Общая характеристика. Биологическая роль в организме человека
Кальций является наиболее распространенным минералом в организме человека. Около 99% кальция в организме находится в костях и зубах, а 1% содержится в крови и мягких тканях. Физиологические функции кальция являются жизненно важными, поэтому организм при недостаточном потреблении кальция и снижении его уровня в плазме крови стимулирует резорбцию кости (деминерализацию) для поддержания нормальной концентрации кальция в крови. Таким образом, адекватное потребление кальция является одним из основных факторов в поддержании нормального функционирования скелета [1].
Структурная роль. Кальций является основным структурным элементом костей и зубов. Минеральный компонент костной ткани состоит в основном из гидроксиапатита [Са10(РО4)6(ОН)2], кристаллы, которого содержат большое количество кальция, фосфора и кислорода. Кость представляет собой динамичную ткань, которая ремоделируется в течение всей жизни. Костные клетки, называемые остеокластами, начинают процесс ремоделирования путем растворения или резорбции кости. Остеобласты, формирующие костную ткань, синтезируют новую кость, которая заменяет кость, которая подверглась резорбции. При нормальном росте процесс образования костной ткани превышает резорбцию костей. В противном случае возникает остеопороз [1].
Гомеостаз кальция
Уровень кальция в крови и во внеклеточной жидкости, необходимый для нормального физиологического функционирования организма, находится в узком диапазоне концентраций. Небольшое снижение уровня кальция в крови (например, в случае недостаточного потребления кальция) воспринимается паращитовидными железами как сигнал к повышению секреции паратиреоидного гормона (ПТГ). Увеличение концентрации ПТГ приводит к быстрому снижению экскреции кальция с мочой, при этом усиливается выведение с мочой фосфора и происходит стимуляция резорбции костей, в результате которой высвобождаются костные минералы кальций и фосфаты. В результате вышеприведенных событий восстанавливается концентрация кальция в сыворотке крови. Отсроченным действием ПТГ также является стимулирование превращения витамина D в его активную форму (1,25-дигидроксивитамина D; кальцитриола) в почках.
Увеличение циркуляции 1,25-дигидроксивитамина D, в свою очередь, стимулирует увеличение кишечной абсорбции кальция и фосфора. Как ПТГ, так 1,25-дигидроксивитамин D стимулирует высвобождение кальция из костей, активизируя работу остеокластов (отвечающих за резорбцию костей), и ограничивает экскрецию кальция за счет увеличения его реабсорбции в почках. Когда уровень кальция в крови повышается до нормального, паращитовидные железы уменьшают секрецию ПТГ. Наконец, резкие изменения концентрации кальция в крови, по-видимому, не вызывают секрецию гормона фактора роста фибробластов 23 (FGF23), обладающего фосфатурическим действием, который секретируют остеобласты/остеоциты в ответ на увеличение поглощения фосфора [2]. Таким образом, эта сложная система позволяет быстро регулировать и тщательно контролировать концентрацию кальция в крови за счет костей скелета [1].
Передача внутриклеточных сигналов
Кальций играет важную роль в сужении и расслаблении кровеносных сосудов (вазоконстрикции и вазодилатации), передаче нервных импульсов, сокращении мышц и секреции гормонов, например инсулина [1]. Возбудимые клетки, такие как скелетные мышечные и нервные клетки, содержат потенциал-зависимые кальциевые каналы в составе клеточных мембран, функция которых регулируется концентрацией кальция. В случае когда нервный импульс стимулирует мышечные волокна для сокращения, кальциевые каналы в клеточной мембране открываются, что позволяет ионам кальция проникать в мышечные клетки. В клетке эти ионы кальция связываются с активаторами протеинов, которые помогают высвободить поток ионов кальция из пузырьков-депо эндоплазматического ретикулума внутри клетки. Связывание кальция с белком тропонином С инициирует ряд событий, которые приводят к сокращению мышц. Связывание кальция с белком кальмодулином активизирует ферменты, которые расщепляют
гликоген в мышцах для получения энергии, необходимой для мышечного сокращения. После завершения действия кальций выкачивается из клетки или запасается в пузырьках-депо эндоплазматического ретикулума до следующей активации [3].
Регулирование белковых функций
Кальций необходим для стабилизации ряда белков, в том числе ферментов, для оптимизации их деятельности. Связывание с ионами кальция требуется для активации семи «витамин-К-зависимых» факторов свертывания в каскаде свертывания крови.