Kalciummetabolism - Calcium metabolism
Kalciummetabolism är rörelsen och reglering av kalciumjoner (Ca 2+ ) i (via tarmen ) och ut (via tarmen och njurarna ) hos kroppen, och mellan kropps fack: den blodplasma , den extracellulära och intracellulära vätskor och ben . Ben fungerar som ett kalciumlagringscenter för avlagringar och uttag efter behov av blodet via kontinuerlig benrenovering .
En viktig aspekt av kalciummetabolism är plasmakalcium homeostas , reglering av kalciumjoner i blodplasma inom snäva gränser . Kalciumnivån i plasma regleras av hormonerna parathyroidhormon (PTH) och kalcitonin . PTH frigörs av huvudcellerna i bisköldkörtlarna när kalciumnivån i plasma sjunker under det normala området för att höja det; kalcitonin frigörs av de parafollikulära cellerna i sköldkörteln när plasmanivån av kalcium är över det normala området för att sänka det.
Kroppsfackets innehåll
Kalcium är det vanligaste mineralet i människokroppen . Den genomsnittliga vuxna kroppen innehåller totalt cirka 1 kg, 99% i skelettet i form av kalciumfosfatsalter . Den extracellulära vätskan (ECF) innehåller cirka 22 mmol, varav cirka 9 mmol finns i plasma . Ungefär 10 mmol kalcium utbyts mellan ben och ECF under en period av tjugofyra timmar.
Blodkoncentration
Koncentrationen av kalciumjoner inuti cellerna (i den intracellulära vätskan ) är mer än 7 000 gånger lägre än i blodplasma (dvs. vid <0,0002 mmol/L, jämfört med 1,4 mmol/L i plasma)
Normala plasmanivåer
Plasmas totala kalciumkoncentration ligger i intervallet 2,2–2,6 mmol/L (9–10,5 mg/dL) och det normala joniserade kalciumet är 1,3–1,5 mmol/L (4,5–5,6 mg/dL). Mängden totalt kalcium i blodet varierar med nivån av plasmalbumin , det mest förekommande proteinet i plasma, och därför huvudbäraren av proteinbundet kalcium i blodet. Den biologiska effekten av kalcium bestäms dock av mängden joniserat kalcium , snarare än det totala kalciumet. Det är därför den plasmajoniserade kalciumnivån som är tätt reglerad för att förbli inom mycket snäva gränser av homeostatiska negativa återkopplingssystem .
Mellan 35 och 50% av kalciumet i plasma är proteinbundet och 5–10% är i form av komplex med organiska syror och fosfater. Resten (50–60%) joniseras. Det joniserade kalciumet kan bestämmas direkt genom kolorimetri , eller det kan avläsas från nomogram , även om användbarheten av det senare är begränsad när pH och proteininnehållet i plasma avviker kraftigt från det normala.
Fungera
Kalcium har flera huvudfunktioner i kroppen.
Bundet till serumproteiner
Det binder lätt till proteiner, särskilt de med aminosyror vars sidokedjor slutar i karboxyl (-COOH) grupper (t.ex. glutamatrester). När sådan bindning inträffar förändras de elektriska laddningarna på proteinkedjan, vilket får proteinets tertiära struktur (dvs tredimensionell form) att förändras. Goda exempel på detta är flera av koagulationsfaktorerna i blodplasma, som är funktionella i frånvaro av kalciumjoner, men blir fullt fungerande vid tillsats av korrekt koncentration av kalciumsalter.
Spänning gated natriumkanaler
De spänningsgrindade natriumjonkanalerna i cellmembranen i nerver och muskler är särskilt känsliga för kalciumjonkoncentrationen i plasma. Relativt små minskningar av de plasmajoniserade kalciumnivåerna ( hypokalcemi ) får dessa kanaler att läcka natrium in i nervcellerna eller axonerna, vilket gör dem hyperexciterade ( positiv badmotropisk effekt ), vilket orsakar spontana muskelspasmer ( tetany ) och parestesi (känslan av "nålar") i extremiteterna och runt munnen. När det plasmajoniserade kalciumet stiger över det normala ( hyperkalcemi ) binds mer kalcium till dessa natriumkanaler som har en negativ badmotropisk effekt på dem, vilket orsakar slöhet, muskelsvaghet, anorexi, förstoppning och labila känslor.
Intracellulär signalering
Eftersom den intracellulära kalciumjonkoncentrationen är extremt låg (se ovan) inträder små mängder kalciumjoner från det endoplasmatiska retikulumet eller från de extracellulära vätskorna, snabba, mycket markanta och lätt reversibla förändringar i den relativa koncentrationen av dessa joner i cytosol . Detta kan därför fungera som en mycket effektiv intracellulär signal (eller " andra budbärare ") under en mängd olika omständigheter, inklusive muskelsammandragning , frigöring av hormoner (t.ex. insulin från betacellerna i bukspottkörteln ) eller neurotransmittorer (t.ex. acetylkolin från pre -synaptiska terminaler av nerver) och andra funktioner.
Ben
Kalcium fungerar strukturellt som stödmaterial i ben som kalciumhydroxiapatit (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ).
Muskel
I skelett och hjärtmuskeln , kalciumjoner, som frigörs från sarkoplasmatiska retiklet (den endoplasmatiska retiklet av tvärstrimmiga muskler ), binder till troponin C -protein närvarande på aktin -innehållande tunna filament av de myofibriller . Den troponin s 3D-struktur förändras som ett resultat, vilket gör att tropomyosin till vilken den är fäst att rullas bort från myosin -bindande ställen på aktin-molekyler som bildar ryggraden av de tunna filamenten. Myosin kan sedan binda till de exponerade myosinbindningsställena på det tunna filamentet för att genomgå en upprepad serie konformationsförändringar som kallas cross-bridge-cykeln , för vilken ATP ger energi. Under cykeln "paddlar" varje myosinprotein längs den tunna aktinfilamentet, som upprepade gånger binder till myosinbindande platser längs aktinfilamentet, spärrar och släpper. I själva verket rör sig eller glider det tjocka filamentet längs det tunna filamentet, vilket resulterar i muskelsammandragning . Denna process är känd som glidfilamentmodellen för muskelsammandragning.
Källor
Inte allt kalcium i kosten kan lätt tas upp från tarmen. Det kalcium som lättast absorberas finns i mejeriprodukter (72%), grönsaker (7%), korn (5%), baljväxter (4%), frukt (3%), protein (3%). Kalciumet i vegetabiliskt material komplexas ofta med fytater , oxalater , citrat och andra organiska syror, till exempel de långkedjade fettsyrorna (t.ex. palmitinsyra ), med vilka kalcium binds till olösliga kalciumtvålar.
Benförvaring
Kalciumflöde till och från benet kan vara positivt, negativt eller neutralt. När det är neutralt vänds cirka 5–10 mmol om dagen. Ben fungerar som en viktig lagringsplats för kalcium, eftersom det innehåller 99% av kroppens totala kalcium. Kalciumfrisättning från ben regleras av bisköldkörtelhormon i samband med kalcitriol som tillverkas i njuren under påverkan av PTH. Kalcitonin (ett hormon som utsöndras av sköldkörteln när plasmajoniserade kalciumnivåer är höga eller stiger; inte att förväxla med "kalcitriol" som tillverkas i njuren) stimulerar införlivandet av kalcium i benet.
Intestinal absorption
Den normala vuxendieten innehåller cirka 25 mmol kalcium per dag. Endast cirka 5 mmol av detta absorberas i kroppen per dag (se nedan).
Kalcium absorberas över tarmepitelcellens borstkantmembran . TRPV6 -kanalen föreslogs vara den viktigaste aktören i upptaget av Ca 2+ i tarmarna . Men Trpv6 gjorde KO möss inte uppvisar betydande minskning av serumkalciumnivåer och visade endast något reducerad eller till och med oförändrad intestinal Ca 2+ absorption, vilket tyder på att andra upptagsvägar måste finnas. Nyligen kopplades TRPM7 till kalciumupptag i tarmen. Författarna kunde visa att tarmradering av TRPM7 resulterar i starkt minskade kalciumnivåer i serum och ben och intensivt ökade halter av kalcitriol och PTH , vilket indikerar att TRPM7 är avgörande för tarmens bulkupptag av kalcium. Efter cellupptagningen binds kalcium omedelbart till kalbindin , ett vitamin D-beroende kalciumbindande protein . Calbindin överför kalciumet direkt till epitelcellens endoplasmatiska retikulum , genom vilket kalciumet överförs till basalmembranet på cellens motsatta sida, utan att komma in i dess cytosol eller intracellulära vätska. Därifrån transporterar kalciumpumpar ( PMCA1 ) aktivt kalcium in i kroppen. Aktiv transport av kalcium sker främst i tolvfingertarmen i tarmen när kalciumintaget är lågt; och genom passiv paracellulär transport i jejunum och ileumdelar när kalciumintaget är högt, oberoende av vitamin D -nivå.
Den aktiva absorptionen av kalcium från tarmen regleras av kalcitriol (eller 1,25 dihydroxykolcalciferol, eller 1,25 dihydroxyvitamin D 3 ) -koncentration i blodet. Kalcitriol är ett kolesterolderivat. Under påverkan av ultraviolett ljus på huden omvandlas kolesterol till previtamin D 3 som spontant isomeriseras till vitamin D 3 (eller kolekalciferol). Det omvandlas sedan från kolekalciferol till kalcifediol i levern. Under påverkan av paratyroidhormon , de njurarna omvandlar kalcifediol till det aktiva hormonet kalcitriol, som verkar på de epitelceller ( enterocyter ) som bekläder tunntarmen för att öka graden av absorption av kalcium från tarminnehållet. Kort sagt är cykeln följande:
Låga PTH -nivåer i blodet (som uppstår under fysiologiska förhållanden när de joniserade kalciumnivåerna i plasma är höga) hämmar omvandlingen av kolekalciferol till kalcitriol, vilket i sin tur hämmar kalciumabsorption från tarmen. Motsatsen händer när de joniserade kalciumnivåerna i plasma är låga: bisköldkörtelhormon utsöndras i blodet och njurarna omvandlar mer kalcifediol till den aktiva kalcitriolen, vilket ökar kalciumabsorptionen från tarmen.
Reabsorption
Inälvor
Eftersom cirka 15 mmol kalcium utsöndras i tarmen via gallan per dag, är den totala mängden kalcium som når tolvfingertarmen och jejunum varje dag cirka 40 mmol (25 mmol från kosten plus 15 mmol från gallan), varav i genomsnitt absorberas 20 mmol (tillbaka) i blodet. Nettoresultatet är att cirka 5 mmol mer kalcium absorberas från tarmen än som utsöndras via gallan. Om det inte finns någon aktiv benbyggnad (som i barndomen), eller ökat behov av kalcium under graviditet och amning, kompenserar 5 mmol kalcium som absorberas från tarmen för urinförluster som endast är delvis reglerade.
Njurar
Den njurar filtret 250 mmol kalciumjoner en dag i pro-urin (eller glomerulär filtrat ), och resorberar 245 mmol, vilket leder till en netto genomsnittlig förlust i urinen av ca 5 mmol / d. Mängden kalciumjoner som utsöndras i urinen per dag är delvis påverkad av nivån av paratyroidhormon (PTH) i plasma - höga nivåer av PTH minskar utsöndringen av kalciumjoner och låga nivåer ökar den. Paratyroidhormon har dock en större effekt på mängden fosfatjoner (HPO 4 2− ) som utsöndras i urinen. Fosfater bildar olösliga salter i kombination med kalciumjoner. Höga koncentrationer av HPO 4 2− i plasma sänker därför den joniserade kalciumhalten i de extracellulära vätskorna. Således ökar utsöndringen av mer fosfat än kalciumjoner i urinen den joniserade kalciumhalten i plasma, även om den totala kalciumkoncentrationen kan sänkas.
Njuren påverkar den joniserade kalciumkoncentrationen i plasma på ännu ett annat sätt. Det bearbetar vitamin D 3 till kalcitriol , den aktiva formen som är mest effektiv för att främja tarmabsorptionen av kalcium. Denna omvandling av vitamin D 3 till kalcitriol främjas också av höga nivåer av paratyroidhormon i plasma.
Exkretion
Inälvor
Mest utsöndring av överskott av kalcium sker via gallan och avföringen, eftersom plasmakalcitriolnivåerna (som i slutändan beror på plasmakalciumnivåerna) reglerar hur mycket av gallkalcium som återabsorberas från tarminnehållet.
Njurar
Urinutsöndring av kalcium är normalt cirka 5 mmol (200 mg) /dag. Detta är mindre jämfört med vad som utsöndras via avföringen (15 mmol/dag).
Förordning
Plasmajoniserad kalciumkoncentration regleras inom snäva gränser (1,3–1,5 mmol/L). Detta uppnås genom att både parafollikulära celler i sköldkörteln och bisköldkörteln ständigt känner (dvs mäter) koncentrationen av kalciumjoner i blodet som flödar genom dem.
Hög plasmanivå
När koncentrationen stiger ökar parafollikulära celler i sköldkörteln deras utsöndring av kalcitonin , ett polypeptidhormon, i blodet. Samtidigt minskar bisköldkörtlarna utsöndringen av bisköldkörtelhormon (PTH), också ett polypeptidhormon, i blodet. De resulterande höga halterna av kalcitonin i blodet stimulerar osteoblasterna i benet att avlägsna kalcium från blodplasma och avsätta det som ben.
De minskade nivåerna av PTH hämmar avlägsnande av kalcium från skelettet. De låga nivåerna av PTH har flera andra effekter: de ökar förlusten av kalcium i urinen, men ännu viktigare hämmar förlusten av fosfatjoner via den vägen. Fosfatjoner kommer därför att kvarhållas i plasman där de bildar olösliga salter med kalciumjoner, och tar därmed bort dem från den joniserade kalciumpoolen i blodet. De låga nivåerna av PTH hämmar också bildandet av kalcitriol (som inte ska förväxlas med kalcitonin ) från kolekalciferol (vitamin D 3 ) från njurarna.
Minskningen av blodkalcitriolkoncentrationen verkar (relativt långsamt) på epitelcellerna ( enterocyter ) i tolvfingertarmen, vilket hämmar deras förmåga att absorbera kalcium från tarminnehållet. De låga kalcitriolnivåerna verkar också på ben som gör att osteoklasterna släpper ut färre kalciumjoner i blodplasma.
Låg plasmanivå
När den plasmajoniserade kalciumnivån är låg eller sjunker händer det motsatta. Kalcitoninsekretion hämmas och PTH -utsöndring stimuleras, vilket resulterar i att kalcium avlägsnas från benet för att snabbt korrigera plasmakalciumnivån. De höga PTH -nivåerna i plasma hämmar kalciumförlust via urinen samtidigt som de stimulerar utsöndringen av fosfatjoner via den vägen. De stimulerar också njurarna att tillverka kalcitriol (ett steroidhormon), vilket ökar förmågan hos cellerna som täcker tarmen att absorbera kalcium från tarminnehållet i blodet, genom att stimulera produktionen av kalbindin i dessa celler. Den PTH -stimulerade produktionen av kalcitriol gör också att kalcium frigörs från benet i blodet, genom frisättning av RANKL (ett cytokin eller lokalt hormon ) från osteoblasterna som ökar benresorptiv aktivitet av osteoklasterna. Detta är emellertid relativt långsamma processer
Således innebär snabb kortsiktig reglering av plasmajoniserad kalciumnivå främst snabba rörelser av kalcium in i eller ut ur skelettet. Långsiktig reglering uppnås genom att reglera mängden kalcium som tas upp från tarmen eller går förlorad via avföringen.
Störningar
Hypokalcemi (lågt kalcium i blodet) och hyperkalcemi (högt kalcium i blodet) är båda allvarliga medicinska störningar. Osteoporos , osteomalaci och rakitis är benstörningar kopplade till störningar av kalciummetabolism och effekter av D -vitamin . Renal osteodystrofi är en följd av kroniskt njursvikt relaterat till kalciummetabolismen.
En kost som är rik på kalcium kan minska kalciumförlusten från ben med stigande ( postmenopausal ) ålder. Ett lågt kalciumintag i kosten kan vara en riskfaktor för utvecklingen av osteoporos i senare liv; och en kost med ihållande tillräckliga mängder kalcium kan minska risken för osteoporos.
Forskning
Den roll som kalcium kan ha för att minska kolorektalcancerhastigheten har varit föremål för många studier. Men med tanke på dess blygsamma effekt finns det ingen aktuell medicinsk rekommendation att använda kalcium för att minska cancer.
Se även
Fotnoter
Referenser
externa länkar
- Kalcium vid laboratorietester online
- Nosek, Thomas M. "Avsnitt 5/5ch6/5ch6line" . Essentials of Human Physiology .