Calcium: definitie, synthese, absorptie, transport en distributie

Calcium is een chemisch element met het elementsymbool Ca en atoomnummer 20. Het behoort tot de groep aardalkalimetalen en is het vijfde meest voorkomende element op aarde. Calcium vertegenwoordigt een essentieel (vitaal) mineraal voor de mens en komt in het organisme uitsluitend voor als een tweewaardig kation (Ca2 +).

Absorptie

Voedselgebonden calcium moet eerst worden vrijgegeven door de spijsverteringssappen in het maagdarmkanaal (GI-kanaal) om vervolgens te worden opgenomen (opgenomen) in de dunne darm, voornamelijk in de twaalfvingerige darm (twaalfvingerige darm) en proximaal jejunum (bovenste jejunum). Absorptie vindt transcellulair plaats (massa transport door de epitheelcellen van de darm) door een actief mechanisme volgens verzadigingskinetiek bij lage tot normale calciuminname en bovendien paracellulair (massatransport door de interstitiële ruimten van de darmepitheelcellen) door passieve diffusie langs een elektrochemische gradiënt bij hoge inname. Passieve darm absorptie, die optreedt in het hele darmkanaal inclusief de dikke darm (dikke darm), is lang niet zo effectief in vergelijking met het actieve resorptiemechanisme, daarom neemt de totale geabsorbeerde hoeveelheid in absolute termen toe met toenemende calcium dosis, maar daalt in relatieve termen. Terwijl actief transcellulair calcium absorptie wordt geregeld door hormoon van de bijschildklieren (PTH, een peptidehormoon gesynthetiseerd in de bijschildklier) en calcitriol (fysiologisch actieve vorm van respectievelijk vitamine D3, 1,25-dihydroxylcholecalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)), passieve paracellulaire diffusie blijft onaangetast door de hormonen vermeld. De regulering van transepitheliale calciumresorptie door PTH en calcitriolwordt hieronder in meer detail besproken. In enterocyten (cellen van de dunne darm epitheel), wordt calcium gebonden aan een specifiek calciumbindend drager (transport) eiwit genaamd calbindine, dat calcium door de enterocyten naar de basolaterale (weg van de darm) transporteert celmembraan​ 1,25- (OH) 2-D3 leidt tot receptorgemedieerde stimulatie van intracellulaire (in de cel) expressie van calbindine. Calcium komt in de bloedbaan door middel van een transmembraan Ca2 + -ATPase (transportsysteem werkend onder energie en adenosine trifosfaat (ATP) consumptie, respectievelijk) en een Ca2 + / 3 Na + uitwisselingsdrager (calciumtransporteur aangedreven door een Na + gradiënt). De opnamesnelheid van calcium is afhankelijk van verschillende factoren en varieert tussen 15% en 60%. Na de kindertijd vertoont de calciumabsorptie de hoogste effectiviteit in de puberteit (~ 60%), en neemt vervolgens af tot 15-20% op volwassen leeftijd. De volgende factoren remmen de opname van calcium, inclusief complexvorming:

De volgende factoren bevorderen de opname van calcium:

  • Gelijktijdige opname van calcium met voedsel
  • Verdeling over meerdere individuele doses per dag
  • 1,25-Dihydroxylcholecalciferol (1,25- (OH) 2-D3) - stimuleert de intracellulaire calbindinesynthese.
  • Gemakkelijk opneembare suikers, zoals lactose (melk suiker).
  • Melkzuur
  • Citroenzuur
  • Aminozuren
  • Caseïne-fosfopeptiden
  • Niet-opneembare koolhydraten, zoals inuline, fructo-oligosacchariden en lactulose, die bacterieel worden gefermenteerd tot vetzuren met een korte keten in het ileum (onderste dunne darm) en dikke darm (dikke darm) → de resulterende daling van de pH in het darmlumen leidt tot een verhoogde afgifte van gebonden calcium, waardoor er meer vrij calcium beschikbaar blijft voor passieve absorptie

Gedurende zwangerschap, wordt de calciumabsorptie verhoogd - gemedieerd door PTH en calcitriol, respectievelijk - om de dagelijkse overdracht van calcium over de placenta (placenta) naar de foetus (ongeboren kind), met een gemiddelde van 250 mg in het derde trimester (derde trimester van zwangerschap​ Naast de verhoogde intestinale (darm-gerelateerde) calciumabsorptie, wordt aan de aanvullende behoefte van de zwangere vrouw voldaan door een verhoogde calciumafgifte uit het skelet na het eerste trimester. In vergelijking met zwangere vrouwen verliest calcium met melk, die variëren van 250 tot 350 mg / dag, worden gecompenseerd bij vrouwen die borstvoeding geven door verhoogde calciummobilisatie uit bot alleen, wat resulteert in 5% bot massa verlies na zes maanden borstvoeding. Echter, binnen 6-12 maanden na het spenen vindt botherstel plaats, ongeacht de administratie van calcium supplementenAangenomen dat de calciuminname voldoende is.

Transport en distributie in het lichaam

Het calciumgehalte van het menselijk lichaam is ongeveer 25-30 g (0.8% van het lichaamsgewicht) bij de geboorte en ongeveer 900-1,300 g (tot 1.7% van het lichaamsgewicht) op volwassen leeftijd. Ongeveer 99% van het totale calcium in het lichaam is extracellulair (buiten de cellen) in het skelet, inclusief de tanden, waar het voornamelijk in gebonden vorm wordt opgeslagen als onopgelost calcium. fosfaat of hydroxyapatiet (Ca10 (P4) 6 (OH) 2). In bot vormt calcium ongeveer 39% van het totale mineraalgehalte. Slechts iets minder dan 1% van het totale lichaam massa van calcium is gelokaliseerd in andere lichaamsweefsels (~ 7 g) en lichaamssappen (~ 1 g). Het intracellulaire calciumgehalte is dus 10,000 maal lager dan het extracellulaire calciumgehalte. Om het concentratie gradiënt tussen het extracellulaire en intracellulaire calcium, de celmembraan is grotendeels ondoordringbaar (ondoordringbaar) voor calcium onder rustomstandigheden. Daarnaast bestaan ​​er transmembraanpomp- of transportsystemen, zoals Ca2 + -ATPases (Ca2 + -transporters die werken onder ATP-consumptie) en Ca2 + / 3 Na + -uitwisselingsdragers (Ca2 + -transporters aangedreven door een Na + -gradiënt), die calcium uit de cel transporteren. In de membranen van het endoplasmatisch reticulum (ER, rijk vertakt kanaalsysteem van vlakke holtes in eukaryote cellen) bevinden zich specifieke Ca2 + -ATPases, zogenaamde SERCA's (sarco- / endoplasmatisch reticulum Ca2 + -ATPases), die beide calcium uit het cytosol kunnen pompen. in het ER - intracellulaire opslag - en transporteer het mineraal terug naar het cytosol voor cellulaire functies na stimulatie van de cel met geschikte calciummobiliserende stimuli. In de bloed​ Geïoniseerd, vrij calcium vormt de grootste fractie met ongeveer 50%, gevolgd door proteïne- (albumine-, globuline) gebonden calcium (40-45%) en calcium gecomplexeerd met laagmoleculaire liganden, zoals citraat, fosfaat, sulfaat en bicarbonaat (5-10%). Zowel eiwittekorten als pH-verschuivingen beïnvloeden de verhouding van calciumfracties tot elkaar. Bijvoorbeeld, acidose (bloed pH <7.35) leidt tot verlaagde en alkalose (bloed pH> 7.45) verhoogd eiwitbinding van serumcalcium, resulterend in een overeenkomstige toename of afname van het aandeel vrij, geïoniseerd calcium in serum - met ongeveer 0.21 mmol / l Ca2 + per pH-eenheid. De geïoniseerde vrije calciumfractie (1.1-1.3 mmol / l) vertegenwoordigt de biologisch actieve vorm en wordt homeostatisch gecontroleerd door hormoon van de bijschildklieren1,25- (OH) 2-D3, en calcitonine (een peptidehormoon gesynthetiseerd in schildklier C-cellen) (zie hieronder). Dus totaal serumcalcium concentratie wordt constant gehouden binnen een relatief smal bereik (2.25-2.75 mmol / l).

afscheiding

Calcium wordt voornamelijk uitgescheiden in urine en ontlasting (ontlasting) en marginaal in zweet. De nier (nier-gerelateerde) hoeveelheid calcium die onder normale omstandigheden wordt geëlimineerd, is minder dan 4 mg / kg lichaamsgewicht per dag of minder dan 300 mg / dag bij mannen en minder dan 250 mg / dag bij vrouwen. renale calciumuitscheiding is het resultaat van glomerulaire filtratie en tubulaire reabsorptie (reabsorptie door de niertubuli), die passief plaatsvindt in de proximale tubulus (het grootste deel van de niertubuli) en actief in de distale tubulus (middelste deel van de niertubuli) - gecontroleerd door PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 en calcitonine - en is goed voor meer dan 98% van de gefilterde hoeveelheid. Dit illustreert dat de nier speelt een cruciale rol bij calciumhomeostase, of het handhaven van een constant serumcalciumniveau. De volgende factoren bevorderen de uitscheiding van calcium via de nieren:

  • Verhoging van de orale inname van calcium, bijvoorbeeld door suppletie (bijv. Dieet supplementen).
  • Cafeïne - In koffie, groen en zwarte thee, Etc.
  • Natrium - als bestanddeel van keukenzout (natrium chlorideNaCl); voor elke 2 g voeding natrium30-40 mg calcium gaat verloren in de urine.
  • Verhoogde eiwitinname - zowel dierlijke als plantaardige eiwitten; 1 g eiwit verhoogt de renale calciumuitscheiding met 0.5 - 1.5 mg
  • Verhoogde fosfaatopname - in worsten, smeltkaas, frisdranken, enz.; een calcium-fosfaatverhouding in de dieet van 1: 1.0-1.2 wordt als optimaal beschouwd
  • Verhoogde alcoholinname
  • chronisch acidose (bloed pH <7.35)

Idiopathische hypercalciurie (onfysiologisch hoog calciumgehalte in de urine concentratie> 4 mg calcium / kg lichaamsgewicht / dag) is het gevolg van een genetische afwijking met variabele expressie waarvan de oorzaak onbekend is - absorptie (met invloed op de darmen), renaal (met invloed op de nieren) of voedingswaarde. Personen met idiopathische hypercalciurie, die een verhoogd risico lopen op urolithiasis (vorming van nier stenen) vergeleken met gezonde personen, vertonen een hogere zoutgevoeligheid (synoniemen: zoutgevoeligheid; zoutgevoeligheid; zoutgevoeligheid) dan mensen met een normaal risico op nierstenen​ Zout- en eiwitbeperking leidt tot normalisatie van de renale calciumuitscheiding bij hypercalciuriepatiënten. Calcium uitgescheiden (uitgescheiden) in het maagdarmkanaal is onderhevig aan 85% intestinale reabsorptie (reabsorptie). De resterende 15% (18-224 mg / dag) gaat verloren met uitwerpselen (ontlasting). Calciumverliezen met zweet worden geschat op 4-96 mg / dag, met verplichte verliezen variërend van 3 tot 40 mg / dag.

Hormonale regulatie van calciumhomeostase

Omdat calcium een ​​centrale rol speelt in een aantal vitale functies in het menselijk organisme, is handhaving van de extracellulair geïoniseerd vrije calciumconcentratie essentieel. Geïoniseerd vrij serumcalcium hangt samen met de verschillende calciumcompartimenten - bot, dunne darm, nier - en wordt binnen nauwe grenzen constant gehouden door een complex hormonaal regulatiesysteem. De volgende hormonen zijn betrokken bij de regulering van het calciummetabolisme:

  • Hormoon van de bijschildklieren
  • Calcitriol (1,25-dihydroxylcholecalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • calcitonine

De hormonen vermelde invloed hebben op de intestinale calciumabsorptie, renale calciumuitscheiding en calciumafgifte of opname in het bot. Bij kleine afwijkingen van de extracellulaire vrije calciumconcentratie zijn de intestinale en renale compensatiemechanismen meestal voldoende. Alleen wanneer deze regulerende mechanismen falen, komt calcium vrij uit het skelet, wat resulteert in een verlies van botmassa dat gepaard gaat met een verzwakking van de mechanische stabiliteit van het bot. Veranderingen in extracellulaire vrije calciumconcentratie worden waargenomen door een specifiek membraan eiwitten calciumsensoren genoemd, die behoren tot de superfamilie van aan G-proteïne gekoppelde 7-voudige membraandoorlaatbare receptoren. Calciumspecifieke receptoren worden voornamelijk tot expressie gebracht door bijschildkliercellen, die PTH op een calciumafhankelijke manier afgeven, door schildklier C-cellen, die calcitonine op een calciumafhankelijke manier, en door niercellen, die het actieve 1,25- (OH) 2-D3 op een calciumafhankelijke manier synthetiseren. Daarnaast kunnen calciumsensoren ook op een aantal andere celtypen worden gedetecteerd, zoals osteoclasten (botresorberende cellen) en enterocyten (darmepitheelcellen). Aangenomen wordt dat via de calciumgevoelige receptoren een calciumafhankelijke modulatie (toename) van het effect van de hormonen PTH, calcitriol en calcitonine vinden plaats op het niveau van de doelcellen - bot, dunne darmniercellen Extracellulaire vrije calciumconcentratie laag - hormoon van de bijschildklieren en calcitriol.

Wanneer serumcalciumspiegels dalen - als gevolg van onvoldoende inname of verhoogde verliezen - wordt PTH in toenemende mate gesynthetiseerd (gevormd) in bijschildkliercellen en uitgescheiden (uitgescheiden) in de bloedbaan. PTH bereikt de nier, waar het de expressie van 1-alpha-hydroxylase stimuleert en daarmee de synthese van 1,25- (OH) 2-D3, de biologisch actieve vorm van vitamine D​ Op het bot stimuleren PTH en 1,25- (OH) 2-D3 de activiteit van osteoclasten, die leiden tot resorptie (afbraak) van botstof. Calcium wordt vervolgens uit het bot afgegeven en in de extracellulaire ruimte afgegeven. Omdat calcium in het skelet wordt opgeslagen in de vorm van hydroxyapatiet (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), worden fosfaationen tegelijkertijd uit het bot gemobiliseerd - een nauwe correlatie (relatie) van calcium- en fosfaatmetabolisme. Bij het borstelrandmembraan van de proximale dunne darm bevordert calcitriol zowel actieve transcellulaire calciumabsorptie als fosfaatreabsorptie en transport van calcium en fosfaat naar de extracellulaire ruimte. In de nieren verhoogt PTH de tubulaire reabsorptie van calcium terwijl de tubulaire reabsorptie van fosfaat wordt geremd. Ten slotte is er een verhoogde renale uitscheiding van fosfaat, die een verhoogde accumulatie heeft als gevolg van mobilisatie van calciumfosfaat uit bot en reabsorptie uit de darm. De verlaging van het serumfosfaatgehalte voorkomt enerzijds het neerslaan van calciumfosfaat in weefsels en stimuleert anderzijds de calciumafgifte uit het bot - in het voordeel van de serumcalciumconcentratie. Het resultaat van de effecten van PTH en calcitriol op intercompartimentele calciumbewegingen bij lage serumcalciumspiegels is respectievelijk een toename en normalisatie van de extracellulaire vrije calciumconcentratie. Langdurige verhoogde 1,25- (OH) 2-D3-serumconcentraties leiden remming van PTH-synthese en proliferatie (groei en proliferatie) van bijschildkliercellen - negatieve feedback. Dit mechanisme verloopt via de vitamine D3-receptoren van bijschildkliercellen. Als calcitriol deze receptoren bezet die specifiek zijn voor zichzelf, kan de vitamine het metabolisme van het doelorgaan beïnvloeden. Extracellulaire vrije calciumconcentratie hoog - calcitonine

Een toename van extracellulair geïoniseerd calcium zorgt ervoor dat schildklier C-cellen meer calcitonine synthetiseren en afscheiden (afscheiden). Calcitonine remt de activiteit van osteoclasten op het bot en daarmee de afbraak van botweefsel, wat de afzetting van calcium in het skelet bevordert. Tegelijkertijd stimuleert het peptidehormoon de renale calciumuitscheiding. Door deze mechanismen leidt calcitonine tot een verlaging van de serumcalciumconcentratie. Calcitonine vertegenwoordigt een directe antagonist (tegenstander) van PTH. Dus wanneer extracellulair vrij calcium wordt verhoogd, de synthese en afscheiding van PTH uit de bijschildklier en door PTH geïnduceerde renale 1,25- (OH) 2-D3-productie is verminderd. Dit resulteert in verminderde mobilisatie van calciumfosfaat uit bot, verminderde intestinale calciumreabsorptie en verminderde tubulaire calciumreabsorptie, en dus verhoogde renale calciumuitscheiding. Het resultaat, consistent met de werkingsmechanisme van calcitonine, is een afname van de extracellulaire vrije calciumconcentratie en normalisatie van de serumcalciumspiegels.

Calciumbalans

Calcium evenwicht is afhankelijk van de leeftijd. Tijdens de groeifase in jeugd en adolescentie, uitgaande van voldoende calciuminname, is er een positief calciumgehalte evenwicht, met meer calcium dat door het lichaam wordt opgenomen dan door de nieren en darmen. De verhoogde activiteit van osteoblasten (botvormende cellen) leidt tot een verhoogde opslag van calcium in de botstof en dus tot een verhoogde opslag van calcium. De maximale botmineraalmassa of piek botdichtheid wordt voornamelijk verworven tijdens de adolescentie en jongvolwassenheid. Zo hebben meisjes en vrouwen respectievelijk ongeveer 90% van het totale skeletmineraalgehalte op de leeftijd van 16.9 ± 1.3 jaar en ongeveer 99% op de leeftijd van 26.2 ± 3.7 jaar. Bij respectievelijk jongens en mannen is een vertraging van ongeveer 1.5 jaar waar te nemen. In de regel wordt de maximale botmassa bereikt rond de leeftijd van 30 jaar. Het gehalte aan botmineralen kenmerkt slechts onvoldoende het eigenlijke bot. sterkte​ Het wordt eerder bepaald door factoren zoals fysieke activiteit, spiermassa, lichaamsopbouw en grootte. Vanaf de leeftijd van 30 jaar is er een evenwichtscalcium evenwicht gedurende tientallen jaren van leven, waarbij de hoeveelheid calcium die door het lichaam wordt opgenomen, correleert met de hoeveelheid calcium die renaal en fecaal wordt uitgescheiden. Bij een calciuminname van 1,000 mg wordt bijvoorbeeld ongeveer 200 mg geabsorbeerd en ongeveer 200 mg wordt uitgescheiden door de nieren, terwijl 250-500 mg wordt vrijgegeven uit het bot en opnieuw wordt geabsorbeerd als onderdeel van hermodelleringsprocessen. Om te voorkomen dat de calciumbalans negatief wordt, moet ervoor worden gezorgd dat er voldoende calcium wordt opgenomen via de voeding. Ondanks een uitgebalanceerd calciummetabolisme, botdichtheid neemt continu af vanaf de leeftijd van 30 jaar. Bij gezonde mensen is het verlies aan botmineraalmassa ongeveer 1% per jaar. De oorzaak van het verlies van botmassa met toenemende leeftijd is de verhoogde activiteit van osteoclasten (botafbrekende cellen), die gepaard gaat met een verhoogde afbraak van botweefsel en een verhoogde calciumafgifte uit het bot. Ten slotte wordt er meer calcium uitgescheiden in de urine en ontlasting dan wordt opgenomen door de dunne darm en het bot. Ouderen hebben daardoor een negatieve calciumbalans. In het bijzonder neemt de botmassa progressief af bij postmenopauzale vrouwen (menopauze​ menopauze bij vrouwen) vanwege de veranderde oestrogeenstatus. Als resultaat van studies kon een begin van verlies van bot en minerale substantie worden waargenomen bij vrouwtjes aan het dijbeen nek vanaf 37 jaar en op de wervelkolom vanaf 48 jaar. Postmenopauzale vrouwen lopen daarom een ​​verhoogd risico op het ontwikkelen van osteoporose (botverlies). Hoe lager de "piekbotmassa", hoe groter het risico op osteoporose​ Studies bij postmenopauzale vrouwen hebben aangetoond dat de orale inname van calcium nauw verband houdt met het risico op heupfracturen. Calcium administratie van 800-1,000 mg / dag resulteerde in een verminderde osteoclastactiviteit bij de proefpersonen, waardoor botresorptie of verlies van botmassa werd gestopt en breuk incidentie.