Vápník: Definice, syntéza, absorpce, transport a distribuce

Vápník je chemický prvek se symbolem prvku Ca a atomovým číslem 20. Patří do skupiny kovů alkalických zemin a je pátým nejhojnějším prvkem na Zemi. Vápník představuje pro člověka základní (vitální) minerál a v organismu se vyskytuje výhradně jako dvojmocný kation (Ca2 +).

Vstřebávání

Vázané na potraviny vápník musí být nejprve uvolněn trávicími šťávami v gastrointestinálním traktu (GI traktu), aby byl následně absorbován (absorbován) v tenké střevo, především v EU duodenum (duodenum) a proximální jejunum (horní jejunum). Vstřebávání dochází transcelulárně (hmota transport přes epiteliální buňky střeva) aktivním mechanismem po kinetice nasycení při nízkém až normálním příjmu vápníku a navíc paracelulárně (hromadný transport přes intersticiální prostory intestinálních epiteliálních buněk) pasivní difúzí podél elektrochemického gradientu při vysokém příjmu. Pasivní střevní vstřebávání, který se vyskytuje v celém střevním traktu včetně dvojtečka (tlusté střevo) není zdaleka tak účinný ve srovnání s aktivním resorpčním mechanismem, a proto se celkové absorbované množství zvyšuje absolutně se zvyšujícím se obsahem vápníku dávka, ale relativně klesá. Zatímco aktivní transcelulární vápník vstřebávání je regulována parathormonu (PTH, peptidový hormon syntetizovaný v příštítná tělíska) a kalcitriol (fyziologicky aktivní forma vitaminu D3, 1,25-dihydroxylcholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3), pasivní paracelulární difúze není ovlivněna hormonů uvedené. Regulace transepiteliální resorpce vápníku pomocí PTH a kalcitriolje podrobněji popsána níže. V enterocytech (buňkách tenkého střeva epitel), vápník je vázán na specifický transportní (transportní) protein vázající vápník nazývaný kalbindin, který transportuje vápník přes enterocyty do bazolaterálu (pryč ze střeva) buněčná membrána. 1,25- (OH) 2-D3 vede k receptorem zprostředkované stimulaci intracelulární (uvnitř buňky) exprese kalbindinu. Vápník vstupuje do krevního řečiště pomocí transmembránové Ca2 + -ATPázy (transportní systém pracující pod energií a adenosin spotřeba trifosfátu (ATP), respektive nosič výměny Ca2 + / 3 Na + (transportér vápníku poháněný gradientem Na +). Rychlost absorpce vápníku závisí na různých faktorech a pohybuje se mezi 15% a 60%. Po dětství vykazuje absorpce vápníku nejvyšší účinnost v pubertě (~ 60%), poté klesá na 15–20% v dospělosti. Následující faktory inhibují absorpci vápníku, včetně tvorby komplexu:

Následující faktory podporují vstřebávání vápníku:

  • Současná absorpce vápníku s jídlem
  • Rozdělení do několika jednotlivých dávek denně
  • 1,25-Dihydroxylcholekalciferol (1,25- (OH) 2-D3) - stimuluje intracelulární syntézu kalbindinu.
  • Snadno vstřebatelné cukry, jako např laktóza (mléko cukr).
  • Kyselina mléčná
  • Kyselina citronová
  • Aminokyseliny
  • Kaseinové fosfopeptidy
  • Neabsorbovatelné sacharidy, jako je inulin, fruktooligosacharidy a laktulóza, které jsou bakteriálně fermentovány na mastné kyseliny s krátkým řetězcem v ilu (dolní tenké střevo) a tlustém střevě (tlusté střevo) → výsledný pokles pH v lumen střeva vede k zvýšené uvolňování vázaného vápníku a ponechává více volného vápníku dostupného pro pasivní absorpci

Během těhotenství, je zvýšena absorpce vápníku - zprostředkována PTH a kalcitriol- respektovat denní přenos vápníku přes placenta (placenta) do plod (nenarozené dítě), jehož průměrná dávka je 250 mg ve 3. trimestru (třetím trimestru roku) těhotenství). Kromě zvýšené intestinální (střevosouvisející s absorpcí vápníku, další požadavek těhotné ženy je splněn zvýšeným uvolňováním vápníku z kostry po 1. trimestru. Ve srovnání s těhotnými ženami ztráty vápníku s mléko, které se pohybují od 250 do 350 mg / den, jsou u kojících žen kompenzovány zvýšenou mobilizací vápníku pouze z kosti, což má za následek 5% kost hmota ztráta po šesti měsících laktace. Avšak během 6-12 měsíců po odstavení dojde k obnově kostí bez ohledu na správa vápníku doplňky- předpokládaný příjem vápníku je dostatečný.

Transport a distribuce v těle

Obsah vápníku v lidském těle je při narození přibližně 25–30 g (0.8% tělesné hmotnosti) a v dospělosti přibližně 900–1,300 g (až 1.7% tělesné hmotnosti). Asi 99% celkového vápníku v těle je extracelulární (mimo buňky) v kostním systému, včetně zubů, kde je uložen převážně ve vázané formě jako nerozpuštěný vápník fosfát nebo hydroxyapatit (Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2). V kostech tvoří vápník přibližně 39% celkového obsahu minerálů. Pouze o něco méně než 1% celkového těla hmota vápníku je lokalizován v jiných tělesných tkáních (~ 7 g) a tělní tekutiny (~ 1 g). Obsah intracelulárního vápníku je tedy 10,000 XNUMXkrát nižší než obsah extracelulárního vápníku. Chcete-li zachovat koncentrace gradient mezi extracelulárním a intracelulárním vápníkem, buněčná membrána je do značné míry nepropustný (nepropustný) pro vápník za klidových podmínek. Kromě toho existují transmembránová čerpadla nebo transportní systémy, jako jsou Ca2 + -ATPázy (transportéry Ca2 + pracující se spotřebou ATP) a nosiče výměny Ca2 + / 3 Na + (transportéry Ca2 + poháněné gradientem Na +), které transportují vápník z buňky. V membránách endoplazmatického retikula (ER, bohatě rozvětvený kanálový systém rovinných dutin v eukaryotických buňkách) jsou specifické Ca2 + -ATPázy, takzvané SERCA (sarko- / endoplazmatické retikulum Ca2 + -ATPázy), které mohou obě čerpat vápník z cytosolu do ER - intracelulární skladování - a transport minerálu zpět do cytosolu pro buněčné funkce po stimulaci buňky vhodnými podněty mobilizujícími vápník. Ve směsi lze rozlišit tři různé frakce vápníku krev. Ionizovaný volný vápník tvoří největší frakci s asi 50%, následovanou proteinem (albumin-, globulinem) vázaný vápník (40-45%) a vápník v komplexu s nízkomolekulárními ligandy, jako je citrát, fosfát, síran a hydrogenuhličitan (5-10%). Nedostatek bílkovin i posuny pH ovlivňují vzájemný poměr vápenatých frakcí. Například, acidóza (krev pH <7.35) vede ke snížení a alkalóza (krev pH> 7.45) na zvýšené vazba na bílkoviny vápníku v séru, což vede k odpovídajícímu zvýšení nebo snížení podílu volného ionizovaného vápníku v séru - přibližně o 0.21 mmol / l Ca2 + na jednotku pH. Ionizovaná frakce volného vápníku (1.1 - 1.3 mmol / l) představuje biologicky aktivní formu a je homeostaticky řízena parathormonu, 1,25- (OH) 2-D3 a kalcitonin (peptidový hormon syntetizovaný v C buňkách štítné žlázy) (viz níže). Tedy celkový vápník v séru koncentrace je udržována konstantní v relativně úzkém rozmezí (2.25-2.75 mmol / l).

Vylučování

Vápník se vylučuje převážně močí a stolicí (stolicí) a okrajově potem. Ledviny (ledvinasouvisející s množstvím vápníku vyloučeného za normálních podmínek je méně než 4 mg / kg tělesné hmotnosti denně nebo méně než 300 mg / den u mužů a méně než 250 mg / den u žen. Vylučování vápníku ledvinami je výsledkem glomerulární filtrace a tubulární reabsorpce (reabsorpce ledvinovými tubuly), ke které dochází pasivně v proximálním tubulu (hlavní část renálních tubulů) a aktivně v distálním tubulu (střední část renálních tubulů) - kontrolováno PTH, 1,25- (OH) 2 -D3 a kalcitonin - a představuje více než 98% filtrované částky. To ilustruje, že ledvina hraje rozhodující roli při homeostáze vápníku nebo při udržování konstantní hladiny vápníku v séru. Následující faktory podporují vylučování vápníku ledvinami:

  • Zvýšení orálního příjmu vápníku, například doplňováním (např. Dietou doplňky).
  • Kofein - V káva, zelené a Černý čaj, Etc.
  • Sodík - jako složka kuchyňské soli (sodík chloridNaCl); za každé 2 g dietní stravy sodíkSe v moči ztratí 30-40 mg vápníku.
  • Zvýšený příjem bílkovin - živočišných i rostlinných bílkovin; 1 g proteinu zvyšuje vylučování vápníku ledvinami o 0.5–1.5 mg
  • Zvýšený příjem fosfátů - v uzeninách, taveném sýru, nealkoholických nápojích atd .; poměr vápník-fosfát v strava 1: 1.0-1.2 se považuje za optimální
  • Zvýšený příjem alkoholu
  • Chronický acidóza (pH krve <7.35)

Idiopatická hyperkalciurie (nefyziologicky vysoký obsah vápníku v moči koncentrace,> 4 mg vápníku / kg tělesné hmotnosti / den) je způsobena genetickou abnormalitou s proměnlivou expresí, ve které není známa příčina - absorpční (ovlivňující střevo), ledvinová (ovlivňující ledviny) nebo nutriční. Jedinci s idiopatickou hyperkalciurií, kteří jsou vystaveni zvýšenému riziku urolitiázy (tvorba ledvina kameny) ve srovnání se zdravými jedinci vykazují vyšší citlivost na sůl (synonyma: citlivost na sůl; citlivost na solný roztok; citlivost na solný roztok) než u lidí s normálním rizikem ledvinové kameny. Omezení solným roztokem a bílkovinami vede u pacientů s hyperkalciurií k normalizaci vylučování vápníku ledvinami. Vápník vylučovaný (vylučovaný) do gastrointestinálního traktu podléhá 85% střevní reabsorpci (reabsorpci). Zbývajících 15% (18-224 mg / den) se ztrácí stolicí (stolicí). Ztráty vápníku potem se odhadují na 4–96 mg / den, přičemž povinné ztráty se pohybují od 3 do 40 mg / den.

Hormonální regulace homeostázy vápníku

Protože vápník hraje ústřední roli v řadě životně důležitých funkcí v lidském organismu, je nezbytné udržovat koncentraci extracelulárního ionizovaného volného vápníku. Ionizovaný volný sérový vápník je ve vzájemném vztahu s různými kompartmenty vápníku - kost, tenké střevo, ledvina - a je udržována konstantní v úzkých mezích komplexním hormonálním regulačním systémem. Následující hormony se podílejí na regulaci metabolismu vápníku:

  • Parathormony
  • Kalcitriol (1,25-dihydroxylcholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • Kalcitonin

Projekt hormonů uvedené ovlivňují střevní absorpci vápníku, vylučování vápníku ledvinami a uvolňování nebo příjem vápníku do kostí. V případě menších odchylek koncentrace extracelulárního volného vápníku jsou obvykle dostatečné intestinální a renální kompenzační mechanismy. Teprve když tyto regulační mechanismy selžou, dojde k uvolnění vápníku z kostry, což má za následek úbytek kostní hmoty spojený se oslabením mechanické stability kosti. Změny koncentrace extracelulárního volného vápníku jsou snímány specifickou membránou Proteinů nazývané senzory vápníku, které patří do nadrodiny 7-násobných membránově propustných receptorů spojených s G-proteinem. Receptory specifické pro vápník jsou převážně exprimovány příštítnými buňkami, které uvolňují PTH způsobem závislým na vápníku, C buňkami štítné žlázy, které vylučují kalcitonin způsobem závislým na vápníku a ledvinovými buňkami, které syntetizují aktivní 1,25- (OH) 2-D3 způsobem závislým na vápníku. Kromě toho lze senzory vápníku detekovat také na řadě dalších buněčných typů, jako jsou osteoklasty (buňky resorpce kostí) a enterocyty (buňky střevního epitelu). Předpokládá se, že prostřednictvím receptorů citlivých na vápník je na vápníku závislá modulace (zvýšení) účinku hormonů PTH, kalcitriol a kalcitonin probíhají na úrovni cílových buněk - kostí, tenké střevo, ledvinové buňky. Nízká koncentrace extracelulárního vápníku - parathormonu a kalcitriol.

Když hladiny vápníku v séru klesnou - v důsledku nedostatečného příjmu nebo zvýšených ztrát - PTH se stále více syntetizuje (tvoří) v příštítných tělísek a vylučuje (vylučuje) do krevního řečiště. PTH se dostává do ledvin, kde stimuluje expresi 1-alfa-hydroxylázy a tím syntézu 1,25- (OH) 2-D3, biologicky aktivní formy vitamin D. V kostech stimulují PTH a 1,25- (OH) 2-D3 aktivitu osteoklastů, které vést k resorpci (rozpadu) kostní látky. Vápník se následně uvolňuje z kosti a uvolňuje se do extracelulárního prostoru. Vzhledem k tomu, že vápník je v kostním systému uložen ve formě hydroxyapatitu (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), jsou z kosti mobilizovány fosfátové ionty současně - úzká korelace (vztah) metabolismu vápníku a fosfátů. Na membráně okraje kartáčku proximálního tenkého střeva podporuje kalcitriol aktivní transcelulární absorpci vápníku a reabsorpci fosfátů a transport vápníku a fosfátu do extracelulárního prostoru. V ledvinách PTH zvyšuje tubulární reabsorpci vápníku a zároveň inhibuje tubulární reabsorpci fosfátů. Nakonec dochází ke zvýšenému vylučování fosfátu ledvinami, což zvyšuje akumulaci v důsledku mobilizace fosforečnanu vápenatého z kosti a reabsorpce ze střeva. Snížení hladiny fosfátů v séru na jedné straně brání srážení fosforečnanu vápenatého v tkáních a na druhé straně stimuluje uvolňování vápníku z kostí - ve prospěch koncentrace vápníku v séru. Výsledkem účinků PTH a kalcitriolu na mezikompartmentové pohyby vápníku při nízkých hladinách vápníku v séru je zvýšení a normalizace koncentrace extracelulárního volného vápníku. Prodloužené zvýšené hladiny v séru 1,25- (OH) 2-D3 vést k inhibici syntézy a proliferace PTH (růstu a proliferace) příštítných tělísek - negativní zpětná vazba. Tento mechanismus probíhá prostřednictvím receptorů vitaminu D3 příštítných tělísek. Pokud kalcitriol obsazuje tyto receptory specifické pro sebe, může vitamin ovlivňovat metabolismus cílového orgánu. Vysoký obsah extracelulárního vápníku - kalcitonin

Zvýšení extracelulárního ionizovaného vápníku způsobí, že C buňky štítné žlázy syntetizují a vylučují (vylučují) více kalcitoninu. Kalcitonin inhibuje aktivitu osteoklastů na kosti, a tím i rozpad kostní tkáně, což podporuje ukládání vápníku v kostře. Peptidový hormon současně stimuluje vylučování vápníku ledvinami. Prostřednictvím těchto mechanismů vede kalcitonin ke snížení koncentrace vápníku v séru. Kalcitonin představuje přímého antagonistu (oponenta) vůči PTH. Když se tedy zvýší extracelulární volný vápník, syntéza a sekrece PTH z příštítná tělíska a PTH-indukovaná renální produkce 1,25- (OH) 2-D3 je snížena. To má za následek sníženou mobilizaci fosforečnanu vápenatého z kostí, sníženou střevní reabsorpci vápníku a sníženou tubulární reabsorpci vápníku, a tím zvýšené vylučování vápníku ledvinami. Výsledek, shodný s mechanismus účinku kalcitoninu, je pokles extracelulární koncentrace volného vápníku a normalizace hladin vápníku v séru.

Rovnováha vápníku

Vápník vyvážit je závislá na věku. Během růstové fáze v dětství a dospívání, za předpokladu dostatečného příjmu vápníku, je pozitivní vápník vyvážit, s více vápníku absorbovaného tělem než vylučovaným ledvinami a střevy. Zvýšená aktivita osteoblastů (buněk tvořících kosti) vede ke zvýšenému ukládání vápníku v kostní látce, a tím ke zvýšení ukládání vápníku. Maximální kostní minerální hmota nebo vrchol hustota kostí se získává převážně během dospívání a mladé dospělosti. Dívky tedy mají přibližně 90% celkového obsahu minerálních látek ve skeletu ve věku 16.9 ± 1.3 roku a přibližně 99% ve věku 26.2 ± 3.7 roku. U chlapců lze pozorovat zpoždění asi 1.5 roku. Vrchol kostní hmoty je zpravidla dosažen přibližně ve věku 30. Obsah minerálů v kostech pouze nedostatečně charakterizuje skutečnou kost pevnost. Spíše je určováno faktory, jako je fyzická aktivita, svalová hmota, stavba těla a velikost. Od 30 let je rovnovážný vápník vyvážit během několika desetiletí života, přičemž množství vápníku absorbovaného tělem koreluje s množstvím vápníku vylučovaného ledvinami a stolicí. Například při příjmu vápníku 1,000 200 mg se vstřebá přibližně 200 mg a přibližně 250 mg se vylučuje ledvinami, zatímco 500-XNUMX mg se uvolní z kosti a reabsorbuje se jako součást remodelačních procesů. Aby se zabránilo negativnímu vyvážení vápníku, je třeba dbát na dostatečný příjem vápníku ve stravě. Přes vyvážený metabolismus vápníku hustota kostí od 30. roku života trvale klesá. U zdravých lidí je ztráta kostní minerální hmoty asi 1% ročně. Příčinou úbytku kostní hmoty se zvyšujícím se věkem je zvýšená aktivita osteoklastů (buněk degradujících kosti), která je doprovázena zvýšeným rozpadem kostní tkáně a zvýšeným uvolňováním vápníku z kosti. Nakonec se více vápníku vylučuje močí a stolicí, než je absorbováno tenkým střevem a kostí. Starší lidé proto mají negativní rovnováhu vápníku. Zejména kostní hmota postupně klesá u postmenopauzálních žen (menopauza; menopauza u žen) kvůli změněnému stavu estrogenu. Na základě studií bylo možné pozorovat u žen femorální úbytek kostní a minerální látky krk od 37 let a na páteři od 48 let. Ženy po menopauze jsou proto vystaveny zvýšenému riziku vývoje osteoporóza (úbytek kostní hmoty). Čím nižší je „špičková kostní hmota“, tím vyšší je riziko osteoporóza. Studie u postmenopauzálních žen ukázaly, že úroveň perorálního příjmu vápníku úzce souvisí s rizikem zlomenin kyčle. Vápník správa 800-1,000 XNUMX mg / den vedlo ke snížení aktivity osteoklastů u subjektů, což zastavilo resorpci kostí nebo úbytek kostní hmoty a snížilo zlomenina incidence.