Kaltsium: määratlus, süntees, imendumine, transport ja jaotus

Kaltsium on keemiline element, millel on elemendi sümbol Ca ja aatomnumber 20. See kuulub leelismuldmetallide rühma ja on Maa arvult viies element. Kaltsium on inimese jaoks oluline (eluline) mineraal ja esineb organismis ainult kahevalentse katioonina (Ca2 +).

Absorptsioon

Toiduga seotud kaltsium seedetraktis (seedetraktis) seedemahlad, mis seejärel imenduvad (imenduvad) peensoolde, peamiselt kaksteistsõrmiksool (kaksteistsõrmiksoole) ja proksimaalse tühimiku (tühi ülaosa). Absorptsioon toimub transtsellulaarselt (mass transport läbi soole epiteelirakkude) aktiivse mehhanismiga, järgides küllastumiskineetikat madala kuni normaalse kaltsiumi tarbimise korral ja lisaks paratsellulaarselt (massitransport läbi soole epiteelirakkude interstitsiaalsete ruumide) passiivse difusiooni teel mööda elektrokeemilist gradienti suurtes kogustes. Passiivne soolestik absorptsioon, mis esineb kogu sooletraktis, kaasa arvatud koolon (jämesool), pole aktiivse resorptsioonimehhanismiga võrreldes kaugeltki nii efektiivne, mistõttu imendunud kogus suureneb absoluutarvudes kaltsiumi suurenemisega annus, kuid väheneb suhteliselt. Kuigi aktiivne transtsellulaarne kaltsium absorptsioon on reguleeritud kõrvalkilpnäärme hormoon (PTH, peptiidhormoon, mis on sünteesitud PSA-s) kõrvalkilpnääre) Ja kaltsitriool (vastavalt D3-vitamiini füsioloogiliselt aktiivne vorm, vastavalt 1,25-dihüdroksüülkolekaltsiferool, 1,25- (OH) 2-D3), passiivne paratsellulaarne difusioon ei mõjuta hormoonid loetletud. Transepiteliaalse kaltsiumi resorptsiooni reguleerimine PTH ja kaltsitrioolvastavalt käsitletakse üksikasjalikumalt allpool. Enterotsüütides (peensoole rakud epiteel) seondub kaltsium spetsiifilise kaltsiumi siduva kandja (transpordi) valguga, mida nimetatakse kalbindiiniks, mis transpordib kaltsiumi enterotsüütide kaudu basolateraalsesse (soolestikust eemale). rakumembraan. 1,25- (OH) 2-D3 viib retseptori vahendatud kalbindiini rakusisese (raku sees) ekspressiooni stimulatsioonini. Kaltsium siseneb vereringesse transmembraani Ca2 + -ATPaasi kaudu (transpordisüsteem, mis töötab energia ja adenosiin (vastavalt trifosfaadi (ATP) tarbimine) ja Ca2 + / 3 Na + vahetuskandja (Na + gradiendiga juhitav kaltsiumi transporter). Kaltsiumi imendumiskiirus sõltub paljudest teguritest ja varieerub vahemikus 15% kuni 60%. Pärast imikueas on kaltsiumi imendumine puberteedieas kõige tõhusam (~ 60%), seejärel väheneb täiskasvanuna 15-20% -ni. Järgmised tegurid pärsivad kaltsiumi imendumist, sealhulgas kompleksi moodustumist:

Kaltsiumi imendumist soodustavad järgmised tegurid:

  • Kaltsiumi samaaegne imendumine toiduga
  • Jaotus mitme üksiku annuse kaupa päevas
  • 1,25-dihüdroksüülkolekaltsiferool (1,25- (OH) 2-D3) - stimuleerib rakusisest kalbindiini sünteesi.
  • Kergesti imenduvad suhkrud, näiteks laktoos (piim suhkur).
  • Piimhape
  • Sidrunhape
  • Aminohapped
  • Kaseiinfosfopeptiidid
  • Mitteimenduvad süsivesikud, nagu inuliin, fruktooligosahhariidid ja laktuloos, mida kääritatakse bakteriaalselt lühikese ahelaga rasvhapeteks iileumis (peensoole alumine osa) ja jämesooles (jämesooles) → sellest tulenev pH langus soolevalendikus viib suurenenud seondunud kaltsiumi vabanemine, jättes passiivseks imendumiseks rohkem vaba kaltsiumi

Ajal rasedus, kaltsiumi imendumine on suurenenud - vahendavad PTH ja kaltsitrioolvastavalt - selleks, et kohandada kaltsiumi igapäevast ülekannet üle platsenta (platsenta) lootele (sündimata laps), mis on keskmiselt 250 mg 3. trimestril (XNUMX rasedus). Lisaks suurenenud soolestikule (rappima(seotud) kaltsiumi imendumisega, täidab rase naise täiendav vajadus kaltsiumi suurenenud vabanemine luustikust pärast 1. trimestrit. Rasedate naistega võrreldes on kaltsiumi kadu piim, mis jäävad vahemikku 250 kuni 350 mg päevas, kompenseeritakse imetavatel naistel kaltsiumi suurenenud mobilisatsiooniga ainult luust, mille tulemuseks on 5% luust mass kaotus pärast kuue kuu pikkust laktatsiooni. Kuid 6-12 kuu jooksul pärast võõrutamist toimub luude taastamine, hoolimata haldamine kaltsiumi toidulisandid- eeldatav kaltsiumi tarbimine on piisav.

Transport ja jaotumine kehas

Inimkeha kaltsiumisisaldus on sündides umbes 25–30 g (0.8% kehakaalust) ja täiskasvanueas umbes 900–1,300 g (kuni 1.7% kehakaalust). Ligikaudu 99% kogu keha kaltsiumist on rakusisene (väljaspool rakke) luusüsteemis, kaasa arvatud hambad, kus seda hoitakse peamiselt seotud kujul lahustumatu kaltsiumina fosfaat või hüdroksüapatiit (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2). Luudes moodustab kaltsium umbes 39% kogu mineraalainete sisaldusest. Ainult veidi vähem kui 1% kogu kehast mass kaltsiumi lokaliseeritakse teistes kehakudedes (~ 7 g) ja kehavedelikud (~ 1 g). Seega on rakusisene kaltsiumisisaldus 10,000 XNUMX korda madalam rakuvälise kaltsiumisisaldusest. Et säilitada kontsentratsioon gradient rakuvälise ja rakusisese kaltsiumi vahel, rakumembraan on puhketingimustes kaltsiumile suures osas mitteläbilaskev (mitteläbilaskev). Lisaks eksisteerivad transmembraansed pumbad või transpordisüsteemid, näiteks Ca2 + -ATPaasid (ATP tarbimise all töötavad Ca2 + transporterid) ja Ca2 + / 3 Na + vahetuskandjad (Na2 gradiendiga juhitavad Ca2 + transporterid), mis transpordivad kaltsiumi rakust välja. Endoplasma võrkkesta membraanides (ER, rikkalikult hargnenud tasapinnaliste õõnsuste kanalite süsteem eukarüootsetes rakkudes) on spetsiifilised Ca2 + -ATPaasid, nn SERCA-d (sarko- / endoplasmaatiline retikulum CaXNUMX + -ATPaasid), mis võivad mõlemad kaltsiumi pumpada tsütosoolist ER-i - rakusisene ladustamine - ja transpordi mineraal raku funktsioonide jaoks tagasi tsütosooli pärast raku stimuleerimist sobivate kaltsiumi mobiliseerivate stiimulitega. Kaltsiumis saab eristada kolme erinevat kaltsiumi fraktsiooni veri. Suurima fraktsiooni moodustab ioniseeritud vaba kaltsium, umbes 50%, millele järgneb valgu- (albumiin-, globuliiniga seotud kaltsium (40–45%) ja kaltsium, mis on komplekseeritud madala molekulmassiga ligandidega, nagu tsitraat, fosfaat, sulfaat ja vesinikkarbonaat (5-10%). Nii valgu defitsiit kui ka pH nihe mõjutavad kaltsiumifraktsioonide suhet üksteise suhtes. Näiteks, atsidoos (veri pH <7.35) viib vähendatud ja alkaloos (veri pH> 7.45) suurenenud seondumine valkudega seerumi kaltsiumisisaldust, mille tulemuseks on vaba, ioniseeritud kaltsiumi osakaalu seerumis vastav suurenemine või vähenemine - ligikaudu 0.21 mmol / l Ca2 + pH ühiku kohta. Ioniseeritud vaba kaltsiumifraktsioon (1.1-1.3 mmol / l) tähistab bioloogiliselt aktiivset vormi ja seda kontrollitakse homöostaatiliselt kõrvalkilpnäärme hormoon, 1,25- (OH) 2-D3 ja kaltsitoniin (kilpnäärme C-rakkudes sünteesitud peptiidhormoon) (vt allpool). Seega kogu seerumi kaltsium kontsentratsioon hoitakse konstantsena suhteliselt kitsas vahemikus (2.25-2.75 mmol / l).

Eritumine

Kaltsium eritub peamiselt uriini ja väljaheitega (väljaheide) ja vähesel määral higiga. Neerude (neernormaalsetes tingimustes elimineeritud kaltsiumi kogus on alla 4 mg / kg kehamassi kohta päevas või meestel alla 300 mg päevas ja naistel alla 250 mg päevas. Kaltsiumi eritumine neerude kaudu toimub glomerulaarfiltratsiooni ja torukeste reabsorptsiooni kaudu. (reabsorptsioon neerutuubulite poolt), mis toimub passiivselt proksimaalses tuubulis (neerutuubulite põhiosas) ja aktiivselt distaalses tuubulis (neerutuubulite keskosas) - kontrollitud PTH abil, 1,25- (OH) 2 -D3 ja kaltsitoniin - ja moodustab üle 98% filtreeritud kogusest. See illustreerib, et neer mängib otsustavat rolli kaltsiumi homöostaasis või seerumi püsiva kaltsiumisisalduse säilitamisel. Järgmised tegurid soodustavad kaltsiumi eritumist neerude kaudu:

  • Suu kaudu manustatava kaltsiumi tarbimine suureneb näiteks toidulisandite (nt toidusedeli) kaudu toidulisandid).
  • Kofeiin - In kohv, roheline ja must teeJne
  • Naatrium - lauasoola (naatrium kloriidNaCl); iga 2 g dieedi kohta naatrium, Uriinis kaob 30-40 mg kaltsiumi.
  • Suurenenud valgu tarbimine - nii loomne kui ka taimne valk; 1 g valku suurendab neerude kaltsiumi eritumist 0.5-1.5 mg võrra
  • Suurenenud fosfaatide tarbimine - vorstides, sulatatud juustus, karastusjookides jne; kaltsiumi ja fosfaadi suhe dieet 1: 1.0–1.2 peetakse optimaalseks
  • Suurenenud alkoholi tarbimine
  • Krooniline atsidoos (vere pH <7.35)

Idiopaatiline hüperkaltseuria (mittefüsioloogiliselt kõrge uriini kaltsium kontsentratsioon,> 4 mg kaltsiumi / kg kehamassi kohta päevas) on tingitud muutuva ekspressiooniga geneetilistest kõrvalekalletest, mille põhjus on teadmata - imenduv (mõjutab soolestikku), neerude (mõjutab neere) või toitumisalane. Idiopaatilise hüperkaltseuriaga isikud, kellel on suurenenud risk urolitiaasi tekkeks ( neer kivid), võrreldes tervete inimestega, on soolatundlikkus suurem (sünonüümid: soolatundlikkus; soolalahuse tundlikkus; soolalahuse tundlikkus) kui normaalse neerukivid. Soolalahuse ja valkude piiramine viib kaltsiumi eritumise neerudesse normaliseerumiseni hüperkaltseursetel patsientidel. Seedetraktis sekreteeritav (erituv) kaltsium allub soolestikus 85% tagasiimendumisele (reabsorptsioonile). Ülejäänud 15% (18-224 mg / päevas) kaob koos väljaheitega (väljaheide). Kaltsiumikadu koos higiga on hinnanguliselt 4–96 mg / päevas, kohustuslikud kaod jäävad vahemikku 3–40 mg / päevas.

Kaltsiumi homöostaasi hormonaalne reguleerimine

Kuna kaltsiumil on inimorganismi mitmetes elutähtsates funktsioonides keskne roll, on rakuvälise ioniseeritud vaba kaltsiumi kontsentratsiooni säilitamine hädavajalik. Ioniseeritud vaba seerumi kaltsium on seotud erinevate kaltsiumisektsioonidega - luu, peensoolde, neer - ja keerulise hormonaalse reguleerimissüsteemi abil hoitakse see pidevalt kitsastes piirides. Kaltsiumi metabolismi reguleerimises osalevad järgmised hormoonid:

  • Paratüreoidhormoon
  • Kaltsitriool (1,25-dihüdroksüülkolekaltsiferool, 1,25- (OH) 2-D3)
  • Kaltsitoniin

. hormoonid loetletud mõjutavad kaltsiumi imendumist soolestikus, kaltsiumi eritumist neerude kaudu ja kaltsiumi vabanemist luust. Rakuvälise vaba kaltsiumi kontsentratsiooni väikeste kõrvalekallete korral piisab tavaliselt soolestiku ja neerude kompensatsioonimehhanismidest. Alles siis, kui need regulatiivsed mehhanismid ebaõnnestuvad, vabaneb luustik kaltsiumi, mille tulemuseks on luumassi kadu, mis on seotud luu mehaanilise stabiilsuse nõrgenemisega. Rakuvälise vaba kaltsiumi kontsentratsiooni muutusi tajub spetsiifiline membraan valgud nn kaltsiumisensorid, mis kuuluvad G-valguga seotud 7-kordsete membraani läbilaskvate retseptorite superperekonda. Kaltsiumispetsiifilisi retseptoreid avaldavad peamiselt kõrvalkilpnäärme rakud, mis vabastavad PTH kaltsiumist sõltuvalt, kilpnäärme C-rakud, mis eritavad kaltsitoniin kaltsiumist sõltuval viisil ja neerurakud, mis sünteesivad aktiivset 1,25- (OH) 2-D3 kaltsiumist sõltuval viisil. Lisaks saab kaltsiumisensoreid tuvastada ka mitmetel teistel rakutüüpidel, näiteks osteoklastidel (luu resorbeeruvad rakud) ja enterotsüütidel (soole epiteelirakud). Eeldatakse, et kaltsiumitundlike retseptorite kaudu toimib kaltsiumist sõltuv modulatsioon (suurenemine) hormoonid PTH, kaltsitriool ja kaltsitoniin leiavad aset sihtrakkude - luu, peensoolde, neerurakud. Ekstratsellulaarne vaba kaltsiumi kontsentratsioon madal - kõrvalkilpnäärme hormoon ja kaltsitriool.

Kui seerumi kaltsiumisisaldus langeb - ebapiisava tarbimise või suurenenud kadude tagajärjel - sünteesitakse (moodustub) PTH kõrvalkilpnäärme rakkudes ja sekreteeritakse (sekreteeritakse) vereringesse. PTH jõuab neerudesse, kus see stimuleerib 1-alfa-hüdroksülaasi ekspressiooni ja seega 1,25- (OH) 2-D3, bioloogiliselt aktiivse vormi sünteesi. D-vitamiini. Luuosas stimuleerivad PTH ja 1,25- (OH) 2-D3 osteoklastide aktiivsust, mis viima luu aine resorptsioonini (lagunemiseni). Seejärel vabastatakse kaltsium luust ja rakuvälisesse ruumi. Kuna kaltsium ladustatakse luustikus hüdroksüapatiidi (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2) kujul, mobiliseeritakse luust fosfaatioonid samaaegselt - kaltsiumi ja fosfaatide ainevahetuse tihe korrelatsioon (suhe). Proksimaalse peensoole harjapiirdemembraanil soodustab kaltsitriool nii raku kaltsiumi aktiivset imendumist kui ka fosfaatide reabsorptsiooni ning kaltsiumi ja fosfaadi rakuvälisesse ruumi transportimist. Neerudes suurendab PTH tubulaarse kaltsiumi reabsorptsiooni, inhibeerides samal ajal torukujulise fosfaadi reabsorptsiooni. Lõpuks suureneb fosfaadi eritumine neerude kaudu, mis on suurenenud akumuleerumise tõttu kaltsiumfosfaadi mobiliseerumise tõttu luust ja reabsorptsioonist soolestikust. Seerumi fosfaaditaseme langus takistab ühelt poolt kaltsiumfosfaadi sadestumist kudedes ja teiselt poolt stimuleerib kaltsiumi vabanemist luust - seerumi kaltsiumikontsentratsiooni kasuks. PTH ja kaltsiitriooli mõju seerumite vahelistele kaltsiumi liikumistele seerumi madala taseme korral seerumis on vastavalt rakuvälise vaba kaltsiumi kontsentratsiooni tõus ja normaliseerumine. Pikaajaline kõrgenenud seerumi 1,25- (OH) 2-D3 tase viima kõrvalkilpnäärme rakkude PTH sünteesi ja proliferatsiooni (kasvu ja proliferatsiooni) pärssimiseks - negatiivne tagasiside. See mehhanism toimub paratüreoidrakkude D3-vitamiini retseptorite kaudu. Kui kaltsitriool hõivab need enda jaoks omased retseptorid, võib vitamiin mõjutada sihtorgani ainevahetust. Rakuväline vaba kaltsiumi kontsentratsioon kõrge - kaltsitoniin

Rakuvälise ioniseeritud kaltsiumi suurenemine põhjustab kilpnäärme C-rakkude sünteesi ja sekreteerib (eritab) rohkem kaltsitoniini. Kaltsitoniin pärsib osteoklastide aktiivsust luul ja seeläbi luukoe lagunemist, mis soodustab kaltsiumi sadestumist luustikus. Samal ajal stimuleerib peptiidhormoon kaltsiumi eritumist neerude kaudu. Nende mehhanismide kaudu viib kaltsitoniin seerumi kaltsiumikontsentratsiooni vähenemiseni. Kaltsitoniin esindab PTH otsest antagonisti (vastast). Seega, kui rakuvälise vaba kaltsiumi sisaldus on suurenenud, toimub PTH süntees ja sekretsioon kõrvalkilpnääre ja PTH poolt indutseeritud neeru 1,25- (OH) 2-D3 produktsioon on vähenenud. Selle tulemuseks on kaltsiumfosfaadi mobilisatsiooni vähenemine luust, soole kaltsiumi reabsorptsiooni vähenemine ja tubulaarse kaltsiumi reabsorptsiooni vähenemine ning seeläbi suurenenud kaltsiumi eritumine neerude kaudu. Tulemus on kooskõlas toimemehhanism kaltsitoniini sisaldus on rakuvälise vaba kaltsiumi kontsentratsiooni langus ja seerumi kaltsiumisisalduse normaliseerumine.

Kaltsiumi tasakaal

Kaltsium tasakaal sõltub vanusest. Kasvufaasis aastal lapsepõlv ja noorukieas, eeldades piisavat kaltsiumi tarbimist, on positiivne kaltsium tasakaal, kus keha imendub rohkem kaltsiumi kui neerude ja soolte kaudu. Osteoblastide (luu moodustavate rakkude) suurenenud aktiivsus viib kaltsiumi suurema säilituseni luuaines ja seeläbi kaltsiumi suurema säilitamiseni. Maksimaalne luu mineraalne mass või tipp luutihedus omandatakse valdavalt noorukieas ja noorukieas. Seega on tüdrukutel ja naistel vastavalt umbes 90% kogu luustiku mineraalide sisaldusest 16.9 ± 1.3 aasta vanuseks ja umbes 99% 26.2 ± 3.7 aasta vanuseks. Poistel ja meestel võib täheldada umbes 1.5-aastast hilinemist. Reeglina saavutatakse maksimaalne luumassi suurus umbes 30. eluaastaks. Luu mineraalide sisaldus iseloomustab tegelikku luu ainult ebapiisavalt tugevus. Pigem määravad selle sellised tegurid nagu füüsiline aktiivsus, lihasmass, kehaehitus ja suurus. Alates 30. eluaastast on tasakaalus kaltsium tasakaal mitmete aastakümnete jooksul, kusjuures keha imendunud kaltsiumi kogus korreleerub neerude ja väljaheitega erituva kaltsiumi kogusega. Näiteks kui kaltsiumi tarbimine on 1,000 mg, imendub ligikaudu 200 mg ja umbes 200 mg elimineeritakse neerude kaudu, samal ajal kui 250–500 mg vabaneb luust ja imendub ümbermoodustumisprotsesside osana. Et kaltsiumi bilanss ei muutuks negatiivseks, tuleks hoolitseda selle eest, et toidus oleks piisavalt kaltsiumi. Vaatamata tasakaalustatud kaltsiumi metabolismile on luutihedus väheneb pidevalt alates 30. eluaastast. Tervetel inimestel on luu mineraalse massi kadu umbes 1% aastas. Vananeva luumassi vähenemise põhjuseks on osteoklastide (luu lagundavate rakkude) suurenenud aktiivsus, millega kaasneb luukoe suurem lagunemine ja kaltsiumi suurenenud vabanemine luust. Lõpuks eritub uriiniga ja väljaheitega rohkem kaltsiumi, kui see imendub peensooles ja luudes. Eakatel inimestel on kaltsiumi bilanss seega negatiivne. Eriti väheneb luumass järk-järgult postmenopausis naistel (menopausi; naistel menopaus) östrogeeni seisundi muutuse tõttu. Uuringute tulemusena võis emastel täheldada luu ja mineraalainete kadumise reieluu piirkonnas kael alates 37. eluaastast ja selgroolüli alates 48. eluaastast. Menopausijärgsetel naistel on seetõttu suurem risk haigestuda Osteoporoosi (luukadu). Mida väiksem on luukoe tippmass, seda suurem on risk Osteoporoosi. Uuringud postmenopausis naistel on näidanud, et suu kaudu manustatava kaltsiumi tase on tihedalt seotud puusaluumurdude riskiga. Kaltsium haldamine annus 800-1,000 mg päevas vähendas subjektide osteoklastide aktiivsust, mis peatas luu resorptsiooni või luumassi kadu ja vähendas luumurd esinemissagedus.