Vápník v biologii - Calcium in biology

Ionty vápníku (Ca 2+ ) přispívají k fyziologii a biochemii buněk organismů . Hrají důležitou roli v drahách přenosu signálu , kde působí jako druhý posel , při uvolňování neurotransmiterů z neuronů , při kontrakci všech typů svalových buněk a při oplodnění . Mnoho enzymů vyžaduje jako kofaktor ionty vápníku , včetně několika koagulačních faktorů . Extracelulární vápník je také důležitý pro udržení potenciálního rozdílupřes excitabilní buněčné membrány , jakož i správnou tvorbu kostí.

Plazmatické hladiny vápníku u savců jsou přísně regulovány, přičemž kost slouží jako hlavní úložiště minerálů . Vápenaté ionty , Ca 2+ , se uvolňují z kostí do krve za řízených podmínek. Vápník je transportován krevním řečištěm jako rozpuštěné ionty nebo vázán na proteiny, jako je sérový albumin . Parathormon vylučovaný příštítnou žlázou reguluje resorpci Ca 2+ z kosti, reabsorpci v ledvinách zpět do oběhu a zvyšuje aktivaci vitaminu D 3 na kalcitriol . Calcitriol, aktivní forma vitaminu D 3 , podporuje vstřebávání vápníku ze střev a kostí. Kalcitonin vylučovaný z parafolikulární buňky v štítné žlázy také ovlivňuje hladinu vápníku protilehlými parathormon; jeho fyziologický význam pro člověka je však pochybný.

Intracelulární vápník je uložen v organelách, které se opakovaně uvolňují a poté znovu akumulují ionty Ca 2+ v reakci na specifické buněčné události: úložná místa zahrnují mitochondrie a endoplazmatické retikulum .

Charakteristické koncentrace vápníku v modelových organismech jsou: v E. coli 3 mM (vázaný), 100 nM (volný), v pučících kvasinkách 2 mM (vázaný), v savčí buňce 10-100 nM (volný) a v krevní plazmě 2 mM.

Lidé

Věkově přizpůsobená denní doporučení týkající se vápníku (od RDA amerického institutu medicíny)
Stáří Vápník (mg/den)
1–3 roky 700
4–8 let 1000
9–18 let 1300
19–50 let 1000
> 51 let 1000
Těhotenství 1000
Laktace 1000
Globální dietní příjem vápníku mezi dospělými (mg/den)
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1 000
  > 1000

Dietní doporučení

Americký lékařský institut (IOM) stanovil Doporučené dietní dávky (RDA) pro vápník v roce 1997 a aktualizoval tyto hodnoty v roce 2011. Viz tabulka. Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) používá termín referenčního příjem (VVI) namísto RDA a sad trochu jiná čísla: stáří 4-10 800 mg, věkové kategorie 11-17 1150 mg, věkové kategorie 18 až 24 1000 mg, a> 25 let 950 mg.

Vzhledem k obavám z dlouhodobých nežádoucích vedlejších účinků, jako je kalcifikace tepen a ledvinových kamenů, stanovily IOM a EFSA tolerovatelné horní úrovně příjmu (UL) pro kombinaci dietního a doplňkového vápníku. Od IOM by lidé ve věku 9–18 let neměli překročit 3 000 mg/den; ve věku 19–50 let nesmí překročit 2 500 mg/den; pro věk 51 a starší, nesmí překročit 2 000 mg/den. EFSA stanovil UL na 2 500 mg/den pro dospělé, ale rozhodl, že informace pro děti a dospívající nejsou dostatečné k určení UL.

Pro účely označování potravin a doplňků stravy v USA je množství v porci vyjádřeno jako procento denní hodnoty (%DV). Pro účely označování vápníku bylo 100% denní hodnoty 1 000 mg, ale k 27. květnu 2016 bylo revidováno na 1 300 mg, aby byla v souladu s RDA. Soulad s aktualizovanými předpisy o označování bylo požadováno do 1. ledna 2020 pro výrobce s US $ 10 milionů a více v ročních tržeb za potraviny, a nejpozději do 1. ledna 2021 pro výrobce s obratem nižším objemu potravin. Tabulka starých a nových denních hodnot pro dospělé je uvedena v Referenčním denním příjmu .

Zdravotní tvrzení

Ačkoli obecně není na etiketách doplňků stravy a jejich uvádění na trh povoleno uvádět tvrzení o prevenci nebo léčbě nemocí, FDA u některých potravin a doplňků stravy přezkoumala tuto vědu, dospěla k závěru, že existuje významná vědecká shoda, a zveřejnila konkrétně formulovaná povolená zdravotní tvrzení . Počáteční rozhodnutí umožňující zdravotní tvrzení pro doplňky stravy s vápníkem a osteoporózu bylo později pozměněno tak, aby zahrnovalo doplňky vápníku a vitaminu D , účinné od 1. ledna 2010. Příklady povoleného znění jsou uvedeny níže. Aby bylo možné splnit tvrzení o zdraví vápníku, doplněk stravy hodně obsahuje alespoň 20% referenčního příjmu stravy, což pro vápník znamená alespoň 260 mg/porci.

  • „Dostatek vápníku po celý život, jako součást vyvážené stravy, může snížit riziko osteoporózy.“
  • „Dostatek vápníku jako součásti zdravé stravy spolu s fyzickou aktivitou může snížit riziko osteoporózy v pozdějším věku.“
  • „Dostatek vápníku a vitaminu D po celý život jako součást vyvážené stravy může snížit riziko osteoporózy.“
  • „Dostatek vápníku a vitaminu D jako součást zdravé stravy spolu s fyzickou aktivitou mohou snížit riziko osteoporózy v pozdějším věku.“

V roce 2005 FDA schválil kvalifikované zdravotní tvrzení pro vápník a hypertenzi s navrhovaným zněním "Některé vědecké důkazy naznačují, že doplňky vápníku mohou snížit riziko hypertenze. FDA však zjistil, že důkazy jsou nekonzistentní a nejsou přesvědčivé." Důkazy pro těhotenstvím indukovanou hypertenzi a preeklampsii byly považovány za neprůkazné. Ve stejném roce FDA schválil QHC pro rakovinu vápníku a tlustého střeva s navrhovaným zněním „Některé důkazy naznačují, že doplňky vápníku mohou snížit riziko rakoviny tlustého střeva/konečníku, FDA však určil, že tyto důkazy jsou omezené a nejsou průkazné“. Důkazy o rakovině prsu a rakovině prostaty byly považovány za neprůkazné. Návrhy na QHC na vápník jako ochranu proti ledvinovým kamenům nebo proti menstruačním poruchám nebo bolesti byly zamítnuty.

Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) došel k závěru, že „Vápník přispívá k normálnímu vývoji kostí.“ EFSA odmítl tvrzení, že existuje vztah příčin a následků mezi dietním příjmem vápníku a draslíku a udržováním normální acidobazické rovnováhy. EFSA také zamítl žádosti o vápník a nehty, vlasy, krevní lipidy, premenstruační syndrom a udržování tělesné hmotnosti.

Zdroje potravin

Web ministerstva zemědělství USA (USDA) má velmi kompletní prohledávatelnou tabulku obsahu vápníku (v miligramech) v potravinách podle běžných opatření, například na 100 gramů nebo na normální porci.

Jídlo, vápník na 100 gramů
parmezán ( sýr ) = 1140 mg
sušené mléko = 909 mg
kozí tvrdý sýr = 895 mg
Sýr čedar = 720 mg
tahini pasta = 427 mg
melasa = 273 mg
mandle = 234 mg
collard greeny = 232 mg
kale = 150 mg
kozí mléko = 134 mg
sezamová semínka (loupaná) = 125 mg
odtučněné kravské mléko = 122 mg
jogurt z plnotučného mléka = 121 mg
Jídlo, vápník na 100 gramů
lískové ořechy = 114 mg
tofu , měkké = 114 mg
řepná zelenina = 114 mg
špenát = 99 mg
ricotta (odstředěné mléko) = 90 mg
čočka = 79 mg
cizrna = 53 mg
vařená vejce = 50 mg
oranžová = 40 mg
lidské mléko = 33 mg
rýže , bílá, dlouhozrnná = 19 mg
hovězí maso = 12 mg
treska = 11 mg

Měření v krvi

Množství vápníku v krvi (konkrétněji v krevní plazmě ) lze měřit jako celkový vápník , který zahrnuje jak vápník vázaný na bílkoviny, tak volný vápník. Naproti tomu ionizovaný vápník je mírou volného vápníku. Abnormálně vysoká hladina vápníku v plazmě se nazývá hyperkalcémie a abnormálně nízká hladina se nazývá hypokalcemie , přičemž „abnormální“ se obecně týká hladin mimo referenční rozmezí .

Referenční rozsahy pro krevní testy na vápník
cílová Spodní limit Horní limit Jednotka
Ionizovaný vápník 1,03, 1,10 1,23, 1,30 mmol/l
4.1, 4.4 4.9, 5.2 mg/dl
Celkový vápník 2.1, 2.2 2,5, 2,6, 2,8 mmol/l
8,4, 8,5 10,2, 10,5 mg/dl

Hlavní metody měření sérového vápníku jsou:

  • O-Cresolphalein Complexone Method; Nevýhodou této metody je, že kvůli těkavosti 2-amino-2-methyl-1-propanolu použitého v této metodě je nutné metodu kalibrovat každých několik hodin v klinickém laboratorním prostředí.
  • Metoda Arsenazo III; Tato metoda je robustnější, ale arzen v činidle představuje zdravotní riziko.

Celkové množství Ca 2+ přítomného v tkáni lze měřit pomocí atomové absorpční spektroskopie , ve které se tkáň odpaří a spálí. K měření koncentrace Ca2 + nebo prostorové distribuce v cytoplazmě buněk in vivo nebo in vitro lze použít řadu fluorescenčních reportérů. Patří sem buněčně permeabilní fluorescenční barviva vázající vápník, jako je Fura-2 nebo geneticky upravená varianta zeleného fluorescenčního proteinu (GFP) s názvem Cameleon .

Upravený vápník

Protože přístup k ionizovanému vápníku není vždy k dispozici, lze místo něj použít korigovaný vápník. Pro výpočet korigovaného vápníku v mmol/l se vezme celkový vápník v mmol/l a přidá se do ((40 minus sérový albumin v g/l) vynásobený 0,02). O užitečnosti korigovaného vápníku se však vedou spory, protože nemusí být lepší než celkový vápník. Může být užitečnější opravit celkový vápník jak pro albumin, tak pro anionovou mezeru .

Ostatní zvířata

Obratlovci

U obratlovců mají ionty vápníku, stejně jako mnoho dalších iontů, tak zásadní význam pro mnoho fyziologických procesů, že se jeho koncentrace udržuje ve specifických mezích, aby byla zajištěna adekvátní homeostáza. Svědčí o tom lidský plazmatický vápník, který je jednou z nejpřísněji regulovaných fyziologických proměnných v lidském těle. Normální plazmatické hladiny se v daném čase pohybují mezi 1 a 2%. Přibližně polovina veškerého ionizovaného vápníku cirkuluje ve své nevázané formě, přičemž druhá polovina je komplexována s plazmatickými proteiny, jako je albumin , a také anionty včetně hydrogenuhličitanu , citrátu , fosfátu a síranu .

Regulace vápníku v lidském těle

Různé tkáně obsahují vápník v různých koncentracích. Například Ca 2+ (většinou fosforečnan vápenatý a nějaký síran vápenatý ) je nejdůležitějším (a specifickým) prvkem kosti a kalcifikované chrupavky . U lidí je celkový tělesný obsah vápníku přítomen převážně ve formě kostního minerálu (zhruba 99%). V tomto stavu je z velké části nedostupný pro výměnu/biologickou dostupnost. Způsob, jak to překonat, je proces resorpce kosti , při kterém se vápník uvolňuje do krevního oběhu působením kostních osteoklastů . Zbytek vápníku je přítomen v extracelulárních a intracelulárních tekutinách.

V typické buňce je intracelulární koncentrace ionizovaného vápníku zhruba 100 nM, ale během různých buněčných funkcí podléhá 10 až 100násobnému zvýšení. Nitrobuněčná hladina vápníku je udržována relativně nízká vzhledem k extracelulární tekutině, přibližně 12 000krát. Tento gradient je udržován prostřednictvím různých plazmatických membránových kalciových pump, které využívají ATP pro energii, a také značného skladování uvnitř intracelulárních oddílů. V elektricky excitovatelných buňkách, jako jsou kosterní a srdeční svaly a neurony, vede membránová depolarizace k přechodnému Ca 2+ s cytosolickou koncentrací Ca 2+ dosahující kolem 1 uM. Mitochondrie jsou schopné sekvestrovat a ukládat část tohoto Ca 2+ . Bylo odhadnuto, že koncentrace volného vápníku mitochondriální matrice stoupá na desítky mikromolárních úrovní in situ během neuronální aktivity.

Efekty

Účinky vápníku na lidské buňky jsou specifické, což znamená, že různé typy buněk reagují různými způsoby. Za určitých okolností však může být jeho působení obecnější. Ionty Ca 2+ jsou jedním z nejrozšířenějších druhých poslů používaných při přenosu signálu . Vstupují do cytoplazmy buď zvenčí buňky přes buněčnou membránu přes vápníkové kanály (jako jsou proteiny vázající vápník nebo napěťově řízené vápníkové kanály), nebo z některých vnitřních zásobníků vápníku , jako je endoplazmatické retikulum a mitochondrie . Hladiny intracelulárního vápníku jsou regulovány transportními proteiny, které jej z buňky odstraňují. Například výměník sodíku a vápníku využívá energii z elektrochemického gradientu sodíku spojením přílivu sodíku do článku (a jeho koncentračním gradientem) s transportem vápníku z článku. Kromě toho je plazmatická membrána Ca 2+ ATPáza (PMCA) získává energie pro čerpadlo vápník z buňky od hydrolýzy adenosintrifosfátu (ATP). V neuronech , v závislosti na napětí, iontové kanály vápníku selektivní jsou důležité pro synaptický přenos prostřednictvím uvolňování neurotransmiterů do synaptické štěrbiny podle váčků fúze z synaptických vezikul .

Funkce vápníku při svalové kontrakci byla objevena již v roce 1882 Ringerem. Následné vyšetřování mělo odhalit jeho roli posla asi o století později. Protože je jeho činnost propojena s cAMP , nazývají se synarchičtí poslové. Vápník se může vázat na několik různých proteinů modulovaných vápníkem, jako je troponin-C (první identifikovaný) a kalmodulin , proteiny, které jsou nezbytné pro podporu kontrakce ve svalech.

V endotelových buňkách, které lemují vnitřek cév, mohou ionty Ca 2+ regulovat několik signálních cest, které způsobují relaxaci hladkých svalů obklopujících cévy. Některé z těchto cest aktivovaných Ca2 + zahrnují stimulaci eNOS k produkci oxidu dusnatého, stejně jako stimulaci K ca kanálů k efluxu K + a způsobení hyperpolarizace buněčné membrány. Oxid dusnatý i hyperpolarizace způsobují uvolnění hladkého svalstva za účelem regulace množství tonusu v cévách. Dysfunkce v těchto drahách aktivovaných Ca 2+ však může vést ke zvýšení tónu způsobeného neregulovanou kontrakcí hladkého svalstva. Tento typ dysfunkce lze pozorovat u kardiovaskulárních chorob, hypertenze a cukrovky.

Koordinace vápníku hraje důležitou roli při definování struktury a funkce proteinů. Příkladem proteinu s koordinací vápníku je von Willebrandův faktor (vWF), který má zásadní roli v procesu tvorby krevních sraženin. Pomocí optických pinzet s jednou molekulou bylo zjištěno, že vWF vázaný na vápník funguje jako snímač smykové síly v krvi. Smyková síla vede k rozvinutí domény A2 vWF, jejíž rychlost přetváření se v přítomnosti vápníku dramaticky zvyšuje.

Přizpůsobování

Tok iontů Ca 2+ reguluje několik sekundárních messengerových systémů v nervové adaptaci pro zrakový, sluchový a čichový systém. Často může být vázán na kalmodulin, jako je tomu v čichovém systému, aby buď posílil nebo potlačil kationtové kanály. Jindy může změna hladiny vápníku skutečně uvolnit guanylyl cyklázu z inhibice, jako v systému fotorecepce. Ca 2+ ion může také určovat rychlost adaptace v nervovém systému v závislosti na receptorech a proteinech, které mají různou afinitu pro detekci hladin vápníku k otevření nebo zavření kanálů při vysoké koncentraci a nízké koncentraci vápníku v buňce v té době.

Typ buňky Účinek
Endoteliální buňky ↑ Vazodilatace
Sekreční buňky (většinou) ↑ Sekrece ( fúze váčků )
Juxtaglomerulární buňka ↓ Sekrece
Hlavní buňky příštítných tělísek ↓ Sekrece
Neurony Přenos ( fúze vezikul ), nervová adaptace
T buňky Aktivace v reakci na prezentaci antigenu receptoru T buněk
Myocyty
Rozličný Aktivace proteinové kinázy C
Další čtení: Funkce proteinové kinázy C
Referenční rozsahy pro krevní testy , ukazující hladiny vápníku purpurově vpravo

Negativní efekty a patologie

Podstatné snížení extracelulárních koncentrací iontů Ca 2+ může mít za následek stav známý jako hypokalcemická tetanie , který je charakterizován spontánním výbojem motorických neuronů . Kromě toho začne těžká hypokalcémie ovlivňovat aspekty srážení krve a přenosu signálu.

Ionty Ca 2+ mohou poškodit buňky, pokud vstupují v nadměrném množství (například v případě excitotoxicity nebo nadměrného buzení nervových obvodů , ke kterému může dojít při neurodegenerativních onemocněních , nebo po urážkách, jako je mozkové trauma nebo mrtvice ). Nadměrný vstup vápníku do buňky jej může poškodit nebo dokonce způsobit jeho apoptózu nebo smrt nekrózou . Vápník také působí jako jeden z hlavních regulátorů osmotického stresu ( osmotický šok ). Chronicky zvýšená plazmatická hladina vápníku ( hyperkalcémie ) je spojena se srdeční arytmií a sníženou neuromuskulární excitabilitou. Jednou z příčin hyperkalcémie je stav známý jako hyperparatyreóza .

Bezobratlí

Některé bezobratlé použít sloučeniny vápníku pro budování jejich vnější kostra ( skořápky a krunýře ) nebo endoskeleton ( ostnokožec desek a poriferan vápnité spicules ).

Rostliny

Zavírání stomie

Když kyselina abscisová signalizuje ochranné buňky, volné ionty Ca 2+ vstupují do cytosolu jak z vnějšku buňky, tak z vnitřních zásob, čímž se obrátí koncentrační gradient, takže ionty K+ začnou opouštět buňku. Ztráta rozpuštěných látek činí buňku ochablou a uzavírá stomatální póry.

Buněčné dělení

Vápník je nezbytným iontem při tvorbě mitotického vřeténka . Bez mitotického vřetene nemůže dojít k buněčnému dělení . Ačkoli mladé listy mají vyšší potřebu vápníku, starší listy obsahují vyšší množství vápníku, protože vápník je v rostlině relativně nepohyblivý. Není transportován skrz phloem, protože se může vázat s jinými živnými ionty a vysrážet z kapalných roztoků.

Strukturální role

Ionty Ca 2+ jsou nezbytnou součástí stěn rostlinných buněk a buněčných membrán a používají se jako kationty k vyvážení organických aniontů v rostlinné vakuole . Koncentrace Ca 2+ vakuoly může dosáhnout milimolárních úrovní. Nejvýraznější použití iontů Ca 2+ jako strukturního prvku v řasách se vyskytuje v mořských coccolithophores , které pomocí Ca 2+ vytvářejí desky uhličitanu vápenatého , kterými jsou pokryty.

Vápník je potřebný k tvorbě pektinu ve střední lamele nově vytvořených buněk.

Vápník je potřebný ke stabilizaci propustnosti buněčných membrán . Bez vápníku nejsou buněčné stěny schopny stabilizovat a udržet svůj obsah. To je zvláště důležité při vývoji ovoce. Bez vápníku jsou buněčné stěny slabé a nejsou schopné pojmout obsah ovoce.

Některé rostliny akumulují Ca ve svých tkáních, čímž jsou pevnější. Vápník je uložen jako krystaly oxalátu v plastidech .

Buněčná signalizace

Ca 2+ ionty jsou obvykle udržovány na úrovních nanomolárních v cytosolu z rostlinných buněk , a působí v mnoha signálních transdukčních drah jako druhých poslů .

Viz také

Reference

externí odkazy