Kalsium: Definisjon, syntese, absorpsjon, transport og distribusjon

Kalsium er et kjemisk element med grunnstoffsymbolet Ca og atomnummer 20. Det tilhører gruppen av jordalkalimetaller og er det femte mest forekommende elementet på jorden. Kalsium representerer et essensielt (vital) mineral for mennesker og forekommer i organismen utelukkende som et divalent kation (Ca2 +).

Absorpsjon

Matbundet kalsium må først frigjøres av fordøyelsessaftene i mage-tarmkanalen (GI-kanalen) for deretter å bli absorbert (tatt opp) i tynntarm, primært i tolvfingertarmen (tolvfingertarm) og proksimal jejunum (øvre jejunum). Absorpsjon forekommer transcellularly (masse transport gjennom tarmens epitelceller) ved en aktiv mekanisme som følger metningskinetikk ved lave til normale kalsiuminntak og i tillegg paracellulært (massetransport gjennom de interstitielle rommene i tarmepitelcellene) ved passiv diffusjon langs en elektrokjemisk gradient ved høye inntak. Passiv tarm absorpsjon, som forekommer i hele tarmkanalen inkludert kolon (tyktarmen), er ikke så effektiv sammenlignet med den aktive resorpsjonsmekanismen, og derfor øker den totale mengden absorbert absolutt med økende kalsium dose, men avtar relativt. Mens aktivt transcellulært kalsium absorpsjon reguleres av parathyreoideahormon (PTH, et peptidhormon syntetisert i paratyreoidea) Og kalsitriol (fysiologisk aktiv form av henholdsvis vitamin D3, 1,25-dihydroksylkolciferol, 1,25- (OH) 2-D3), forblir passiv paracellulær diffusjon upåvirket av hormoner oppført. Reguleringen av transepitelial kalsiumresorpsjon av PTH og kalsitriol, henholdsvis, blir diskutert mer detaljert nedenfor. I enterocytter (celler i tynntarmen epitel), er kalsium bundet til et spesifikt kalsiumbindende bærer (transport) protein kalt calbindin, som transporterer kalsium gjennom enterocyttene til basolateralt (vekk fra tarmen) cellemembran. 1,25- (OH) 2-D3 fører til reseptormediert stimulering av intracellulær (inne i cellen) ekspresjon av calbindin. Kalsium kommer inn i blodet ved hjelp av en transmembran Ca2 + -ATPase (transportsystem som fungerer under energi og adenosin henholdsvis trifosfat (ATP) forbruk) og en Ca2 + / 3 Na + utvekslingsbærer (kalsiumtransporter drevet av en Na + gradient). Absorpsjonshastigheten til kalsium avhenger av en rekke faktorer og varierer mellom 15% og 60%. Etter barndommen viser kalsiumabsorpsjon den høyeste effektiviteten i puberteten (~ 60%), og reduseres deretter til 15-20% i voksen alder. Følgende faktorer hemmer kalsiumabsorpsjon, inkludert kompleksdannelse:

Følgende faktorer fremmer kalsiumabsorpsjon:

  • Samtidig absorpsjon av kalsium med mat
  • Fordeling over flere individuelle doser om dagen
  • 1,25-Dihydroxylcholecalciferol (1,25- (OH) 2-D3) - stimulerer intracellulær calbindinsyntese.
  • Lett absorberbare sukkerarter, for eksempel laktose (melk sukker).
  • Melkesyre
  • Sitronsyre
  • Aminosyrer
  • Kaseinfosfopeptider
  • Ikke-absorberbare karbohydrater, slik som inulin, fruktooligosakkarider og laktulose, som gjæres bakterielt til kortkjedede fettsyrer i ileum (nedre tynntarm) og tykktarm (tyktarmen) → det resulterende fallet i pH i tarmlumen fører til en økt frigjøring av bundet kalsium, slik at mer gratis kalsium er tilgjengelig for passiv absorpsjon

Under graviditet, blir kalsiumabsorpsjonen økt - formidlet av PTH og kalsitriol, henholdsvis - for å imøtekomme den daglige overføringen av kalsium over placenta (morkake) til foster (ufødt barn), som i gjennomsnitt er 250 mg i 3. trimester (tredje trimester av graviditet). I tillegg til økt tarm (gut-relatert) kalsiumabsorpsjon, oppfylles tilleggskravet til den gravide kvinnen ved økt kalsiumfrigjøring fra skjelettet etter 1. trimester. Sammenlignet med gravide, tap av kalsium med melk, som varierer fra 250 til 350 mg / dag, kompenseres for ammende kvinner ved økt kalsiummobilisering fra bein alene, noe som resulterer i 5% bein masse tap etter seks måneders amming. Imidlertid, innen 6-12 måneder etter avvenning, skjer restaurering av bein, uansett administrasjon av kalsium kosttilskudd- antar at kalsiuminntaket er tilstrekkelig.

Transport og distribusjon i kroppen

Menneskekroppens kalsiuminnhold er ca. 25-30 g (0.8% av kroppsvekten) ved fødselen og ca 900-1,300 g (opptil 1.7% av kroppsvekten) i voksen alder. Omtrent 99% av kroppens totale kalsium er ekstracellulært (utenfor cellene) i skjelettsystemet, inkludert tennene, hvor det hovedsakelig lagres i bundet form som uoppløst kalsium fosfat eller hydroksyapatitt (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2). I bein utgjør kalsium omtrent 39% av det totale mineralinnholdet. Bare litt mindre enn 1% av kroppen masse kalsium er lokalisert i andre kroppsvev (~ 7 g) og kroppsvæsker (~ 1 g). Dermed er det intracellulære kalsiuminnholdet 10,000 XNUMX ganger lavere enn det ekstracellulære kalsiuminnholdet. For å opprettholde konsentrasjon gradient mellom ekstracellulært og intracellulært kalsium, cellemembran er stort sett ugjennomtrengelig (ugjennomtrengelig) for kalsium under hvileforhold. I tillegg eksisterer transmembranpumpe eller transportsystemer, slik som Ca2 + -ATPases (Ca2 + transportører som opererer under ATP forbruk) og Ca2 + / 3 Na + utvekslingsbærere (Ca2 + transportører drevet av en Na + gradient), som transporterer kalsium ut av cellen. I membranene i det endoplasmatiske retikulumet (ER, rikt forgrenet kanalsystem med plane hulrom i eukaryote celler) er spesifikke Ca2 + -ATPaser, såkalte SERCAer (sarko- / endoplasmatisk retikulum Ca2 + -ATPaser), som begge kan pumpe kalsium fra cytosol inn i ER - intracellulær lagring - og transportere mineralet tilbake til cytosolen for cellulære funksjoner etter stimulering av cellen med passende kalsiummobiliserende stimuli. Tre forskjellige kalsiumfraksjoner kan skilles ut i blod. Jonisert, fritt kalsium danner den største fraksjonen med ca. 50%, etterfulgt av protein- (albumin-, globulin-) bundet kalsium (40-45%) og kalsium kompleksbundet med lavmolekylære ligander, slik som citrat, fosfat, sulfat og bikarbonat (5-10%). Både proteinmangel og pH-forskyvning påvirker forholdet mellom kalsiumfraksjoner til hverandre. For eksempel, acidose (blod pH <7.35) fører til redusert og alkalose (blod pH> 7.45) til økt proteinbinding serumkalsium, noe som resulterer i en tilsvarende økning eller reduksjon i andelen fritt, ionisert kalsium i serum - med ca. 0.21 mmol / l Ca2 + per pH-enhet. Den ioniserte frie kalsiumfraksjonen (1.1-1.3 mmol / l) representerer den biologisk aktive formen og er homeostatisk kontrollert av parathyreoideahormon, 1,25- (OH) 2-D3, og kalsitonin (et peptidhormon syntetisert i C-celler i skjoldbruskkjertelen) (se nedenfor). Dermed totalt serumkalsium konsentrasjon holdes konstant innenfor et relativt smalt område (2.25-2.75 mmol / l).

utskillelse

Kalsium utskilles hovedsakelig i urin og avføring (avføring) og marginalt i svette. Nyrene (nyre-relatert) mengde kalsium eliminert under normale forhold er mindre enn 4 mg / kg kroppsvekt per dag eller mindre enn 300 mg / dag hos menn og mindre enn 250 mg / dag hos kvinner. Renal kalsiumutskillelse skyldes glomerulær filtrering og tubulær reabsorpsjon (reabsorpsjon av nyretubuli), som forekommer passivt i den proksimale tubuli (hoveddelen av nyretubuli) og aktivt i den distale tubuli (midtre del av nyretubuli) - kontrollert av PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 og kalsitonin - og utgjør mer enn 98% av det filtrerte beløpet. Dette illustrerer at nyre spiller en avgjørende rolle i kalsiumhomeostase, eller vedlikehold av et konstant serumkalsiumnivå. Følgende faktorer fremmer nyre kalsiumutskillelse:

  • Økning i oral kalsiuminntak, for eksempel gjennom tilskudd (for eksempel kosthold kosttilskudd).
  • Koffein - I kaffe, grønn og svart teOsv
  • natrium - som en komponent av bordsalt (natrium klorid, NaCl); for hver 2 g diett natrium, 30-40 mg kalsium går tapt i urinen.
  • Økt proteininntak - både animalsk og vegetabilsk protein; 1 g protein øker renal kalsiumutskillelse med 0.5-1.5 mg
  • Økt fosfatinntak - i pølser, bearbeidet ost, brus osv .; et kalsium-fosfatforhold i kosthold av 1: 1.0-1.2 regnes som optimal
  • Økt alkoholinntak
  • Kronisk acidose (pH i blod <7.35)

Idiopatisk hyperkalsuri (ufysiologisk høyt kalsium i urinen konsentrasjon,> 4 mg kalsium / kg kroppsvekt / dag) skyldes en genetisk abnormitet med variabelt uttrykk der årsaken er ukjent - absorberende (påvirker tarmen), nyre (påvirker nyrene) eller ernæringsmessig. Personer med idiopatisk hyperkalsciuri, som har økt risiko for urolithiasis (dannelse av nyre steiner) sammenlignet med friske individer, viser høyere saltfølsomhet (synonymer: saltfølsomhet, saltfølsomhet, saltfølsomhet) enn personer med normal risiko for nyrestein. Salt- og proteinbegrensning fører til normalisering av nyre-kalsiumutskillelse hos hyperkalsiuriske pasienter. Kalsium som utskilles (utskilles) i mage-tarmkanalen er underlagt 85% tarmreabsorpsjon (reabsorpsjon). De resterende 15% (18-224 mg / dag) er tapt med avføring (avføring). Kalsiumtap med svette er estimert til å være 4-96 mg / dag, med obligatoriske tap fra 3 til 40 mg / dag.

Hormonell regulering av kalsiumhomeostase

Fordi kalsium spiller en sentral rolle i en rekke vitale funksjoner i den menneskelige organismen, er det viktig å opprettholde ekstracellulær ionisert fri kalsiumkonsentrasjon. Ionisert fritt serumkalsium er relatert til de forskjellige kalsiumrommene - bein, tynntarm, nyre - og holdes konstant innenfor trange grenser av et komplekst hormonelt reguleringssystem. Følgende hormoner er involvert i reguleringen av kalsiummetabolisme:

  • Parathyroid hormon
  • Kalsitriol (1,25-dihydroksylkolekalsiferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • kalsitonin

De hormoner som er oppført, påvirker tarmens kalsiumabsorpsjon, nyre kalsiumutskillelse og kalsiumfrigivelse eller opptak i bein. I tilfelle mindre avvik av den ekstracellulære frie kalsiumkonsentrasjonen, er tarm- og nyrekompensasjonsmekanismer vanligvis tilstrekkelig. Det er først når disse reguleringsmekanismene svikter at kalsium frigjøres fra skjelettet, noe som resulterer i tap av beinmasse assosiert med en svekkelse av den mekaniske stabiliteten til beinet. Endringer i ekstracellulær fri kalsiumkonsentrasjon blir registrert av spesifikk membran proteiner kalt kalsiumsensorer, som tilhører superfamilien til G-proteinkoblede 7-fold membrangjennomtrengelige reseptorer. Kalsiumspesifikke reseptorer uttrykkes hovedsakelig av paratyreoideceller, som frigjør PTH på en kalsiumavhengig måte, av skjoldbruskkjertel C-celler, som utskiller kalsitonin på en kalsiumavhengig måte og ved nyreceller som syntetiserer den aktive 1,25- (OH) 2-D3 på en kalsiumavhengig måte. I tillegg kan kalsiumsensorer også påvises på en rekke andre celletyper, slik som osteoklaster (beinresorberende celler) og enterocytter (tarmepitelceller). Det antas at via kalsiumfølsomme reseptorer en kalsiumavhengig modulering (økning) av effekten av hormoner PTH, kalsitriol og kalsitonin foregår på nivået av målcellene - bein, tynntarmEkstracellulær fri kalsiumkonsentrasjon lav - parathyreoideahormon og kalsitriol.

Når serumkalsiumnivået faller - som et resultat av utilstrekkelig inntak eller økte tap - blir PTH i økende grad syntetisert (dannet) i paratyreoideceller og utskilt (utskilt) i blodet. PTH når nyrene, hvor det stimulerer ekspresjon av 1-alfa-hydroksylase og dermed syntesen av 1,25- (OH) 2-D3, den biologisk aktive formen av vitamin D. Ved beinet stimulerer PTH og 1,25- (OH) 2-D3 aktiviteten til osteoklaster, som føre til resorpsjon (nedbrytning) av beinstoff. Kalsium frigjøres deretter fra bein og frigjøres i det ekstracellulære rommet. Siden kalsium lagres i skjelettsystemet i form av hydroksyapatitt (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), mobiliseres fosfationer fra bein samtidig - nær korrelasjon (forhold) mellom kalsium og fosfatmetabolisme. Ved penselgrensemembranen i den proksimale tynntarmen fremmer kalsitriol både aktiv transcellulær kalsiumabsorpsjon og fosfatreabsorpsjon og transport av kalsium og fosfat inn i det ekstracellulære rommet. I nyrene øker PTH tubulær kalsiumreabsorpsjon mens den hemmer reaksorpsjon av tubular fosfat. Til slutt er det økt renal utskillelse av fosfat, som har økt akkumulering på grunn av mobilisering av kalsiumfosfat fra bein og reabsorpsjon fra tarmen. Reduksjonen i serumfosfatnivå forhindrer på den ene siden utfelling av kalsiumfosfat i vev, og på den annen side stimulerer kalsiumfrigjøring fra bein - til fordel for serumkalsiumkonsentrasjon. Resultatet av effekten av PTH og kalsitriol på kalsiumbevegelser mellom kammer ved lave serumkalsiumnivåer er henholdsvis en økning og normalisering av ekstracellulær fri kalsiumkonsentrasjon. Forlengede forhøyede 1,25- (OH) 2-D3 serumnivåer føre til hemming av PTH-syntese og spredning (vekst og spredning) av paratyreoideceller - negativ tilbakemelding. Denne mekanismen fortsetter via vitamin D3-reseptorene til paratyreoideceller. Hvis kalsitriol opptar disse reseptorene som er spesifikke for seg selv, kan vitaminet påvirke målorganets metabolisme. Ekstracellulær fri kalsiumkonsentrasjon høy - kalsitonin

En økning i ekstracellulært ionisert kalsium får C-celler i skjoldbruskkjertelen til å syntetisere og utskille (utskille) mer kalsitonin. Kalsitonin hemmer aktiviteten til osteoklaster på beinet og dermed nedbrytningen av beinvev, noe som fremmer kalsiumavsetning i skjelettet. Samtidig stimulerer peptidhormonet nyre kalsiumutskillelse. Gjennom disse mekanismene fører kalsitonin til en reduksjon i serumkalsiumkonsentrasjonen. Calcitonin representerer en direkte antagonist (motstander) mot PTH. Når således ekstracellulært fritt kalsium økes, vil syntese og utskillelse av PTH fra paratyreoidea og PTH-indusert nyre 1,25- (OH) 2-D3 produksjon reduseres. Dette resulterer i redusert mobilisering av kalsiumfosfat fra bein, redusert tarmkalsiumreabsorpsjon og redusert tubulær kalsiumreabsorpsjon, og dermed økt kalsiumutskillelse i nyrene. Resultatet, i samsvar med Virkningsmekanismen av kalsitonin, er en reduksjon i ekstracellulær fri kalsiumkonsentrasjon og normalisering av serumkalsiumnivåer.

Kalsiumbalanse

Kalsium balansere er avhengig av alder. I løpet av vekstfasen i barndom og ungdomsår, forutsatt tilstrekkelig kalsiuminntak, er det et positivt kalsium balansere, med mer kalsium absorbert av kroppen enn eliminert av nyrene og tarmene. Den økte aktiviteten til osteoblaster (beindannende celler) fører til økt lagring av kalsium i beinstoffet og dermed til økt kalsiumlagring. Maksimal beinmineralmasse eller topp Bein tetthet er hovedsakelig anskaffet i ungdomsårene og ung voksen alder. Dermed har jenter og kvinner henholdsvis ca. 90% av det totale mineralinnholdet i skjelettet i alderen 16.9 ± 1.3 år og ca. 99% i alderen 26.2 ± 3.7 år. Hos henholdsvis gutter og menn kan det observeres en forsinkelse på ca. 1.5 år. Som regel oppnås topp beinmasse omtrent 30 år. Benmineralinnholdet karakteriserer bare det tilstrekkelige beinet styrke. Snarere bestemmes det av faktorer som fysisk aktivitet, muskelmasse, kroppsbygging og størrelse. Fra en alder av 30 år er det en likevekt i kalsium balansere gjennom flere tiår av livet, med mengden kalsium som absorberes av kroppen korrelerer med mengden kalsium som skilles ut i nyre og fekal. For eksempel, med et kalsiuminntak på 1,000 mg, absorberes ca. 200 mg og ca. 200 mg elimineres av nyrene, mens 250-500 mg frigjøres fra bein og resorberes som en del av ombyggingsprosesser. For å forhindre at kalsiumbalansen blir negativ, bør det tas hensyn til tilstrekkelig kalsiuminntak i kosten. Til tross for en balansert kalsiummetabolisme, Bein tetthet avtar kontinuerlig fra fylte 30. Hos friske mennesker er tapet av mineralmasse i bein omtrent 1% per år. Årsaken til tap av beinmasse med økende alder er økt aktivitet av osteoklaster (beinnedbrytende celler), som er ledsaget av økt nedbrytning av beinvev og økt kalsiumutslipp fra bein. Til slutt skilles mer kalsium ut i urinen og avføringen enn det som absorberes av tynntarmen og beinet. Eldre mennesker har derfor en negativ kalsiumbalanse. Spesielt reduseres beinmasse gradvis hos kvinner etter menopausen (menopause; overgangsalder hos kvinner) på grunn av endret østrogenstatus. Som et resultat av studier, kunne det forekomme tap av bein og mineralstoff hos kvinner på lårbenet hals fra 37 år og i ryggraden fra 48 år. Kvinner etter menopausen har derfor økt risiko for å utvikle seg osteoporose (bein tap). Jo lavere "topp beinmasse", jo høyere er risikoen for osteoporose. Studier hos kvinner etter overgangsalderen har vist at nivået av oralt kalsiuminntak er nært knyttet til risikoen for hoftebrudd. Kalsium administrasjon på 800-1,000 mg / dag resulterte i redusert osteoklastaktivitet hos pasientene, som stoppet beinresorpsjon eller tap av beinmasse og reduserte brudd forekomsten.