Metabolizm wapnia

Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Metabolizm wapnia odnosi się do ruchów i regulacji jonów wapnia (Ca2+) do i z różnych przedziałów ciała, takich jak przewód żołądkowo-jelitowy, osocze krwi, płyn zewnątrzkomórkowy i wewnątrzkomórkowy oraz tkanka kostna. Ważnym aspektem metabolizmu wapnia jest homeostaza wapnia w osoczu, regulacja jonów wapnia w osoczu krwi w wąskich granicach.[1] W tym procesie, tkanka kostna działa jak centrum przechowywania wapnia dla depozytów i wypływów w razie potrzeby przez ciągłą przebudowę kości.[2]:276–277 Zaburzenia tego mechanizmu prowadzą do hiperkalcemii lub hipokalcemii, z których oba mogą mieć poważne konsekwencje dla zdrowia. U ludzi, kiedy poziom wapnia w osoczu wzrasta powyżej nastawy, gruczoł tarczowy uwalnia kalcytoninę, powodując powrót poziomu wapnia w osoczu do normy. Kiedy spadnie poniżej tego punktu, gruczoły przytarczyczne uwalniają parathormon (PTH), powodując wzrost poziomu wapnia w osoczu.

Stężenia wapnia

Wapń jest najobficiej występującym minerałem w ludzkim ciele. Średnie dorosłe ciało zawiera łącznie około 1 kg, 99% w szkielecie w postaci soli fosforanu wapnia. Płyn zewnątrzkomórkowy (ECF) zawiera około 22 mmol, z których około 9 mmol jest w osoczu.[3] Około 10 mmol wapnia jest wymieniane między kością a ECF w ciągu dwudziestu czterech godzin.[4] Stężenie jonów wapnia w komórkach (w płynie wewnątrzkomórkowym) jest ponad 7000 razy niższe niż w osoczu krwi (to jest przy <0,0002 mmol / L, w porównaniu z 1,4 mmol / L w osoczu)

Funkcjonować

Główny artykuł: Wapń w biologii

Wapń ma kilka głównych funkcji w ciele. Łatwo wiąże się z białkami, szczególnie z aminokwasami, których łańcuchy boczne kończą się grupami karboksylowymi (-COOH) (np. Resztami glutaminianu). Gdy takie wiązanie zachodzi, ładunki elektryczne w łańcuchu białkowym zmieniają się, powodując zmianę struktury trzeciorzędowej białka (to jest postaci trójwymiarowej). Dobrymi przykładami są niektóre z czynników krzepnięcia krwi w osoczu krwi, które są pozbawione funkcji w nieobecności jonów wapnia, ale stają się w pełni funkcjonalne po dodaniu prawidłowego stężenia soli wapniowych. Kwasowe kanały jonowe bramkowane napięciem w błonach komórkowych nerwów i mięśni są szczególnie wrażliwe na stężenie jonów wapnia w osoczu.[5] Stosunkowo niewielkie spadki poziomu zjonizowanego wapnia w osoczu (hipokalcemia) powodują, że kanały te przenikają do komórek nerwowych lub aksonów, co powoduje ich nadpobudliwość (pozytywny efekt batotropowy), powodując spontaniczne skurcze mięśni (tężyczka) i parestezję (uczucie "szpilki i igły") kończyn i dookoła ust.[6] Kiedy poziom zjonizowanego wapnia w osoczu wzrasta powyżej normy (hiperkalcemia), więcej wapnia wiąże się z tymi kanałami sodowymi, które mają ujemny efekt batomotropowy, powodując letarg, osłabienie mięśni, anoreksję, zaparcia i labilne emocje.[6]

Wapń działa strukturalnie jako materiał nośny w kościach, takich jak hydroksyapatyt wapnia (Ca10(PO4)6(O)2).

Ponieważ wewnątrzkomórkowe stężenie jonów wapnia jest wyjątkowo niskie (patrz wyżej), wejście niewielkich ilości jonów wapnia z retikulum endoplazmatycznego lub płynów pozakomórkowych powoduje szybkie, bardzo wyraźne i łatwo odwracalne zmiany we względnej koncentracji tych jonów w cytosol. Może to zatem służyć jako bardzo skuteczny sygnał wewnątrzkomórkowy (lub "drugi posłaniec") w różnych okolicznościach, w tym skurczu mięśni, uwalnianiu hormonów (np. Insuliny z komórek beta w wysepkach trzustkowych) lub neuroprzekaźnikach (np. Acetylocholina z pre -synaptyczne zaciski nerwów) i inne funkcje.

W jonach szkieletowych i mięśnia sercowego jony wapnia uwalniane z retikulum sarkoplazmatycznego (retikulum endoplazmatycznego mięśni prążkowanych) wiążą się z troponiną C obecną na cienkich włóknach zawierających mioglobiny, zawierających aktynę. Struktura 3D troponiny zmienia się w wyniku, powodując, że tropomiozyna, do której jest przyłączona, jest zwinięta z miejsc wiązania miozyny na cząsteczkach aktyny, które tworzą tylną część cienkich włókien. Miozyna może następnie wiązać się z odsłoniętymi miejscami wiązania miozyny na cienkim filamencie, aby przejść powtarzającą się serię zmian konformacyjnych zwanych cyklem skrzyżowanym, dla których ATP dostarcza energię. Podczas cyklu każde białko miozynowe "wiosłuje" wzdłuż cienkiego filamentu aktyny, wielokrotnie wiążąc się z miejscami wiążącymi miozynę wzdłuż filamentu aktyny, zapadając i puszczając. W efekcie gruby filament przesuwa się lub przesuwa wzdłuż cienkiego włókna, powodując skurcz mięśni. Proces ten jest znany jako przesuwny model włóknisty skurczu mięśni.[7][8][9][10][11]

Normalne zakresy

Plazma całkowity wapń stężenie mieści się w przedziale 2,2-2,6 mmol / L (9-10,5 mg / dL), a normalne zjonizowany wapń wynosi 1,3-1,5 mmol / L (4,5-5,6 mg / dL).[3] Ilość całkowitego wapnia we krwi różni się w zależności od poziomu albuminy osocza, najbardziej obfitego białka w osoczu, a zatem głównego nośnika wapnia związanego z białkiem we krwi. Biologiczny efekt wapnia jest jednak określony przez ilość zjonizowany wapń, a nie całkowity wapń. Jest to zatem zjonizowany poziom wapnia w osoczu, który jest ściśle regulowany, aby pozostawać w bardzo wąskich granicach przez homeostatyczne systemy sprzężenia zwrotnego.

Około 35-50% wapnia w osoczu wiąże się z białkami, a 5-10% występuje w postaci kompleksów z kwasami organicznymi i fosforanami. Reszta (50-60%) jest zjonizowana.Zjonizowany wapń można określić bezpośrednio za pomocą kolorymetrii lub można go odczytać z nomogramów, chociaż przydatność tego ostatniego jest ograniczona, gdy pH i zawartość białka w osoczu znacznie odbiegają od wartości normalnej.[3]

Organy efektorowe

Wchłanianie z jelita

Normalna dieta dla dorosłych zawiera około 25 mmol wapnia dziennie. Tylko około 5 mmol tego jest wchłaniane do organizmu na dzień (patrz poniżej).[12]

Wapń jest wchłaniany przez błonę szczoteczkową granicznej komórki nabłonka jelitowego i jest natychmiast związany z kalbindyną, zależnym od witaminy D białkiem wiążącym wapń. Calbindin przenosi wapń bezpośrednio do retikulum endoplazmatycznego komórki nabłonkowej, przez co wapń przenosi się do błony podstawnej po przeciwnej stronie komórki, bez wchodzenia do cytozolu. Stąd TRPV6 i pompy wapniowe (PMCA1) aktywnie transportują wapń do organizmu.[13] Aktywny transport wapnia występuje głównie w dwunastnicy jelita, gdy spożycie wapnia jest niskie; oraz poprzez pasywny transport pozakomórkowy w jelicie czczym i częściach jelita krętego, gdy spożycie wapnia jest wysokie, niezależnie od poziomu witaminy D.[14]

Aktywna absorpcja wapnia z jelit regulowana jest przez kalcytriol (1,25-dihydroksycholekalcyferol lub 1,25-dihydroksywitaminę D3) stężenie we krwi. Kalcytriol jest pochodną cholesterolu. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego na skórze cholesterol przekształca się w prewitytaminę D3 który spontanicznie izomeryzuje na witaminę D3 (lub cholekaliferol). Jest następnie przekształcany z cholekaliferolu w wapń w wątrobie.[15] Pod wpływem hormonu przytarczyc nerki przekształcają kalcyfediol w aktywny hormon, 1,25 dihydroksycholekalcyferolu, który działa na komórki nabłonka (enterocyty) wyściełające jelito cienkie w celu zwiększenia szybkości wchłaniania wapnia z treści jelitowej. Niski poziom parathormonu we krwi (występujący w warunkach fizjologicznych, gdy stężenie jonów wapnia w osoczu jest wysokie) hamuje konwersję cholekalcyferolu do kalcytriolu, który z kolei hamuje wchłanianie wapnia z jelit. Dzieje się odwrotnie, gdy poziom zjonizowanego wapnia w osoczu jest niski: parathormon jest wydzielany do krwi, a nerki przekształcają więcej kalcyfediolu w aktywny kalcytriol, zwiększając wchłanianie wapnia z jelit.[16] Ponieważ około 15 mmol wapnia jest wydalane do jelita przez żółć dziennie,[3] całkowita ilość wapnia docierającego do dwunastnicy i jelita czczego każdego dnia wynosi około 40 mmol (25 mmol od diety plus 15 mmol od żółci), z których średnio 20 mmol jest wchłaniany (z powrotem) do krwi. Wynik netto jest taki, że około 5 mmol więcej wapnia jest absorbowane z jelit, niż jest wydalane do niego przez żółć. Jeśli nie ma aktywnej budowy kości (jak w dzieciństwie) lub zwiększonego zapotrzebowania na wapń podczas ciąży i laktacji, 5 mmol wapnia, który jest wchłaniany z jelit, rekompensuje straty w moczu, które są tylko częściowo regulowane.[12] Większość wydalania nadmiaru wapnia odbywa się poprzez żółć i kał, ponieważ poziomy kalcytriolu w osoczu (które ostatecznie zależą od poziomu wapnia w osoczu) regulują, jak dużo wapnia żółciowego ulega resorpcji z treści jelitowej. Wydalanie wapnia z moczem jest stosunkowo niewielkie (około 5 mmol / dobę) w porównaniu z tym, co można wydalać z kałem (15 mmol / dobę).

Nie wszystkie wapnia w diecie można łatwo wchłonąć z jelit. Najłatwiej wchłaniany wapń znajduje się w produktach mlecznych i jajach, a także w produktach z konserw rybnych. Wapń zawarty w materiale roślinnym często jest skompleksowany z fitynianami,[17] szczawiany,[18] cytrynian i inne kwasy organiczne, takie jak długołańcuchowe kwasy tłuszczowe (na przykład kwas palmitynowy), z którymi wapń wiąże się tworząc nierozpuszczalne mydła wapniowe.[19]

Nerki

Nerki filtrują 250 mmol jonów wapnia dziennie w pro-moczu (lub przesączu kłębuszkowym) i wchłaniają 245 mmol, prowadząc do średniej netto straty w moczu około 5 mmol / d. Ilość jonów wapnia wydalanych z moczem na dzień jest częściowo pod wpływem poziomu parathormonu (PTH) w osoczu - wysokie poziomy PTH zmniejszają szybkość wydalania jonów wapnia, a niskie poziomy ją zwiększają.[notatka 1] Jednak parathormon ma większy wpływ na ilość jonów fosforanowych (HPO42−) wydalane z moczem.[20] Fosforany tworzą nierozpuszczalne sole w połączeniu z jonami wapnia. Wysokie stężenia HPO42− w plazmie obniżyć zjonizowany poziom wapnia w płynach zewnątrzkomórkowych. Tak więc wydalanie większej ilości jonów fosforanowych niż wapnia w moczu powoduje zwiększenie zjonizowanego poziomu wapnia w osoczu, nawet jeśli całkowite stężenie wapnia może być obniżone. Nerka wpływa na zjonizowane stężenie wapnia w osoczu w jeszcze inny sposób. Przetwarza witaminę D3 w kalcytriol, aktywną postać, która jest najskuteczniejsza w promowaniu jelitowej absorpcji wapnia. To przekształcenie witaminy D3 w kalcytriol jest również promowany przez wysoki poziom parathormonu w osoczu.[16][21] (Patrz poniżej.)

Rola kości

Chociaż przepływ wapnia do i z kości jest obojętny, około 5-10 mmol obraca się w ciągu dnia. Kość służy jako ważny punkt magazynowania wapnia, ponieważ zawiera 99% całkowitego wapnia w organizmie. Uwalnianie wapnia z kości jest regulowane przez parathormon (PTH) w połączeniu z kalcytriolem wytwarzanym w nerkach pod wpływem PTH. Kalcytonina (hormon wydzielany przez gruczoł tarczycy, gdy poziomy zjonizowanego wapnia w osoczu są wysokie lub rosnące, nie należy go mylić z "kalcytriolem" wytwarzanym w nerkach) stymuluje wprowadzanie wapnia do kości.

Niski poziom wapnia może stanowić czynnik ryzyka rozwoju osteoporozy w późniejszym życiu. W jednej metaanalizie autorzy stwierdzili, że w pięćdziesięciu spośród pięćdziesięciu dwóch badań, które analizowali, dieta odpowiednio bogata w wapń, zmniejszała utratę wapnia z kości w postępującym wieku (po menopauzie).[22] Dieta z utrzymującą się odpowiednią ilością wapnia zmniejszała ryzyko osteoporozy.

Regulacja metabolizmu wapnia

Regulacja wapnia w organizmie człowieka.[23]

Stężenie zjonizowanego wapnia w osoczu regulowane jest w wąskich granicach (1,3-1,5 mmol / L). Osiąga się to zarówno przez komórki parafialne gruczołu tarczycy, jak i gruczoły przytarczyczne nieustannie wykrywające (to znaczy mierzące) stężenie jonów wapnia we krwi przez nie przepływającej. Gdy stężenie wzrasta, komórki parafinowe tarczycy zwiększają wydzielanie kalcytoniny (hormonu białkowego) do krwi. W tym samym czasie gruczoły przytarczycowe zmniejszają szybkość wydzielania hormonu parathormonu (lub PTH, także hormonu białkowego) do krwi. Wynikające z tego wysokie poziomy kalcytoniny we krwi stymulują szkielet do usuwania wapnia z osocza krwi i gromadzą go w postaci kości. Obniżone poziomy PTH hamują usuwanie wapnia ze szkieletu. Niski poziom PTH ma kilka innych skutków: zwiększają one utratę wapnia w moczu, ale co ważniejsze hamują utratę jonów fosforanowych tą drogą. Jony fosforanowe będą zatem zatrzymywane w osoczu, gdzie tworzą nierozpuszczalne sole z jonami wapnia, usuwając je z zjonizowanej puli wapnia we krwi. Niskie poziomy PTH hamują również tworzenie kalcytriolu (1,25-dihydroksywitaminy D)3) z cholekalcyferolu (witamina D3) przez nerki. Zmniejszenie stężenia kalcytriolu działa (stosunkowo powoli) na komórki nabłonka (enterocyty) dwunastnicy, hamując ich zdolność do wchłaniania wapnia z treści jelitowej.[1][4][24][25] Niski poziom kalcytriolu działa również na kość, powodując, że osteoklasty uwalniają mniej jonów wapnia do osocza krwi.[20]

Kiedy poziom zjonizowanego wapnia w plazmie jest niski lub spada, dzieje się odwrotnie. Sekrecja kalcytoniny jest hamowana, a wydzielanie PTH jest stymulowane, co powoduje, że wapń jest usuwany z kości, aby szybko poprawić poziom wapnia w osoczu. Wysokie poziomy PTH w osoczu hamują utratę wapnia przez mocz, jednocześnie stymulując wydalanie jonów fosforanowych tą drogą. Stymulują również nerki do produkcji kalcytriolu (hormonu steroidowego), który zwiększa zdolność komórek wyściółki jelita do wchłaniania wapnia z treści jelitowej do krwi, stymulując produkcję kalbindyny w tych komórkach. Stymulowana przez PTH produkcja kalcytriolu powoduje również uwalnianie wapnia z kości do krwi poprzez uwalnianie RANKL (cytokiny lub miejscowego hormonu) z osteoblastów, które zwiększają resorpcyjną aktywność kości przez osteoklasty. Są to jednak stosunkowo powolne procesy[1][4][20][24][25]

Zatem szybka krótkoterminowa regulacja poziomu zjonizowanego wapnia w osoczu obejmuje przede wszystkim gwałtowne ruchy wapnia do szkieletu lub z niego. Dłuższą regulację osiąga się regulując ilość wapnia wchłoniętego z jelit lub utraconego z kałem.[1][4][24][25]

Patologia

Główny artykuł: Zaburzenia metabolizmu wapnia

Hipokalcemia (niski poziom wapnia we krwi) i hiperkalcemia (wysoki poziom wapnia we krwi) to poważne zaburzenia medyczne. Osteoporoza, osteomalacja i krzywica to zaburzenia kości związane z zaburzeniami metabolizmu wapnia i działaniem witaminy D. Osteodystrofia nerek jest konsekwencją przewlekłej niewydolności nerek związanej z metabolizmem wapnia.

Badania nad zapobieganiem rakowi

Rola, jaką wapń może mieć w zmniejszaniu częstości występowania raka okrężnicy i odbytnicy, była przedmiotem wielu badań. Jednakże, biorąc pod uwagę jego niewielką skuteczność, nie ma obecnie zaleceń lekarskich dotyczących stosowania wapnia w redukcji raka.Kilka badań epidemiologicznych sugeruje, że osoby z wysokim spożyciem wapnia mają mniejsze ryzyko zachorowania na raka jelita grubego. Obserwacje te zostały potwierdzone w badaniach eksperymentalnych przeprowadzonych na ochotnikach i gryzoniach. Jedno badanie kliniczne na dużą skalę pokazuje, że 1,2 g wapnia dziennie zmniejsza, skromnie, nawroty polipów jelitowych u ochotników.[26] Dostępne są dane z czterech opublikowanych badań.[27] Niektóre czterdzieści badań nad rakotwórczością u szczurów lub myszy, opisywanych w Chemoprev.Database, również potwierdzają, że wapń może zapobiegać rakowi jelitowemu.[28]

Zobacz też

  • Europejskie Towarzystwo Calcium

Przypisy

  1. ^ Głównym wyznacznikiem ilości wapnia wydalanego do moczu na dzień jest stężenie zjonizowanego wapnia w osoczu. Stężenie parathormonu w osoczu (PTH) tylko zwiększa lub zmniejsza ilość wapnia wydalanego w jakimkolwiek innym biorąc pod uwagę zjonizowane stężenie wapnia w osoczu. Tak więc, w pierwotnej nadczynności przytarczyc ilość wapnia wydalana z moczem na dzień jest zwiększony pomimo wysokich poziomów PTH we krwi. Dzieje się tak dlatego, że nadczynność przytarczyc powoduje hiperkalcemię, co zwiększa stężenie wapnia w moczu (hiperkalcuria) pomimo nieznacznie zwiększonej szybkości wchłaniania wapnia z kanalików nerkowych spowodowanego działaniem PTH na te kanaliki. Kamienie nerkowe są zatem często pierwszym objawem nadczynności przytarczyc, zwłaszcza, że ​​hiperkalcurii towarzyszy wzrost wydalania fosforanu w moczu (bezpośredni wynik wysokich poziomów PTH w osoczu). Razem wapń i fosforan mają tendencję do wytrącania się jako nierozpuszczalne w wodzie sole, które łatwo tworzą stałe "kamienie".

Referencje

    4.5
    Średnia ocena: 36
    5
    13
    4
    1
    3
    1
    2
    3
    1
    0