрация общего кальция в плазме находится в диапазоне 2,2–2,6 ммоль/л (9–10,5 мг/дл), а нормальный ионизированный кальций 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 носителя связанного с белком кальция в крови. Биологический эффект кальция, однако, определяется количеством ионизированного кальция , а не общим кальцием. Поэтому именно уровень ионизированного кальция в плазме жестко регулируется , чтобы оставаться в очень узких пределах гомеостатическими системами отрицательной обратной связи .
От 35 до 50% кальция в плазме связано с белками, а 5–10% находится в форме комплексов с органическими кислотами и фосфатами. Оставшаяся часть (50–60%) ионизирована. Ионизированный кальций можно определить непосредственно колориметрией или считывать с номограмм , хотя полезность последних ограничена, когда pH и содержание белка в плазме значительно отклоняются от нормы. [4]
Кальций выполняет несколько основных функций в организме.
Он легко связывается с белками, особенно с теми, у которых боковые цепи аминокислот заканчиваются карбоксильными (-COOH) группами (например, остатками глутамата). Когда происходит такое связывание, электрические заряды на белковой цепи изменяются, что приводит к изменению третичной структуры белка (т. е. трехмерной формы). Хорошими примерами этого являются несколько факторов свертывания в плазме крови, которые бесполезны при отсутствии ионов кальция, но становятся полностью функциональными при добавлении правильной концентрации солей кальция.
Каналы ионов натрия, управляемые потенциалом, 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 утечке натрия из этих каналов в нервные клетки или аксоны, что делает их гипервозбудимыми ( положительный батмотропный эффект ), тем самым вызывая спонтанные мышечные спазмы ( тетания ) и парестезию (ощущение «покалывания») конечностей и вокруг рта. [7] Когда уровень ионизированного кальция в плазме поднимается выше нормы ( гиперкальциемия ), больше кальция связывается с этими натриевыми каналами, оказывая на них отрицательное батмотропное действие, вызывая летаргию, мышечную слабость, анорексию, запоры и лабильные эмоции. [7]
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 . Поэтому это может служить очень эффективным внутриклеточным сигналом (или « вторичным мессенджером ») в различных обстоятельствах, включая сокращение мышц , высвобождение гормонов (например, инсулина из бета-клеток в островках поджелудочной железы ) или нейротрансмиттеров (например, ацетилхолина из пресинаптических окончаний нервов) и другие функции.
Кальций действует как структурный опорный материал в костях в виде гидроксиапатита кальция (Ca10 ( PO4 ) 6 ( OH) 2 ).
В скелетных и сердечных мышцах ионы кальция, высвобождаемые из саркоплазматического ретикулума ( эндоплазматического ретикулума поперечно -полосатых мышц ), связываются с белком тропонина С , присутствующим на тонких нитях миофибрилл, содержащих актин . В результате изменяется трехмерная структура тропонина , в результате чего тропомиозин , к которому он прикреплен, откатывается от участков связывания миозина на молекулах актина , которые образуют остов тонких нитей. Затем миозин может связываться с открытыми участками связывания миозина на тонкой нити, чтобы пройти повторяющуюся серию конформационных изменений, называемых циклом перекрестного мостика , для которого АТФ обеспечивает энергию. Во время цикла каждый белок миозина «гребет» вдоль тонкой нити актина, многократно связываясь с участками связывания миозина вдоль нити актина, срабатывая и отпуская. В результате толстая нить движется или скользит вдоль тонкой нити, что приводит к сокращению мышцы . Этот процесс известен как модель скользящей нити сокращения мышцы. [8] [9] [10] [11] [12]
Не весь кальций в рационе может быть легко усвоен из кишечника. Кальций, который усваивается лучше всего, содержится в молочных продуктах (72%), овощах (7%), зерновых (5%), бобовых (4%), фруктах (3%), белке (3%). Кальций, содержащийся в растительных веществах, часто образует комплексы с фитатами , [13] оксалатами , [14] цитратом и другими органическими кислотами, такими как длинноцепочечные жирные кислоты (например, пальмитиновая кислота ), с которыми кальций связывается, образуя нерастворимые кальциевые мыла. [15]
Поток кальция в кость и из нее может быть положительным, отрицательным или нейтральным. Когда он нейтрален, в день оборачивается около 5–10 ммоль. Кость служит важным местом хранения кальция, поскольку содержит 99% всего кальция организма. Выделение кальция из кости регулируется паратиреоидным гормоном в сочетании с кальцитриолом, вырабатываемым в почках под влиянием ПТГ. Кальцитонин (гормон, выделяемый щитовидной железой, когда уровень ионизированного кальция в плазме высок или растет; не путать с «кальцитриолом», который вырабатывается в почках) стимулирует включение кальция в кость.
Нормальный рацион взрослого человека содержит около 25 ммоль кальция в день. Только около 5 ммоль из этого количества усваивается организмом в день (см. ниже). [16]
Кальций всасывается через мембрану щеточной каймы эпителиальных клеток кишечника . Канал TRPV6 был предложен в качестве основного игрока в поглощении Ca 2+ кишечником. [17] Однако мыши Trpv6 KO не показали значительного снижения уровня сывороточного кальция и показали лишь слегка сниженное [17] или даже неизмененное поглощение Ca 2+ кишечником , [18] [19], что указывает на то, что должны существовать другие пути поглощения. Недавно TRPM7 был связан с поглощением кальция кишечником. Авторы смогли показать, что кишечная делеция TRPM7 приводит к сильному снижению уровня кальция в сыворотке и костях, [20] и интенсивному повышению уровней кальцитриола и ПТГ , что указывает на то, что TRPM7 необходим для поглощения кальция кишечником в больших объемах. После клеточного поглощения кальций немедленно связывается с кальбиндином , кальций-связывающим белком , зависящим от витамина D. Кальбиндин переносит кальций непосредственно в эндоплазматический ретикулум эпителиальной клетки , через который кальций переносится на базальную мембрану на противоположной стороне клетки, не попадая в ее цитозоль или внутриклеточную жидкость. Оттуда кальциевые насосы ( PMCA1 ) активно переносят кальций в организм. [21] Активный транспорт кальция происходит в основном в двенадцатиперстной части кишечника, когда потребление кальция низкое; и через пассивный парацеллюлярный транспорт в тощей и подвздошной частях, когда потребление кальция высокое, независимо от уровня витамина D. [22]
Активное всасывание кальция из кишечника регулируется концентрацией кальцитриола (или 1,25-дигидроксихолекальциферола, или 1,25-дигидроксивитамина D 3 ) в крови. Кальцитриол является производным холестерина. Под воздействием ультрафиолетового света на кожу холестерин преобразуется в превитамин D 3 , который спонтанно изомеризуется в витамин D 3 (или холекальциферол). Затем он преобразуется из холекальциферола в кальцифедиол в печени. [ 23] Под влиянием паратиреоидного гормона почки преобразуют кальцифедиол в активный гормон кальцитриол, который действует на эпителиальные клетки ( энтероциты ), выстилающие тонкий кишечник, чтобы увеличить скорость всасывания кальция из содержимого кишечника. Вкратце цикл выглядит следующим образом:
Низкие уровни ПТГ в крови (которые возникают в физиологических условиях, когда уровни ионизированного кальция в плазме высоки) подавляют превращение холекальциферола в кальцитриол, который, в свою очередь, подавляет всасывание кальция из кишечника. Противоположное происходит, когда уровни ионизированного кальция в плазме низкие: паратиреоидный гормон секретируется в кровь, а почки преобразуют больше кальцифедиола в активный кальцитриол, увеличивая всасывание кальция из кишечника. [24]
Поскольку около 15 ммоль кальция выводится в кишечник через желчь в день, [4] общее количество кальция, которое достигает двенадцатиперстной кишки и тощей кишки каждый день, составляет около 40 ммоль (25 ммоль из рациона плюс 15 ммоль из желчи), из которых в среднем 20 ммоль всасывается (обратно) в кровь. Конечный результат заключается в том, что примерно на 5 ммоль больше кальция всасывается из кишечника, чем выводится в него через желчь. Если нет активного наращивания костей (как в детстве) или повышенной потребности в кальции во время беременности и лактации, 5 ммоль кальция, которые всасываются из кишечника, восполняют потери с мочой, которые регулируются лишь частично. [16]
Почки фильтруют 250 ммоль ионов кальция в день в проурине (или гломерулярном фильтрате ) и резорбируют 245 ммоль, что приводит к чистой средней потере с мочой около 5 ммоль/день. Количество ионов кальция, выделяемых с мочой в день, частично находится под влиянием уровня паратиреоидного гормона (ПТГ) в плазме - высокие уровни ПТГ снижают скорость выделения ионов кальция, а низкие уровни увеличивают ее. [примечание 1] Однако паратиреоидный гормон оказывает большее влияние на количество ионов фосфата (HPO 4 2− ), выделяемых с мочой. [25] Фосфаты образуют нерастворимые соли в сочетании с ионами кальция. Таким образом, высокие концентрации HPO 4 2− в плазме снижают уровень ионизированного кальция во внеклеточных жидкостях. Таким образом, выделение большего количества фосфата, чем ионов кальция с мочой, повышает уровень ионизированного кальция в плазме, даже если общая концентрация кальция может быть снижена.
Почки влияют на концентрацию ионизированного кальция в плазме еще одним способом. Они перерабатывают витамин D3 в кальцитриол , активную форму, которая наиболее эффективна для содействия всасыванию кальция в кишечнике. Это превращение витамина D3 в кальцитриол также стимулируется высокими уровнями паратиреоидного гормона в плазме. [24] [26]
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 объем желчного кальция, который реабсорбируется из содержимого кишечника.
Выделение кальция с мочой обычно составляет около 5 ммоль (200 мг)/день. Это меньше по сравнению с тем, что выводится с калом (15 ммоль/день).
Концентрация ионизированного кальция в плазме регулируется в узких пределах (1,3–1,5 ммоль/л). Это достигается как парафолликулярными клетками щитовидной железы, так и паращитовидными железами, постоянно воспринимающими (т.е. измеряющими) концентрацию ионов кальция в протекающей через них крови.
Когда концентрация кальция повышается, парафолликулярные клетки щитовидной железы увеличивают секрецию кальцитонина , полипептидного гормона, в кровь. В то же время паращитовидные железы снижают секрецию паратиреоидного гормона (ПТГ), также полипептидного гормона, в кровь. Результирующий высокий уровень кальцитонина в крови стимулирует остеобласты в костях, чтобы удалить кальций из плазмы крови и отложить его в виде кости.
Сниженный уровень ПТГ подавляет выведение кальция из скелета. Низкий уровень ПТГ имеет несколько других эффектов: увеличивается потеря кальция с мочой, но что более важно, ингибируется потеря ионов фосфата через мочу. Поэтому ионы фосфата будут удерживаться в плазме, где они образуют нерастворимые соли с ионами кальция, тем самым удаляя их из ионизированного кальциевого пула в крови. Низкий уровень ПТГ также подавляет образование кальцитриола (не путать с кальцитонином ) из холекальциферола (витамина D 3 ) почками.
Снижение концентрации кальцитриола в крови воздействует (сравнительно медленно) на эпителиальные клетки ( энтероциты ) двенадцатиперстной кишки, подавляя их способность усваивать кальций из содержимого кишечника. [2] [5] [28] [29] Низкий уровень кальцитриола также воздействует на кости, заставляя остеокласты выделять меньше ионов кальция в плазму крови. [25]
Когда уровень ионизированного кальция в плазме низкий или падает, происходит обратное. Секреция кальцитонина подавляется, а секреция ПТГ стимулируется, в результате чего кальций удаляется из костей, что быстро корректирует уровень кальция в плазме. Высокие уровни ПТГ в плазме подавляют потерю кальция с мочой, одновременно стимулируя выведение фосфатных ионов этим путем. Они также стимулируют почки к производству кальцитриола (стероидного гормона), который усиливает способность клеток, выстилающих кишечник, поглощать кальций из содержимого кишечника в кровь, стимулируя выработку кальбиндина в этих клетках. Стимулируемая ПТГ выработка кальцитриола также вызывает высвобождение кальция из костей в кровь путем высвобождения RANKL ( цитокина или местного гормона ) из остеобластов , что увеличивает активность остеокластов по резорбции костей. Однако это относительно медленные процессы [2] [5] [25] [28] [29]
Таким образом, быстрая краткосрочная регуляция уровня ионизированного кальция в плазме в первую очередь включает быстрые перемещения кальция в скелет или из него. Долгосрочная регуляция достигается путем регулирования количества кальция, всасываемого из кишечника или теряемого через фекалии. [2] [5] [28] [29]
Гипокальциемия (низкий уровень кальция в крови) и гиперкальциемия (высокий уровень кальция в крови) являются серьезными медицинскими расстройствами. Остеопороз , остеомаляция и рахит являются заболеваниями костей, связанными с нарушениями обмена кальция и эффектами витамина D. Почечная остеодистрофия является следствием хронической почечной недостаточности, связанной с обменом кальция.
Диета, достаточно богатая кальцием, может снизить потерю кальция из костей с возрастом (после менопаузы ). [30] Низкое потребление кальция с пищей может быть фактором риска развития остеопороза в пожилом возрасте; а диета с устойчивым достаточным количеством кальция может снизить риск остеопороза.
Роль кальция в снижении частоты рака прямой и толстой кишки была предметом многих исследований. Однако, учитывая его скромную эффективность, в настоящее время нет медицинских рекомендаций по использованию кальция для снижения частоты рака.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )