Обмен кальция - Calcium metabolism
Кальций метаболизм это движение и регулирование кальция ионов (Ca 2+ ) в (через кишечник ) и аут (через кишечник и почки ) тела, а также между отделениями тела: плазму крови , на внеклеточные и внутриклеточные жидкости, и кость . Кость действует как центр хранения кальция для отложений и выводов по мере необходимости крови посредством постоянного ремоделирования кости .
Важным аспектом метаболизма кальция является гомеостаз кальция в плазме , регуляция ионов кальция в плазме крови в узких пределах . Уровень кальция в плазме регулируется гормонами паратиреоидного гормона (ПТГ) и кальцитонином . РТН высвобождается в главных клетках этих паращитовидных желез , когда уровень кальция в плазме падает ниже нормального диапазона для того , чтобы поднять его; кальцитонин высвобождается с помощью парафолликулярными клеток в щитовидной железе , когда уровень в плазме кальция находится выше нормального диапазона для того , чтобы понизить его.
Содержимое кузовного отсека
Кальций - самый распространенный минерал в организме человека . В среднем в организме взрослого человека содержится в общей сложности около 1 кг, 99% скелета находится в форме солей фосфата кальция . Внеклеточная жидкость (ECF) содержит примерно 22 ммоль, из которых около 9 ммоль находится в плазме . Примерно 10 ммоль кальция обменивается между костью и ECF в течение 24 часов.
Концентрация крови
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
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). Количество общего кальция в крови зависит от уровня альбумина в плазме , наиболее распространенного белка в плазме и, следовательно, основного переносчика связанного с белками кальция в крови. Однако биологический эффект кальция определяется количеством ионизированного кальция , а не общим содержанием кальция. Следовательно, уровень ионизированного кальция в плазме строго регулируется, чтобы оставаться в очень узких пределах с помощью гомеостатических систем 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. Остальное (50–60%) ионизировано. Ионизированный кальций может быть определен непосредственно с помощью колориметрии или по номограммам , хотя полезность последнего ограничена, когда pH и содержание белка в плазме сильно отклоняются от нормы.
Функция
Кальций выполняет в организме несколько основных функций.
Связан с белками сыворотки
Он легко связывается с белками, особенно с аминокислотами, боковые цепи которых заканчиваются карбоксильными (-COOH) группами (например, остатками глутамата). Когда происходит такое связывание, электрические заряды в цепи белка изменяются, вызывая изменение третичной структуры белка (то есть трехмерной формы). Хорошими примерами этого являются некоторые факторы свертывания в плазме крови, которые не работают в отсутствие ионов кальция, но становятся полностью функциональными при добавлении солей кальция в правильной концентрации.
Натриевые каналы с регулируемым напряжением
В напряжении ионного натрия каналы в клеточных мембранах нервов и мышц, особенно чувствительны к концентрации ионов кальция в плазме. Относительно небольшое снижение уровня ионизированного кальция в плазме ( гипокальциемия ) приводит к тому, что эти каналы пропускают натрий в нервные клетки или аксоны, делая их сверхвозбудимыми ( положительный батмотропный эффект ), вызывая спонтанные мышечные спазмы ( тетания ) и парестезию (ощущение жжения). «иголки») конечностей и вокруг рта. Когда уровень ионизированного кальция в плазме поднимается выше нормы ( гиперкальциемия ), больше кальция связывается с этими натриевыми каналами, оказывая на них отрицательный батмотропный эффект, вызывая летаргию, мышечную слабость, анорексию, запоры и лабильные эмоции.
Внутриклеточная передача сигналов
Поскольку внутриклеточная концентрация ионов кальция чрезвычайно мала (см. Выше), поступление незначительных количеств ионов кальция из эндоплазматического ретикулума или из внеклеточных жидкостей вызывает быстрые, очень заметные и легко обратимые изменения относительной концентрации этих ионов в тканях. цитозоль . Таким образом, это может служить очень эффективным внутриклеточным сигналом (или « вторым мессенджером ») в различных обстоятельствах, включая сокращение мышц , высвобождение гормонов (например, инсулина из бета-клеток в островках поджелудочной железы ) или нейротрансмиттеров (например, ацетилхолина из преждевременных сосудов поджелудочной железы ). -синаптические окончания нервов) и другие функции.
Кость
Кальций структурно действует как поддерживающий материал в костях, как гидроксиапатит кальция (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ).
Мышцы
В скелетной и сердечной мышце , ионы кальция, высвобождается из саркоплазматического ретикулума (в эндоплазматической сети из поперечно - полосатых мышц ), связывается с тропониными C белок , присутствующий на актине отработанного тонкие нити из миофибрилл . В результате изменяется трехмерная структура тропонина, в результате чего тропомиозин, к которому он прикреплен, откатывается от участков связывания миозина на молекулах актина, которые образуют основу тонких нитей. Затем миозин может связываться с открытыми участками связывания миозина на тонкой нити, чтобы претерпевать повторяющуюся серию конформационных изменений, называемых циклом поперечного мостика , для которых АТФ обеспечивает энергию. Во время цикла каждый миозиновый белок «гребет» вдоль тонкой актиновой нити, неоднократно связываясь с миозин-связывающими участками вдоль актиновой нити, сжимаясь и отпуская. По сути, толстая нить движется или скользит по тонкой нити, что приводит к сокращению мышц . Этот процесс известен как модель мышечного сокращения скользящей нити .
Источники
Не весь кальций, содержащийся в пище, легко усваивается из кишечника. Наиболее легко усваиваемый кальций содержится в молочных продуктах (72%), овощах (7%), зернах (5%), бобовых (4%), фруктах (3%), белке (3%). Кальций, содержащийся в растительном веществе, часто образует комплексы с фитатами , оксалатами , цитратом и другими органическими кислотами, такими как длинноцепочечные жирные кислоты (например, пальмитиновая кислота ), с которыми кальций связывается с образованием нерастворимых кальциевых мыл.
Хранение костей
Поток кальция к кости и от нее может быть положительным, отрицательным или нейтральным. Когда он нейтральный, за день переворачивается около 5–10 ммоль. Кость служит важным местом хранения кальция, поскольку она содержит 99% всего кальция в организме. Высвобождение кальция из костей регулируется паратироидным гормоном в сочетании с кальцитриолом, вырабатываемым в почках под действием ПТГ. Кальцитонин (гормон, выделяемый щитовидной железой, когда уровень ионизированного кальция в плазме высок или повышается; не путать с «кальцитриолом», который вырабатывается в почках), стимулирует включение кальция в кость.
Кишечная абсорбция
Нормальный рацион взрослого человека содержит около 25 ммоль кальция в день. Только около 5 ммоль этого количества всасывается в организм в день (см. Ниже).
Кальций всасывается через щеточную кайму мембраны эпителиальных клеток кишечника . Было высказано предположение, что канал TRPV6 является основным участником поглощения Ca 2+ в кишечнике . Однако мыши Trpv6 KO не демонстрировали значительного снижения уровня кальция в сыворотке и демонстрировали лишь незначительное снижение или даже неизменное всасывание Ca 2+ в кишечнике , что указывает на то, что должны существовать другие пути абсорбции. Недавно TRPM7 был связан с поглощением кальция в кишечнике. Авторы смогли показать, что кишечная делеция TRPM7 приводит к сильному снижению уровней кальция в сыворотке и костях и интенсивному увеличению уровней кальцитриола и ПТГ , указывая на то, что TRPM7 важен для усвоения кальция в кишечнике. После клеточного поглощения кальций сразу же связывается с кальбиндином , витамином D-зависимым кальций-связывающим белком . 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. Отсюда кальциевые насосы ( PMCA1 ) активно транспортируют кальций в организм. Активный транспорт кальция происходит в основном в двенадцатиперстной кишке, когда потребление кальция низкое; и посредством пассивного параклеточного транспорта в тощей и подвздошной кишках при высоком потреблении кальция, независимо от уровня витамина D.
Активное всасывание кальция из кишечника регулируется концентрацией кальцитриола (или 1,25 дигидроксихолекальциферола, или 1,25 дигидроксивитамина D 3 ) в крови. Кальцитриол - производное холестерина. Под воздействием ультрафиолета на кожу холестерин превращается в превитамин D 3, который спонтанно изомеризуется в витамин D 3 (или холекальциферол). Затем он превращается в печени из холекальциферола в кальцифедиол. Под влиянием паратиреоидного гормона , то почки преобразовать calcifediol в активный гормон кальцитриол, который действует на эпителиальных клеток ( энтероцитов ) , выстилающих тонкой кишки , чтобы увеличить скорость всасывания кальция из кишечного содержимого. Вкратце цикл следующий:
Низкие уровни ПТГ в крови (которые возникают в физиологических условиях, когда уровни ионизированного кальция в плазме высоки) ингибируют превращение холекальциферола в кальцитриол, что, в свою очередь, препятствует всасыванию кальция из кишечника. Обратное происходит, когда уровень ионизированного кальция в плазме низок: паратироидный гормон секретируется в кровь, а почки превращают больше кальцифедиола в активный кальцитриол, увеличивая всасывание кальция из кишечника.
Реабсорбция
Кишечник
Поскольку в день с желчью в кишечник выводится около 15 ммоль кальция, общее количество кальция, которое ежедневно достигает двенадцатиперстной и тощей кишки, составляет около 40 ммоль (25 ммоль из рациона плюс 15 ммоль из желчи), из которых , в среднем 20 ммоль всасывается (обратно) в кровь. В результате из кишечника всасывается примерно на 5 ммоль кальция больше, чем выводится с желчью. Если отсутствует активное наращивание костей (как в детстве) или повышенная потребность в кальции во время беременности и кормления грудью, 5 ммоль кальция, абсорбируемого из кишечника, компенсирует потери с мочой, которые регулируются лишь частично.
Почки
Почки фильтр 250 ммоль ионов кальция в день в про-моче (или клубочковой фильтрата ) и рассасывает 245 ммоль, что приводит к чистой средней потери в моче около 5 ммоль / сут. Количество ионов кальция, выделяемых с мочой в день, частично находится под влиянием уровня паратироидного гормона (ПТГ) в плазме - высокие уровни ПТГ снижают скорость выведения ионов кальция, а низкие - увеличивают ее. Однако паратироидный гормон в большей степени влияет на количество ионов фосфата (HPO 4 2- ), выделяемых с мочой. Фосфаты образуют нерастворимые соли в сочетании с ионами кальция. Следовательно, высокие концентрации HPO 4 2- в плазме снижают уровень ионизированного кальция во внеклеточных жидкостях. Таким образом, выведение с мочой большего количества фосфата, 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 еще одним способом. Он превращает витамин D 3 в кальцитриол , активную форму, которая наиболее эффективно способствует всасыванию кальция в кишечнике. Этому превращению витамина D 3 в кальцитриол также способствует высокий уровень паратироидного гормона в плазме.
Экскреция
Кишечник
Большая часть излишка кальция выводится с желчью и калом, потому что уровни кальцитриола в плазме (которые в конечном итоге зависят от уровней кальция в плазме) регулируют, сколько желчного кальция реабсорбируется из содержимого кишечника.
Почки
Выведение кальция с мочой обычно составляет около 5 ммоль (200 мг) / день. Это меньше по сравнению с тем, что выводится с калом (15 ммоль / день).
Регулирование
Концентрация ионизированного кальция в плазме регулируется в узких пределах (1,3–1,5 ммоль / л). Это достигается за счет того, что как парафолликулярные клетки щитовидной железы, так и паращитовидные железы постоянно чувствуют (т. Е. Измеряют) концентрацию ионов кальция в крови, протекающей через них.
Высокий уровень в плазме
Когда концентрация повышается, парафолликулярные клетки щитовидной железы увеличивают секрецию кальцитонина , полипептидного гормона, в кровь. В то же время паращитовидные железы снижают секрецию паратироидного гормона (ПТГ), также полипептидного гормона, в кровь. Возникающие в результате высокие уровни кальцитонина в крови стимулируют остеобласты в кости, чтобы удалить кальций из плазмы крови и отложить его в виде кости.
Пониженные уровни ПТГ препятствуют удалению кальция из скелета. Низкие уровни ПТГ имеют несколько других эффектов: они увеличивают потерю кальция с мочой, но, что более важно, ингибируют потерю ионов фосфата этим путем. Таким образом, ионы фосфата будут задерживаться 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 (витамин D 3 ) почками.
Снижение концентрации кальцитриола в крови действует (сравнительно медленно) на эпителиальные клетки ( энтероциты ) двенадцатиперстной кишки, подавляя их способность абсорбировать кальций из кишечного содержимого. Низкий уровень кальцитриола также действует на кости, заставляя остеокласты выделять меньше ионов кальция в плазму крови.
Низкий уровень в плазме
Когда уровень ионизированного кальция в плазме низкий или падает, происходит обратное. Секреция кальцитонина ингибируется, и секреция ПТГ стимулируется, в результате чего кальций удаляется из костей, чтобы быстро скорректировать уровень кальция в плазме. Высокие уровни ПТГ в плазме подавляют потерю кальция с мочой, одновременно стимулируя выведение фосфат-ионов этим путем. Они также стимулируют почки вырабатывать кальцитриол (стероидный гормон), который увеличивает способность клеток, выстилающих кишечник, поглощать кальций из содержимого кишечника в кровь, стимулируя выработку кальбиндина в этих клетках. Производство кальцитриола, стимулированное ПТГ, также вызывает высвобождение кальция из кости в кровь за счет высвобождения RANKL ( цитокина или местного гормона ) из остеобластов, что увеличивает резорбтивную активность костной ткани остеокластами. Однако это относительно медленные процессы.
Таким образом, быстрое краткосрочное регулирование уровня ионизированного кальция в плазме в первую очередь связано с быстрым перемещением кальция в скелет или из него. Долгосрочное регулирование достигается за счет регулирования количества кальция, всасываемого из кишечника или теряемого с калом.
Расстройства
Гипокальциемия (низкий уровень кальция в крови) и гиперкальциемия (высокий уровень кальция в крови) являются серьезными заболеваниями. Остеопороз , остеомаляция и рахит являются костными нарушениями , связанными с расстройствами метаболизма кальция и эффектами витамина D . Почечная остеодистрофия является следствием хронической почечной недостаточности, связанной с метаболизмом кальция.
Достаточно богатая кальцием диета может уменьшить потерю кальция из костей с возрастом (в постменопаузе ). Низкое потребление кальция с пищей может быть фактором риска развития остеопороза в более зрелом возрасте; а диета с устойчивым достаточным количеством кальция может снизить риск остеопороза.
Исследовать
Роль кальция в снижении заболеваемости колоректальным раком была предметом многих исследований. Однако, учитывая его умеренную эффективность, в настоящее время нет медицинских рекомендаций использовать кальций для уменьшения рака.
Смотрите также
Сноски
использованная литература
внешние ссылки
- Кальций в лабораторных тестах онлайн
- Носек, Томас М. «Раздел 5 / 5ч6 / 5ч6лайн» . Основы физиологии человека .