Vápnik: definícia, syntéza, absorpcia, transport a distribúcia

Vápnik je chemický prvok so symbolom prvku Ca a atómovým číslom 20. Patrí do skupiny kovov alkalických zemín a je piatym najpočetnejším prvkom na Zemi. Vápnik predstavuje pre človeka nevyhnutný (životne dôležitý) minerál a v organizme sa vyskytuje výlučne ako dvojmocný katión (Ca2 +).

Vstrebávanie

Potravinársky viazané vápnik sa musia najskôr uvoľniť tráviacimi šťavami v gastrointestinálnom trakte (GI trakt), aby sa mohli následne absorbovať (absorbovať) v tenké črevo, predovšetkým v USA dvanástnik (dvanástnik) a proximálne jejunum (horné jejunum). Vstrebávanie vyskytuje sa transcelulárne (hmota transport cez epiteliálne bunky čreva) aktívnym mechanizmom po kinetike nasýtenia pri nízkom až normálnom príjme vápnika a dodatočne paracelulárne (hromadný transport cez intersticiálne priestory črevných epiteliálnych buniek) pasívnou difúziou pozdĺž elektrochemického gradientu pri vysokom príjme. Pasívne črevné vstrebávanie, ktorý sa vyskytuje v celom črevnom trakte vrátane dvojbodka (hrubé črevo), nie je ani zďaleka taký efektívny v porovnaní s mechanizmom aktívnej resorpcie, a preto sa celkové absorbované množstvo zvyšuje v absolútnych číslach so zvyšovaním vápniku dávka, ale relatívne klesá. Zatiaľ čo aktívny transcelulárny vápnik vstrebávanie je regulovaná paratyroidný hormón (PTH, peptidový hormón syntetizovaný v príštítna žľaza) a kalcitriol (fyziologicky aktívna forma vitamínu D3, 1,25-dihydroxylcholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3), pasívna paracelulárna difúzia zostáva neovplyvnená hormóny uvedené. Regulácia transepiteliálnej resorpcie vápnika PTH a kalcitriolje podrobnejšie rozobraný nižšie. V enterocytoch (bunkách tenkého čreva epitel), vápnik sa viaže na špecifický nosičový (transportný) proteín viažuci vápnik nazývaný kalbindín, ktorý transportuje vápnik cez enterocyty do bazolaterálu (ďalej od čreva) bunková membrána. 1,25- (OH) 2-D3 vedie k receptorom sprostredkovanej stimulácii intracelulárnej (vo vnútri bunky) expresie kalbindínu. Vápnik vstupuje do krvi prostredníctvom transmembránovej Ca2 + -ATPázy (transportný systém fungujúci na energiu a ... adenozín spotreba trifosfátu (ATP)) a nosič výmeny Ca2 + / 3 Na + (transportér vápnika poháňaný gradientom Na +). Rýchlosť absorpcie vápnika závisí od rôznych faktorov a pohybuje sa medzi 15% a 60%. Po dojčení má absorpcia vápnika najvyššiu účinnosť v puberte (~ 60%), potom klesá na 15 - 20% v dospelosti. Nasledujúce faktory bránia absorpcii vápnika vrátane tvorby komplexu:

Nasledujúce faktory podporujú vstrebávanie vápnika:

  • Súčasné vstrebávanie vápniku s jedlom
  • Rozdelenie do niekoľkých jednotlivých dávok denne
  • 1,25-Dihydroxylcholekalciferol (1,25- (OH) 2-D3) - stimuluje intracelulárnu syntézu kalbindínu.
  • Ľahko vstrebateľné cukry, ako napr laktózu (mlieko cukor).
  • Kyselina mliečna
  • Kyselina citrónová
  • Aminokyseliny
  • Kazeínové fosfopeptidy
  • Neabsorbovateľné uhľohydráty, ako je inulín, fruktooligosacharidy a laktulóza, ktoré sú bakteriálne fermentované na mastné kyseliny s krátkym reťazcom v ileu (dolné tenké črevo) a hrubom čreve (hrubé črevo) → výsledný pokles pH v lúmene čreva vedie k zvýšené uvoľňovanie viazaného vápnika, čo ponecháva viac voľného vápnika dostupného na pasívnu absorpciu

Počas tehotenstva, je zvýšená absorpcia vápnika - sprostredkovaná PTH a kalcitriolrespektíve - na prispôsobenie denného prenosu vápnika cez placenta (placenta) do plod (nenarodené dieťa), ktorého priemerná hodnota je 250 mg v 3. trimestri (XNUMX tehotenstva). Okrem zvýšeného črevného (črevosúvisiace s absorpciou vápnika, ďalšia potreba tehotnej ženy je splnená zvýšeným uvoľňovaním vápnika z kostry po 1. trimestri. V porovnaní s tehotnými ženami, straty vápnika s mlieko, ktoré sa pohybujú od 250 do 350 mg / deň, sú kompenzované u dojčiacich žien zvýšenou mobilizáciou vápnika iba z kosti, čo vedie k 5% kostnej hmoty hmota strata po šiestich mesiacoch laktácie. K obnoveniu kostí však dôjde v priebehu 6 - 12 mesiacov po odstavení bez ohľadu na správa vápniku doplnky- predpokladaný príjem vápniku je dostatočný.

Transport a distribúcia v tele

Obsah vápnika v ľudskom tele je pri narodení asi 25 - 30 g (0.8% telesnej hmotnosti) a v dospelosti asi 900 - 1,300 1.7 g (až 99% telesnej hmotnosti). Asi XNUMX% celkového množstva vápnika v tele je extracelulárne (mimo buniek) v kostnom systéme vrátane zubov, kde sa ukladá prevažne vo viazanej forme ako nerozpustený vápnik fosfát alebo hydroxyapatit (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2). V kostiach predstavuje vápnik asi 39% z celkového obsahu minerálov. Iba o niečo menej ako 1% celkového tela hmota vápniku je lokalizovaný v iných telesných tkanivách (~ 7 g) a telesné tekutiny (~ 1 g). Obsah intracelulárneho vápnika je teda 10,000 XNUMX-krát nižší ako obsah extracelulárneho vápnika. Na udržanie koncentrácie gradient medzi extracelulárnym a intracelulárnym vápnikom, bunková membrána je za pokojových podmienok pre vápnik do značnej miery nepriepustný (nepriepustný). Ďalej existujú transmembránové pumpy alebo transportné systémy, ako napríklad Ca2 + -ATPázy (transportéry Ca2 + pracujúce pri spotrebe ATP) a nosiče výmeny Ca2 + / 3 Na + (transportéry Ca2 + poháňané gradientom Na +), ktoré transportujú vápnik z bunky. V membránach endoplazmatického retikula (ER, bohato rozvetvený kanálový systém rovinných dutín v eukaryotických bunkách) sú špecifické Ca2 + -ATPázy, takzvané SERCA (sarko- / endoplazmatické retikulum Ca2 + -ATPázy), ktoré môžu jednak čerpať vápnik z cytosolu do ER - intracelulárne ukladanie - a po stimulácii bunky vhodnými stimulmi mobilizujúcimi vápnik transportovať minerál späť do cytosolu pre bunkové funkcie. V. Možno rozlišovať tri rôzne vápnikové frakcie krv. Ionizovaný voľný vápnik tvorí najväčšiu frakciu s asi 50%, po ktorej nasleduje bielkovina- (bielkovina-, globulínom) viazaný vápnik (40 - 45%) a vápnik komplexovaný s ligandmi s nízkou molekulovou hmotnosťou, ako je citrát, fosfát, síran a hydrogenuhličitan (5-10%). Nedostatok bielkovín aj posuny pH ovplyvňujú vzájomný pomer vápenatých frakcií. Napríklad, acidóza (krv pH <7.35) vedie k zníženiu a alkalóza (krv pH> 7.45) na zvýšené väzba na proteín vápnika v sére, čo vedie k zodpovedajúcemu zvýšeniu alebo zníženiu podielu voľného ionizovaného vápnika v sére - približne o 0.21 mmol / l Ca2 + na jednotku pH. Ionizovaná frakcia voľného vápnika (1.1 - 1.3 mmol / l) predstavuje biologicky aktívnu formu a je homeostaticky kontrolovaná pomocou paratyroidný hormón, 1,25- (OH) 2-D3 a kalcitonín (peptidový hormón syntetizovaný v C bunkách štítnej žľazy) (pozri nižšie). Teda celkový sérový vápnik koncentrácie sa udržiava konštantná v relatívne úzkom rozmedzí (2.25 - 2.75 mmol / l).

vylučovanie

Vápnik sa vylučuje predovšetkým močom a stolicou (stolica) a okrajovo potom. Obličky (obličkasúvisiace s obsahom vápnika vylúčené za normálnych podmienok je menej ako 4 mg / kg telesnej hmotnosti za deň alebo menej ako 300 mg / deň u mužov a menej ako 250 mg / deň u žien. Vylučovanie vápnika obličkami je výsledkom glomerulárnej filtrácie a tubulárnej reabsorpcie. (reabsorpcia obličkovými tubulmi), ktorá sa vyskytuje pasívne v proximálnom tubule (hlavná časť renálnych tubulov) a aktívne v distálnom tubule (stredná časť renálnych tubulov) - kontrolované PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 a kalcitonín - a predstavuje viac ako 98% filtrovanej sumy. To dokazuje, že oblička hrá rozhodujúcu úlohu pri homeostáze vápnika alebo pri udržiavaní konštantnej hladiny vápnika v sére. Nasledujúce faktory podporujú vylučovanie vápnika obličkami:

  • Zvýšenie perorálneho príjmu vápnika, napríklad doplnením (napr. Stravou doplnky).
  • kofeín - V káva, zelené a čierny čaj, Atď
  • Sodík - ako zložka kuchynskej soli (sodík chloridNaCl); na každé 2 g stravy sodík, 30 - 40 mg vápnika sa stratí v moči.
  • Zvýšený príjem bielkovín - živočíšnych aj rastlinných bielkovín; 1 g proteínu zvyšuje vylučovanie vápnika obličkami o 0.5 - 1.5 mg
  • Zvýšený príjem fosfátov - v párkoch, tavenom syre, nealkoholických nápojoch atď .; pomer vápnik-fosfát v strava 1: 1.0 - 1.2 sa považuje za optimálnu
  • Zvýšený príjem alkoholu
  • Chronický acidóza (pH krvi <7.35)

Idiopatická hyperkalciúria (nefyziologicky vysoký vápnik v moči koncentrácie,> 4 mg vápnika / kg telesnej hmotnosti / deň) je spôsobená genetickou abnormalitou s premenlivým prejavom, pri ktorej nie je známa príčina - absorpčná (ovplyvňujúca črevo), obličková (ovplyvňujúca obličky) alebo výživová hodnota. Jedinci s idiopatickou hyperkalciúriou, u ktorých je zvýšené riziko urolitiázy (tvorba oblička kamene) v porovnaní so zdravými jedincami vykazujú vyššiu citlivosť na soľ (synonymá: citlivosť na soľ; citlivosť na soľný roztok; citlivosť na soľný roztok) ako u ľudí s normálnym rizikom obličkové kamene. Reštrikcia soľným roztokom a bielkovinami vedie k normalizácii renálneho vylučovania vápnika u hyperkalciurických pacientov. Vápnik vylučovaný (vylučovaný) do gastrointestinálneho traktu podlieha 85% intestinálnej reabsorpcii (reabsorpcii). Zvyšných 15% (18 - 224 mg / deň) sa stratí stolicou (stolicou). Straty vápniku potom sa odhadujú na 4–96 mg / deň, pričom povinné straty sa pohybujú od 3 do 40 mg / deň.

Hormonálna regulácia homeostázy vápnika

Pretože vápnik hrá ústrednú úlohu v rade životne dôležitých funkcií v ľudskom organizme, je nevyhnutné udržiavať koncentráciu extracelulárneho ionizovaného voľného vápnika. Ionizovaný voľný sérový vápnik je prepojený s rôznymi oddielmi vápnika - kosť, tenké črevo, oblička - a je udržiavaný konštantný v úzkych medziach komplexným hormonálnym regulačným systémom. Na regulácii metabolizmu vápnika sa podieľajú nasledujúce hormóny:

  • Parathormón
  • Kalcitriol (1,25-dihydroxylcholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • kalcitonín

hormóny uvedené ovplyvňujú intestinálnu absorpciu vápnika, vylučovanie vápnika obličkami a uvoľňovanie alebo absorpciu vápnika do kostí. V prípade menších odchýlok koncentrácie extracelulárneho voľného vápnika sú zvyčajne dostatočné črevné a obličkové kompenzačné mechanizmy. Iba vtedy, keď tieto regulačné mechanizmy zlyhajú, sa vápnik uvoľní z kostry, čo vedie k strate kostnej hmoty spojenej so oslabením mechanickej stability kosti. Zmeny koncentrácie extracelulárneho voľného vápnika sú snímané špecifickou membránou proteíny nazývané senzory vápnika, ktoré patria do nadrodiny 7-násobných membránopriepustných receptorov spojených s G-proteínom. Receptory špecifické pre vápnik sú exprimované hlavne prištítnymi telieskami, ktoré uvoľňujú PTH spôsobom závislým od vápnika, C bunkami štítnej žľazy, ktoré vylučujú kalcitonín spôsobom závislým od vápnika a obličkovými bunkami, ktoré syntetizujú aktívny 1,25- (OH) 2-D3 spôsobom závislým od vápnika. Okrem toho môžu byť senzory vápnika detegované aj na rade ďalších bunkových typov, ako sú napríklad osteoklasty (bunky resorbujúce kosti) a enterocyty (bunky črevného epitelu). Predpokladá sa, že prostredníctvom vápnikovo citlivých receptorov je na vápniku závislá modulácia (zvýšenie) účinku hormóny PTH, kalcitriol a kalcitonín prebiehajú na úrovni cieľových buniek - kostí, tenké črevo, obličkové bunky. Nízka koncentrácia extracelulárneho vápnika - paratyroidný hormón a kalcitriol.

Keď hladiny vápnika v sére klesnú - v dôsledku nedostatočného príjmu alebo zvýšených strát - PTH sa čoraz viac syntetizuje (tvorí) v prištítnych telieskach a vylučuje sa (vylučuje) do krvi. PTH sa dostáva do obličiek, kde stimuluje expresiu 1-alfa-hydroxylázy, a tým syntézu 1,25- (OH) 2-D3, biologicky aktívnej formy vitamín D. V kostiach stimulujú PTH a 1,25- (OH) 2-D3 aktivitu osteoklastov, ktoré viesť k resorpcii (odbúravaniu) kostnej látky. Vápnik sa následne uvoľňuje z kostí a uvoľňuje sa do extracelulárneho priestoru. Pretože vápnik je ukladaný v kostrovom systéme vo forme hydroxyapatitu (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), fosfátové ióny sú mobilizované z kostí súčasne - úzka korelácia (vzťah) metabolizmu vápnika a fosfátov. Na membráne okraja kefky proximálneho tenkého čreva podporuje kalcitriol ako aktívnu transcelulárnu absorpciu vápnika, tak aj reabsorpciu fosfátov a transport vápniku a fosfátu do extracelulárneho priestoru. V obličkách PTH zvyšuje tubulárnu reabsorpciu vápnika a zároveň inhibuje tubulárnu reabsorpciu fosfátov. Nakoniec dochádza k zvýšenému vylučovaniu fosfátu obličkami, čo zvyšuje akumuláciu v dôsledku mobilizácie fosforečnanu vápenatého z kostí a reabsorpcie z čreva. Zníženie hladiny fosfátu v sére na jednej strane zabraňuje vyzrážaniu fosforečnanu vápenatého v tkanivách a na druhej strane stimuluje uvoľňovanie vápnika z kostí - v prospech koncentrácie vápnika v sére. Výsledkom účinkov PTH a kalcitriolu na medzikompartmentové pohyby vápnika pri nízkych hladinách vápnika v sére je zvýšenie a normalizácia koncentrácie extracelulárneho voľného vápnika. Predĺžené zvýšené hladiny séra 1,25- (OH) 2-D3 viesť k inhibícii syntézy a proliferácie PTH (rastu a proliferácie) prištítnych teliesok - negatívna spätná väzba. Tento mechanizmus prebieha prostredníctvom receptorov vitamínu D3 prištítnych teliesok. Ak kalcitriol obsadzuje tieto receptory špecifické pre seba, môže vitamín ovplyvňovať metabolizmus cieľového orgánu. Vysoký obsah extracelulárneho vápnika - kalcitonín

Zvýšenie extracelulárneho ionizovaného vápnika spôsobuje, že C bunky štítnej žľazy syntetizujú a vylučujú (vylučujú) viac kalcitonínu. Kalcitonín inhibuje aktivitu osteoklastov na kosti, a tým aj odbúravanie kostného tkaniva, čo podporuje ukladanie vápnika v kostre. Peptidový hormón zároveň stimuluje vylučovanie vápnika obličkami. Pomocou týchto mechanizmov vedie kalcitonín k zníženiu koncentrácie vápnika v sére. Kalcitonín predstavuje priameho antagonistu (oponenta) proti PTH. Keď sa teda zvýši extracelulárny voľný vápnik, dôjde k syntéze a vylučovaniu PTH z príštítna žľaza a PTH-indukovaná renálna produkcia 1,25- (OH) 2-D3 je znížená. To má za následok zníženú mobilizáciu fosforečnanu vápenatého z kostí, zníženú črevnú reabsorpciu vápnika a zníženú tubulárnu reabsorpciu vápnika, a tým zvýšené vylučovanie vápnika obličkami. Výsledok v súlade s mechanizmus akcie kalcitonínu, je pokles koncentrácie extracelulárneho voľného vápnika a normalizácia hladín vápnika v sére.

Rovnováha vápnika

Vápnik vyvážiť je závislá na veku. Počas fázy rastu v detstva a dospievanie, za predpokladu dostatočného príjmu vápnika, existuje pozitívny vápnik vyvážiť, s väčším množstvom vápniku absorbovaného telom ako vylúčeným obličkami a črevami. Zvýšená aktivita osteoblastov (buniek tvoriacich kosti) vedie k zvýšenému ukladaniu vápnika v kostnej látke, a tým k zvýšenému ukladaniu vápnika. Maximálna kostná minerálna hmota alebo maximum hustota kostí sa získava prevažne počas dospievania a mladej dospelosti. Dievčatá majú teda asi 90% celkového obsahu minerálov v kostre vo veku 16.9 ± 1.3 roka a asi 99% vo veku 26.2 ± 3.7 rokov. U chlapcov možno pozorovať oneskorenie asi 1.5 roka. Vrcholová kostná hmota sa spravidla dosahuje približne vo veku 30 rokov. Obsah minerálov v kostiach charakterizuje skutočnú kosť iba nedostatočne. pevnosť. Určujú ho skôr faktory ako fyzická aktivita, svalová hmota, stavba tela a veľkosť. Od 30 rokov existuje rovnovážny vápnik vyvážiť počas niekoľkých desaťročí života, pričom množstvo vápniku absorbovaného v tele koreluje s množstvom vápniku vylučovaného obličkami a stolicou. Napríklad pri príjme vápnika 1,000 200 mg sa absorbuje približne 200 mg a asi 250 mg sa vylúči obličkami, zatiaľ čo 500 - XNUMX mg sa uvoľní z kosti a znovu sa vstrebáva ako súčasť procesov remodelácie. Aby sa zabránilo negatívnemu vyváženiu vápnika, je potrebné dbať na dostatočný príjem vápnika v strave. Napriek vyváženému metabolizmu vápnika hustota kostí od 30. roku života nepretržite klesá. U zdravých ľudí je strata kostnej minerálnej hmoty asi 1% ročne. Príčinou úbytku kostnej hmoty s pribúdajúcim vekom je zvýšená aktivita osteoklastov (bunky degradujúce kosti), ktorá je sprevádzaná zvýšeným odbúravaním kostného tkaniva a zvýšeným uvoľňovaním vápnika z kosti. Nakoniec sa viac vápniku vylučuje močom a stolicou, ako je absorbované tenkým črevom a kosťami. Starší ľudia majú preto negatívnu rovnováhu vápnika. Najmä kostná hmota postupne klesá u postmenopauzálnych žien (menopauza; menopauza u žien) v dôsledku zmeneného stavu estrogénu. Na základe štúdií bolo možné u žien pozorovať nástup straty kostnej a minerálnej látky krk od 37 rokov a na chrbtici od 48 rokov. Ženy po menopauze sú preto vystavené zvýšenému riziku vzniku osteoporóza (úbytok kostnej hmoty). Čím je „špičková kostná hmota“ nižšia, tým vyššie je riziko osteoporóza. Štúdie u postmenopauzálnych žien preukázali, že úroveň perorálneho príjmu vápnika úzko súvisí s rizikom zlomenín bedrového kĺbu. Vápnik správa 800 - 1,000 XNUMX mg / deň viedlo k zníženiu aktivity osteoklastov u jedincov, čo zastavilo resorpciu kostí alebo úbytok kostnej hmoty a znížilo zlomenina incidencia.