Кальций

Кальций представляет собой один из жизненно важных макроэлементов, находящийся на первом месте по концентрации в тканях человека, был впервые был обнаружен английским учёным Деви в 1808 году и назван в соответствии с латинским словом "calx", обозначающим известь. Общее содержание кальция в организме составляет 1,3-1,4 кг (это около 1,3-2% всей массы тела человека), большая часть (более 99% содержится в зубах и костной ткани, остальное (примерно 1 г) в крови и (около 6 г) в мышечной ткани), в костной ткани данный макроэлемент содержится в форме гидроксиапатита (гидроксильное подобие фторапатита и хлорапатита). В крови около 45% кальция связана с протеинами плазмы крови (альбуминами, глобулинами и т.д.), примерно 10% соединяются с ионами (например цитратом) и 45% это свободные ионы кальция. Являясь составной частью многих молекул в клетках, кальций использует атом кислорода в качестве "моста" для связи с отрицательно заряженными ионами карбоновой, фосфорной и угольной кислоты.

Использование кальциевого насоса для управления многими процессами, как на макро, так и на микро уровне так же обусловлено эволюцией (подобно магнию), древние океаны в своём составе имели преимущественно соли калия и магния, где появившиеся протеиновые структуры наиболее эффективно функционировали, тем не менее изменение соляного состава океана привело к преобладанию солей натрия и кальция, что потребовало адаптации древних организмов и появился механизм, лимитирующий поступление ионов натрия и кальция внутрь клетки, ими стали натриевый и кальциевый насосы. Кальциевый насос способен поддерживать более чем тысячекратную разницу в содержании ионов кальция между внеклеточным пространством и цитоплазмой клетки.

Возможность ионов кальция выборочно связываться с различными структурированными органическими молекулами и модифицировать пространственное расположение атомов в них, делает данный макроэлемент универсальным медиатором согласовывающим вне- и внутриклеточные механизмы. В процессе своей жизнедеятельности, клетка в человеческом теле расходует значительные запасы своей энергии для целей экскреции ионов, очень низкое содержание ионов кальция в цитоплазме (клеточной жидкости) клетки и относительно высокая его концентрация во внеклеточном пространстве определяет направление вектора движения ионов кальция и возможную силу этого движения (внутрь клетки), используемые кальциевые насосы (зависимые от АТФ) в мембране клетки позволяют с высокой скоростью наполнить клетку ионами кальция (подобно воде из разорвавшийся плотины); данный кальциевый сигнал используется для "управления" различными функциями клетки.

Роль кальция в различных тканях организма разнообразна:

1. Управление работой желёз внутренней секреции и внешней секреции. Данный процесс универсален для всех желёз, сводится к экзоцитозу - выведению маленьких гранул, содержащих гормон во внеклеточное пространство (поверхность гранулы сливается с мембраной клетки, а содержащийся в грануле гормон выводится за её поверхность). Таким образом происходит экскреция гормонов клетками железистой ткани. В данном случае кальций играет роль стимулятора (в процессе принимают участие молекула АТФ, кальций и кальциевый насос). Данный процесс не изучен полностью, однако учёные склонны отдавать концентрации кальция во внутриклеточной жидкости ведущую роль. В результате перехода кальция из внеклеточного пространства либо из митохондриального аппарата либо эндоплазматического ретикулума в цитоплазму и связи со специфическим протеином-медиатором происходит стимуляция процесса экзоцитоза (но точно опознать этот протеин-медиатор пока не удаётся, тем не менее данное обстоятельство не уменьшает лидирующую роль кальция в секреции всех гормонов человеческого тела).
   
2. Создание тканей костей и зубов, формирование структуры костей. Остеообразующие клетки кости, вырабатывают коллаген, образующий полимерные сульфатированные гликозаминогликаны. Полученный коллаген представляет собой структурообразующую форму при последующем процессе кальцификации. На фоне присутствия сложных липидных молекул происходит связывание коллагена с кальцием и фосфором. В месте минерализации происходит синтез достаточного количества аденозинтрифосфата, ввиду распада гликогена на фоне усиления реакций окисления. В зоне минерализации повышается концентрация цитрата (он используется для построения мимикрического трифосфата кальция). Вместе с тем остеобласты (их лизосомы) секретируют кислые ферменты-катализаторы процесса гидролиза, с помощью которых появляются гидрогсид-ионы и ионы омония, соединяющихся с мимикрическим трифосфатом кальция, что формирует ядра кристаллизации. Кальций и фосфор находясь в растворённом виде "включаются" в структуру кристаллов гидроксиапатита, по мере роста данных кристаллов вытесняются как вода, так и протеин-углеводные сложные соединения вплоть до того, что полностью "готовая" ткань лишается воды. В процессе роста кристаллов гидроксиапатита возможно включение таких элементов как: магний, железо, уран, стронций и т.д., однако после полного формирования кристалла такое включение становится невозможным. Следует отметить что поступление кремния, магния, цинка, марганца, меди, бора и фтора улучшают обменные процессы в костях, а поступление свинца, кадмия, алюминия и лития ухудшают.
   
3. Координация внутриклеточного метаболизма и внеклеточного взаимодействия.
   
   Функции кальция как переносчика меж- и внутриклеточного сигнала многогранны:
   
   
   1. Функция первичного посредника раскрывает кальций как инструмент межклеклеточного взаимодействия (то есть он может напрямую влиять на мембрану соседней клетки с целью запуска в ней биохимических реакций с участием вторичных посреднических молекул, уже внутри самой клетки). Данный механизм представляет собой самую распространенную форму межклеточного "общения". Специфическая "фишка" кальция состоит в том, что он сам может выполнять роль и первичного и вторичного посредника одновременно без проникновения через мембрану клетки. Механизм сводится к связи с узкоспециализированными 7 ТМС рецепторами на поверхности мембраны клетки, они в свою очередь связаны с G белками, они запускают реакцию приводящую к высвобождению кальция из внутриклеточных "хранилищ", таким образом не задействуется АТФ зависимый кальциевый насос.
   2. Функция вторичного посредника раскрывает кальций как инструмент внутриклеточного управления, в данном случае влияние внешних первичных посредников уровень кальция в клетке начинает расти и приводит цепь биохимических реакций в действие.
   3. Функция третичного посредника кальция раскрывается при воздействии таких веществ как диацилглицерол (вторичного посредника), что влечёт выброс кальция из внутриклеточных "хранилищ".
      
   Отдельно следует отметить автономные свойства регулирования кальция на примере мозжечковых нейронов, данный эксперимент был проведён в "пробирке" на нейронах новорождённых крыс. Созревание клеточных культур происходило за несколько суток, без уменьшения разности потенциалов посредством поступления кальция через мембрану клетки, сами клетки были подвержены программируемой клеточной смерти (по сути самоуничтожению). Однако поступление кальция в клетку приводило к значительному повышению времени выживания нейронов в пробирке.
4. Регулирование нервной проводимости. В процессе производства потенциала действия ионизированные натрий и кальций поступают в клетку, в то время как ионизированный калий экскретируется из клетки. Выведения калия из аксона генерирует избыточную поляризацию, которая обрывает как потенциал действия, так и возбуждающий постсинаптический потенциал. Потенциал действия движется вдоль нервной клетки посредством использования потенциал-зависимых натриевых каналов, способных открываться и закрываться в процессе перемещения нервного импульса.
   
5. Участие в мышечном сокращении. Миофибриллы имеют возможность взаимодействовать с АТФ и проводить сокращение лишь при наличии достаточного количества ионизированного кальция. Мышечные волокна в расслабленном состоянии, содержат ионы кальция ниже величины необходимой для сокращения (это снимает возможность судорог). В спокойном состоянии ионы кальция находятся цистернах саркоплазматического ретикулума, потенциал действия из нервного волокна на пластинку двигательного нерва, что ведёт к выбросу ацетилхолина, воздействующего на соответствующие рецепторы мышечной ткани, впоследствии потенциал действия доходит до поперечных T-трубочек, в дальнейшем импульс проникает внутрь цистерн саркоплазматического ретикулума, приводя к освобождению ионизированного кальция из цистерн, что открывает центры связи актина с миозином, запуская сокращение мышцы, сокращение происходит пока концентрация ионов кальция остаётся высокой.
   
6. Играет роль в гемокоагуляции. Всего существует 5 этапов гемокоагуляции, первые два, в данном случае, не интересны ввиду отсутствия активности ионов кальция в данных процессах (активация фактора VII и выделение фосфолипидов с тромбоцитами; активация фактора XI). Последующие же:
   
   
   • Активация фактора IX (фактором XI)
   • Запуск фактора X
   • Работа фактора X в отношении формирования активатора протромбина, приводящее к появлению тромбина, что ведёт к конечной стадии свёртывания
   • Все они требуют активной роли ионизированного кальция для ускорения описанных реакций (в данном случае он используется в качестве катализатора)
7. Контролирует проницаемость клеточных мембран. Воздействие ионизированного кальция на мембрану клетки приводит к уменьшению её проницаемости. В случае нехватки кальция во внеклеточном пространстве происходит усиление проницаемости клетки для ионов, они направляются внутрь клетки что провоцирует значительное снижение мембранного потенциала, приводя к спонтанным мышечным сокращениям (судорогам), таким образом не только нехватка магния может стать причиной наступления судорог.
   
8. Принимает участие в стабилизации сердечного ритма. Поступление ионизированного кальция в кардиомиоциты осуществляет посредством механизмов описанных выше. Автор полагает рациональным описать суть влияния кальция на сократимость миокарда. Регулирование сокращения миокарда осуществляется в соответствии с механизмом сокращения любой мышечной ткани, однако избыточная сократимость ввиду излишнего поступления кальция в саркоплазму клеток миокарда может иметь спастический характер, слишком низкое поступление ионов кальция в клетки приводит к слабости сердечной мышцы, таким образом регуляторная функция кальция сводится к стабильному поступлению в клетки миокарда в нужный момент времени.
   
9. Медиатор (сигнальная ракета) разнообразных процессов в теле. В качестве примера подобной реакции можно представить роль ионизированного кальция в обеспечении секреции необходимых нейромедиаторов из клеток, в данном случае принцип их выделения сходен с таковым у желёз внутренней и внешней секреции, за тем исключением, что после использования молекула нейромедиатора таким же образом возвращается обратно в клетку.
   
10. Обеспечение Ph баланса в теле человека. Вместе с другими щелочными металлами (натрием, калием, магнием и др.) используется для борьбы с избытками возникающих в процессе метаболизма кислот (в том случае если буферная система крови не справляется). Данное свойство кальция весьма ценно ввиду того что любая тяжёлая физическая нагрузка приводит к сильному закислению ионами водорода, что в какой-то степени необходимо для стимуляции мышечного роста. Однако, как правило, оно всегда избыточно что требует либо приёма щелочных растворов, либо высоких доз кальция и иных элементов. Хроническое закисление организма на фоне низкого суточного потребления кальция, приводит к различным явлениям нервно-мышечной возбудимости

Для обычного человека норма потребления кальция в сутки составляет 1000 мг, для атлета же данная цифра выше и достигает 1500-2000 мг в сутки (разумеется на фоне витамина Д, без которого усвоение кальция невозможно). Требуется подчеркнуть что довольно часто дефицит витамина Д (иногда разбалансировка выработки кальцитонина - гормона щитовидной железы, так же секретируется в околощитовидной железе и даже вилочковой) провоцирует нехватку кальция в тканях. Большей нехватке витамина Д подвержены светлокожие женщины, люди мало находящиеся на солнце, вегитарианцы. Существует много патологических состояний при которых может нарушиться межклеточное содержание кальция, автор посчитал нужным осветить те, что особенно актуальны в силовых видах спорта: высокобелковая диета, тяжёлые физические нагрузки, использование мочегонных и слабительных средств, голодание, глюкокортикоиды, антикоагулянты, противосудорожные средства, избыточное потребление гормонов щитовидной железы, избыточное потребление кофеина (например предтреников). Всасываемость кальция из ЖКТ падает при потреблении говяжьего жира, пальмового масла, молочных жиров, а так же таких продуктов как: какао, свёклы, шоколада, грецких орехов, щавеля, шпината, ревеня. Таким образом целесообразно получать кальций и обезжиренных молочных продуктов (либо с низком его содержанием), так же его много в говяжьей печени, печени рыб, морепродукты, яйца (желток), яблоки, бобовые, цветная капуста, сельдерей, редис, цельные зёрна пшеницы.

При нехватке кальция могут возникать следующие симптомы: чувство слабости, утомляемость, усиление нервно-мышечной возбудимости приводит к возникновению судорог (обычно это происходит на фоне повышения концентрации калия), повышенная кровоточивость (в том числе и дёсен) так как проницаемость сосудистых стенок повышается, а свёртывающая способность крови снижается, дистрофические изменения зубов, ногтей, волос, сухость кожи (возможно развитие катаракты), патологические изменения работы миокарда. Исходя из вышесказанного, препараты кальция используются при лечении судорожных синдромов, рахита, остеопороза, лечение аллергических заболеваний (так как кальций снижает проницаемость клеточных мембран и сосудов), ввиду подобных свойств кальция его так же используют при лучевой болезни (способен конкурировать с радионуклидами и тяжёлыми металлами), гнойных процессах, геморрагическом васкулите и др. Так же препараты кальция используются для стабилизации работы сердца и стимуляции родовой деятельности.

Таким образом кальций является чрезвычайно важным регулирующим макроэлементом, наиболее широко представленным в организме.