Wapń w biologii - Calcium in biology

Jony wapnia (Ca 2+ ) przyczyniają się do fizjologii i biochemii komórek organizmów . Odgrywają ważną rolę w szlakach transdukcji sygnału , gdzie działają jako drugi przekaźnik , w uwalnianiu neuroprzekaźników z neuronów , w skurczu wszystkich typów komórek mięśniowych oraz w zapłodnieniu . Wiele enzymów wymaga jako kofaktora jonów wapnia , w tym kilku czynników krzepnięcia . Wapń pozakomórkowy jest również ważny dla utrzymania różnicy potencjałów między pobudliwymi błonami komórkowymi , a także dla prawidłowego tworzenia kości.

Poziom wapnia w osoczu ssaków jest ściśle regulowany, a kości pełnią rolę głównego miejsca magazynowania minerałów . Jony wapnia Ca 2+ są uwalniane z kości do krwiobiegu w kontrolowanych warunkach. Wapń jest transportowany przez krwioobieg w postaci rozpuszczonych jonów lub związany z białkami, takimi jak albumina surowicy . Parathormon wydzielany przez gruczoły przytarczyczne reguluje resorpcję Ca 2+ z kości, reabsorpcję w nerkach z powrotem do krążenia oraz zwiększa aktywację witaminy D 3 do kalcytriolu . Kalcytriol, aktywna forma witaminy D 3 , wspomaga wchłanianie wapnia z jelit i kości. Kalcytonina wydzielane z przypęcherzykowe komórek w tarczycy ma również wpływ na poziom wapnia w przeciwnych hormon przytarczyc; jednak jego fizjologiczne znaczenie u ludzi jest wątpliwe.

Wapń wewnątrzkomórkowy jest magazynowany w organellach, które w odpowiedzi na określone zdarzenia komórkowe w sposób powtarzalny uwalniają, a następnie ponownie gromadzą jony Ca2 + : miejsca magazynowania obejmują mitochondria i retikulum endoplazmatyczne .

Charakterystyczne stężenia wapnia w organizmach modelowych to: w E. coli 3 mM (związany), 100 nM (wolny), w pączkujących drożdżach 2 mM (związany), w komórkach ssaków 10-100 nM (wolny) oraz w osoczu krwi 2 mM.

Ludzie

Dobowe zalecenia dotyczące wapnia dostosowane do wieku (z RDA amerykańskiego Instytutu Medycyny)
Wiek Wapń (mg/dzień)
1-3 lata 700
4–8 lat 1000
9-18 lat 1300
19-50 lat 1000
>51 lat 1000
Ciąża 1000
Laktacja 1000
Globalne spożycie wapnia w diecie wśród dorosłych (mg/dzień)
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1000
  >1000

Zalecenia dietetyczne

Amerykański Instytut Medyczny (IOM) ustalił zalecane diety (RDA) dla wapnia w 1997 r. i zaktualizował te wartości w 2011 r. Patrz tabela. Europejski Urząd Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) używa terminu spożycie populacji referencyjnej (PRI) zamiast RDA i zestawów nieco inne liczby: wiek 4-10 800 mg, w wieku 11-17 1150 mg, w wieku 18-24 lat 1000 mg, a> 25 lat 950 mg.

Ze względu na obawy związane z długotrwałymi niekorzystnymi skutkami ubocznymi, takimi jak zwapnienie tętnic i kamieni nerkowych, IOM i EFSA ustalają górne tolerowane poziomy spożycia (UL) dla kombinacji wapnia z dietą i suplementów. Według IOM osoby w wieku 9-18 lat nie powinny przekraczać 3000 mg/dzień; w wieku 19–50 lat nie więcej niż 2500 mg/dzień; dla osób w wieku 51 lat i starszych, nie więcej niż 2000 mg/dzień. EFSA ustalił UL na 2500 mg/dzień dla dorosłych, ale uznał, że informacje dla dzieci i młodzieży nie są wystarczające do określenia UL.

Dla celów etykietowania żywności i suplementów diety w USA ilość porcji jest wyrażona jako procent dziennej wartości (%DV). Do celów znakowania wapnia 100% dziennej wartości wynosiło 1000 mg, ale od 27 maja 2016 r. zmieniono ją na 1300 mg, aby dostosować ją do RDA. Zgodność ze zaktualizowanymi przepisami dotyczącymi etykietowania była wymagana do 1 stycznia 2020 r. w przypadku producentów, których roczna sprzedaż żywności wynosi 10 mln USD lub więcej, a do 1 stycznia 2021 r. w przypadku producentów o mniejszej sprzedaży żywności. Tabela starych i nowych dziennych wartości dla dorosłych znajduje się w Referencyjnym Dziennym Spożyciu .

Roszczenia zdrowotne

Chociaż z reguły etykietowanie i marketing suplementów diety nie mogą zawierać oświadczeń dotyczących zapobiegania chorobom lub leczenia, FDA dokonała przeglądu niektórych produktów spożywczych i suplementów diety, stwierdziła, że ​​istnieje znaczące porozumienie naukowe i opublikowała konkretnie sformułowane dozwolone oświadczenia zdrowotne . Wstępne orzeczenie zezwalające na oświadczenie zdrowotne dotyczące suplementów diety zawierających wapń i osteoporozy zostało później zmienione w celu włączenia suplementów wapnia i witaminy D, które weszło w życie 1 stycznia 2010 r. Przykłady dozwolonych sformułowań przedstawiono poniżej. Aby zakwalifikować się do oświadczenia zdrowotnego dotyczącego wapnia, suplement diety zawiera co najmniej 20% referencyjnego spożycia, co dla wapnia oznacza co najmniej 260 mg na porcję.

  • „Odpowiednia ilość wapnia przez całe życie, jako część dobrze zbilansowanej diety, może zmniejszyć ryzyko osteoporozy”.
  • „Odpowiedni wapń jako część zdrowej diety, wraz z aktywnością fizyczną, może zmniejszyć ryzyko osteoporozy w późniejszym życiu”.
  • „Odpowiednia ilość wapnia i witaminy D przez całe życie, jako część dobrze zbilansowanej diety, może zmniejszyć ryzyko osteoporozy”.
  • „Odpowiedni wapń i witamina D w ramach zdrowej diety, wraz z aktywnością fizyczną, mogą zmniejszyć ryzyko osteoporozy w późniejszym życiu”.

W 2005 roku FDA zatwierdziła Kwalifikowane Oświadczenie Zdrowotne dotyczące wapnia i nadciśnienia, z sugerowanym sformułowaniem „Niektóre dowody naukowe sugerują, że suplementy wapnia mogą zmniejszać ryzyko nadciśnienia. Jednak FDA ustaliła, że ​​dowody są niespójne i niejednoznaczne”. Dowody na nadciśnienie i stan przedrzucawkowy wywołane ciążą uznano za niejednoznaczne. W tym samym roku FDA zatwierdziła QHC dla raka wapnia i okrężnicy, z sugerowanym sformułowaniem „Niektóre dowody sugerują, że suplementy wapnia mogą zmniejszać ryzyko raka okrężnicy/odbytnicy, jednak FDA ustaliła, że ​​te dowody są ograniczone i niejednoznaczne”. Dowody na raka piersi i raka prostaty uznano za niejednoznaczne. Propozycje dotyczące QHC dla wapnia jako ochrony przed kamieniami nerkowymi lub zaburzeniami miesiączkowania lub bólem zostały odrzucone.

Europejski Urząd Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) stwierdził, że „przyczynia wapnia do prawidłowego rozwoju kości.” EFSA odrzucił twierdzenie, że istnieje związek przyczynowo-skutkowy między spożyciem wapnia i potasu a utrzymaniem prawidłowej równowagi kwasowo-zasadowej. EFSA odrzuciła również wnioski dotyczące wapnia i paznokci, włosów, lipidów we krwi, zespołu napięcia przedmiesiączkowego i utrzymania masy ciała.

Źródła jedzenia

Strona internetowa Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych (USDA) zawiera bardzo kompletną, przeszukiwalną tabelę zawartości wapnia (w miligramach) w żywności, według typowych miar, takich jak 100 gramów lub normalna porcja.

Jedzenie, wapń na 100 gram
parmezan ( ser ) = 1140 mg
mleko w proszku = 909 mg
twardy ser kozi = 895 mg
Ser Cheddar = 720 mg
pasta tahini = 427 mg
melasa = 273 mg
migdały = 234 mg
warzywa kapustne = 232 mg
jarmuż = 150 mg
mleko kozie = 134 mg
nasiona sezamu (niełuskane) = 125 mg
beztłuszczowe mleko krowie = 122 mg
zwykły jogurt z pełnego mleka = 121 mg
Jedzenie, wapń na 100 gram
orzechy laskowe = 114 mg
tofu , miękkie = 114 mg
buraki = 114 mg
szpinak = 99 mg
ricotta (ser odtłuszczony) = 90 mg
soczewica = 79 mg
ciecierzyca = 53 mg
jajka gotowane = 50 mg
pomarańczowy = 40 mg
mleko ludzkie = 33 mg
ryż biały długoziarnisty = 19 mg
wołowina = 12 mg
dorsz = 11 mg

Pomiar we krwi

Ilość wapnia we krwi (a dokładniej w osoczu krwi ) można zmierzyć jako wapń całkowity , który obejmuje zarówno wapń związany z białkami, jak i wapń wolny. W przeciwieństwie do tego, zjonizowany wapń jest miarą wolnego wapnia. Nienormalnie wysoki poziom wapnia w osoczu jest określany jako hiperkalcemia, a nienormalnie niski poziom jest określany jako hipokalcemia , przy czym „nieprawidłowy” ogólnie odnosi się do poziomów poza zakresem referencyjnym .

Zakresy referencyjne dla badań krwi na wapń
Cel Dolny limit Górna granica Jednostka
Zjonizowany wapń 1,03, 1,10 1,23, 1,30 mmol/L
4.1, 4.4 4,9, 5,2 mg/dL
Wapń całkowity 2.1, 2.2 2,5, 2,6, 2,8 mmol/L
8,4, 8,5 10,2, 10,5 mg/dL

Główne metody pomiaru wapnia w surowicy to:

  • Metoda kompleksonu O-krezolfaleiny; Wadą tej metody jest to, że lotny charakter użytego w tej metodzie 2-amino-2-metylo-1-propanolu powoduje konieczność kalibrowania metody co kilka godzin w warunkach laboratorium klinicznego.
  • metoda Arsenazo III; Ta metoda jest bardziej solidna, ale arsen w odczynniku stanowi zagrożenie dla zdrowia.

Całkowitą ilość Ca2 + obecnego w tkance można zmierzyć za pomocą spektroskopii absorpcji atomowej , w której tkanka jest odparowywana i spalana. Aby zmierzyć stężenie Ca2 + lub rozkład przestrzenny w cytoplazmie komórki in vivo lub in vitro , można zastosować szereg reporterów fluorescencyjnych . Należą do nich przepuszczalne dla komórek barwniki fluorescencyjne wiążące wapń, takie jak Fura-2 lub genetycznie zmodyfikowany wariant białka zielonej fluorescencji (GFP) o nazwie Cameleon .

Skorygowany wapń

Ponieważ dostęp do zjonizowanego wapnia nie zawsze jest dostępny, zamiast tego można zastosować skorygowany wapń. Aby obliczyć skorygowany poziom wapnia w mmol/L, należy wziąć całkowity wapń w mmol/L i dodać go do ((40 minus albumina surowicy w g/L) pomnożone przez 0,02). Istnieją jednak kontrowersje wokół użyteczności skorygowanego wapnia, ponieważ może nie być lepszy niż wapń całkowity. Bardziej przydatne może być skorygowanie całkowitego wapnia zarówno pod kątem albumin, jak i luki anionowej .

Inne zwierzęta

Kręgowce

U kręgowców jony wapnia, podobnie jak wiele innych jonów, mają tak istotne znaczenie dla wielu procesów fizjologicznych, że jego stężenie jest utrzymywane w określonych granicach, aby zapewnić odpowiednią homeostazę. Świadczy o tym wapń w ludzkim osoczu , który jest jedną z najściślej regulowanych zmiennych fizjologicznych w ludzkim ciele. Normalne poziomy w osoczu wahają się od 1 do 2% w danym czasie. Około połowa całego zjonizowanego wapnia krąży w postaci niezwiązanej, a druga połowa jest skompleksowana z białkami osocza, takimi jak albumina , a także z anionami, w tym wodorowęglanem , cytrynianem , fosforanem i siarczanem .

Regulacja wapnia w organizmie człowieka

Różne tkanki zawierają wapń w różnych stężeniach. Na przykład Ca 2+ (głównie fosforan wapnia i trochę siarczanu wapnia ) jest najważniejszym (i specyficznym) elementem kości i uwapnionej chrząstki . U ludzi całkowita zawartość wapnia w organizmie występuje głównie w postaci minerału kostnego (około 99%). W tym stanie jest w dużej mierze niedostępny do wymiany/biodostępności. Sposobem na przezwyciężenie tego jest proces resorpcji kości , w którym wapń jest uwalniany do krwiobiegu poprzez działanie osteoklastów kostnych . Pozostała część wapnia jest obecna w płynach zewnątrzkomórkowych i wewnątrzkomórkowych.

W typowej komórce wewnątrzkomórkowe stężenie zjonizowanego wapnia wynosi z grubsza 100 nM, ale podczas różnych funkcji komórkowych wzrasta od 10 do 100 razy. Wewnątrzkomórkowy poziom wapnia jest utrzymywany na stosunkowo niskim poziomie w stosunku do płynu pozakomórkowego, około 12 000-krotnie. Gradient ten jest utrzymywany przez różne pompy wapniowe błony plazmatycznej, które wykorzystują ATP jako energię, a także duże magazynowanie w przedziałach wewnątrzkomórkowych. W pobudliwych elektrycznie komórkach, takich jak szkieletowych i mięśnia sercowego oraz neuronów, membrana prowadzi do depolaryzacji Ca 2+ ustępuje w cytozolu Ca 2+ stężenie sięga około 1 uM. Mitochondria są zdolne do sekwestracji i magazynowania części tego Ca 2+ . Oszacowano, że stężenie wolnego wapnia w macierzy mitochondrialnej wzrasta do kilkudziesięciu mikromolowych poziomów in situ podczas aktywności neuronalnej.

Efekty

Wpływ wapnia na komórki ludzkie jest specyficzny, co oznacza, że ​​różne typy komórek reagują na różne sposoby. Jednak w pewnych okolicznościach jego działanie może być bardziej ogólne. Jony Ca 2+ są jednymi z najbardziej rozpowszechnionych wtórnych przekaźników wykorzystywanych w transdukcji sygnału . Dostają się do cytoplazmy albo z zewnątrz komórki przez błonę komórkową przez kanały wapniowe (takie jak białka wiążące wapń lub kanały wapniowe bramkowane napięciem), albo z niektórych wewnętrznych magazynów wapnia, takich jak retikulum endoplazmatyczne i mitochondria . Poziomy wewnątrzkomórkowego wapnia są regulowane przez białka transportowe, które usuwają go z komórki. Na przykład wymiennik sodowo-wapniowy wykorzystuje energię z elektrochemicznego gradientu sodu, łącząc dopływ sodu do komórki (i w dół jego gradientu stężenia) z transportem wapnia z komórki. Ponadto, ATP-aza Ca2 + błony komórkowej (PMCA) pozyskuje energię do wypompowywania wapnia z komórki poprzez hydrolizę adenozynotrifosforanu (ATP). W neuronach , , kanały jonowe zależne od napięcia wapnia selektywne są ważne dla synaptycznej transmisji przez uwalnianie neuroprzekaźników do szczeliny synaptycznej przez pęcherzyk fuzji z pęcherzyków synaptycznych .

Funkcję wapnia w skurczu mięśni odkrył już w 1882 roku Ringer. Kolejne badania miały ujawnić jego rolę jako posłańca około sto lat później. Ponieważ jego działanie jest powiązane z cAMP , nazywa się je komunikatorami synarchicznymi. Wapń może wiązać się z kilkoma różnymi białkami modulowanymi wapniem, takimi jak troponina-C (pierwsza do zidentyfikowania) i kalmodulina , białka niezbędne do pobudzania skurczu mięśni.

W komórkach śródbłonka, które wyściełają wnętrze naczyń krwionośnych, jony Ca2 + mogą regulować kilka ścieżek sygnałowych, które powodują rozluźnienie mięśni gładkich otaczających naczynia krwionośne. Niektóre z tych Ca 2+ -aktywowany drogi obejmują stymulację eNOS do wytwarzania tlenku azotu, jak również pobudzenie K ca kanałów wypływowi K + i spowodować hiperpolaryzacji błony komórkowej. Zarówno tlenek azotu, jak i hiperpolaryzacja powodują rozluźnienie mięśni gładkich w celu regulacji ilości napięcia w naczyniach krwionośnych. Jednak dysfunkcja w obrębie tych szlaków aktywowanych Ca2 + może prowadzić do wzrostu napięcia spowodowanego nieuregulowanym skurczem mięśni gładkich. Ten rodzaj dysfunkcji można zaobserwować w chorobach sercowo-naczyniowych, nadciśnieniu i cukrzycy.

Koordynacja wapnia odgrywa ważną rolę w definiowaniu struktury i funkcji białek. Przykładem białka koordynującego wapń jest czynnik von Willebranda (vWF), który odgrywa zasadniczą rolę w procesie tworzenia skrzepów krwi. Za pomocą jednocząsteczkowych pomiarów szczypcami optycznymi odkryto, że vWF związany z wapniem działa jako czujnik siły ścinającej we krwi. Siła ścinająca prowadzi do rozwinięcia domeny A2 vWF, której szybkość ponownego fałdowania jest dramatycznie zwiększona w obecności wapnia.

Dostosowanie

Przepływ jonów Ca 2+ reguluje kilka wtórnych systemów przekaźnikowych w adaptacji neuronalnej dla układu wzrokowego, słuchowego i węchowego. Często może być związany z kalmoduliną, tak jak w układzie węchowym, w celu wzmocnienia lub tłumienia kanałów kationowych. Innym razem zmiana poziomu wapnia może faktycznie uwolnić cyklazę guanylową z hamowania, tak jak w układzie fotorecepcji. Jon Ca 2+ może również determinować szybkość adaptacji w układzie nerwowym w zależności od receptorów i białek o różnym powinowactwie do wykrywania poziomów wapnia do otwierania lub zamykania kanałów przy wysokim stężeniu i niskim stężeniu wapnia w komórce w tym czasie.

Typ komórki Efekt
Komórki śródbłonka ↑Rozszerzenie naczyń krwionośnych
Komórki wydzielnicze (głównie) ↑Wydzielanie ( fuzja pęcherzyków )
Komórka przykłębuszkowa ↓Sekrecja
Komórki naczelne przytarczyc ↓Sekrecja
Neurony Transmisja ( fuzja pęcherzyków ), adaptacja nerwowa
limfocyty T Aktywacja w odpowiedzi na prezentację antygenu receptorowi komórek T
Miocyty
Różny Aktywacja kinazy białkowej C
Dalsza lektura: Funkcja kinazy białkowej C
Zakresy referencyjne dla badań krwi , pokazujące poziomy wapnia w kolorze fioletowym po prawej stronie

Negatywne skutki i patologia

Znaczne spadki stężenia pozakomórkowych jonów Ca2 + mogą powodować stan zwany tężyczką hipokalcemiczną , który charakteryzuje się spontanicznym wyładowaniem neuronów ruchowych . Ponadto ciężka hipokalcemia zacznie wpływać na aspekty krzepnięcia krwi i transdukcji sygnału.

Jony Ca 2+ mogą uszkadzać komórki, jeśli dostaną się w nadmiernej ilości (na przykład w przypadku ekscytotoksyczności lub nadmiernego pobudzenia obwodów nerwowych , co może wystąpić w chorobach neurodegeneracyjnych lub po urazach, takich jak uraz mózgu lub udar ). Nadmierne dostanie się wapnia do komórki może ją uszkodzić, a nawet spowodować apoptozę lub śmierć przez martwicę . Wapń działa również jako jeden z podstawowych regulatorów stresu osmotycznego ( wstrząsu osmotycznego ). Przewlekły podwyższony poziom wapnia w osoczu ( hiperkalcemia ) jest związany z zaburzeniami rytmu serca i zmniejszoną pobudliwością nerwowo-mięśniową. Jedną z przyczyn hiperkalcemii jest stan znany jako nadczynność przytarczyc .

Bezkręgowce

Niektóre bezkręgowców zastosowanie związków wapnia do budowy ich szkielet zewnętrzny ( muszle i pancerzy ) lub szkielet wewnętrzny ( szkarłupni płyt i poriferan wapienne drzazg ).

Rośliny

Zamykanie szparek

Kiedy kwas abscysynowy sygnalizuje komórkom ochronnym, wolne jony Ca 2+ wchodzą do cytozolu zarówno z zewnątrz komórki, jak i z wewnętrznych zapasów, odwracając gradient stężenia, tak aby jony K+ zaczęły opuszczać komórkę. Utrata substancji rozpuszczonych powoduje zwiotczenie komórki i zamknięcie porów szparkowych.

Podział komórkowy

Wapń jest jonem niezbędnym do tworzenia wrzeciona mitotycznego . Bez wrzeciona mitotycznego podział komórkowy nie może nastąpić. Chociaż młode liście mają większe zapotrzebowanie na wapń, starsze liście zawierają większe ilości wapnia, ponieważ wapń jest stosunkowo niemobilny w roślinie. Nie jest transportowana przez łyko, ponieważ może wiązać się z innymi jonami składników odżywczych i wytrącać się z płynnych roztworów.

Role strukturalne

Jony Ca 2+ są niezbędnym składnikiem ścian komórkowych roślin i błon komórkowych oraz są wykorzystywane jako kationy do równoważenia anionów organicznych w wakuoli roślinnej . Stężenie Ca 2+ w wakuoli może osiągnąć poziom milimolowy. Najbardziej uderzające zastosowanie jonów Ca 2+ jako pierwiastka strukturalnego w algach występuje w morskich kokolitoforach , które wykorzystują Ca 2+ do tworzenia płytek węglanu wapnia , którymi są pokryte.

Wapń jest potrzebny do utworzenia pektyny w środkowej blaszce nowo powstałych komórek.

Wapń jest potrzebny do stabilizacji przepuszczalności błon komórkowych . Bez wapnia ściany komórkowe nie są w stanie ustabilizować i utrzymać swojej zawartości. Jest to szczególnie ważne w rozwoju owoców. Bez wapnia ściany komórkowe są słabe i nie są w stanie utrzymać zawartości owocu.

Niektóre rośliny gromadzą Ca w swoich tkankach, dzięki czemu stają się bardziej jędrne. Wapń jest przechowywany jako kryształy szczawianu Ca w plastydach .

Sygnalizacja komórkowa

Ca 2+ jony są zazwyczaj utrzymywane na poziomie nanomolowych w cytozolu z komórek roślinnych i działa w wielu szlakach przekazywania sygnałów jako wtórne przekaźniki .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki