生物学におけるカルシウム

カルシウムイオン（Ca2 +）は、生物と細胞の生理学と生化学に貢献します。それらは、セカンドメッセンジャーとして機能するシグナル伝達経路、ニューロンからの神経伝達物質の放出、すべての筋肉細胞の収縮、および受精において重要な役割を果たします。多くの酵素は、いくつかの凝固因子を含む補因子としてカルシウムイオンを必要とします。細胞外カルシウムは、適切な骨形成と同様に、興奮性細胞膜全体の電位差を維持するためにも重要です。

哺乳類の血漿カルシウムレベルは厳しく規制されており、骨が主要なミネラル貯蔵場所として機能しています。カルシウムイオン、Ca2 +は、制御された条件下で骨から血流に放出されます。カルシウムは、溶存イオンとして血流を介して輸送されるか、血清アルブミンなどのタンパク質に結合します。副甲状腺から分泌される副甲状腺ホルモンは、骨からのCa 2+の吸収、腎臓での再吸収、循環への再吸収、およびビタミンD3のカルシトリオールへの活性化の増加を調節します。ビタミンD3の活性型であるカルシトリオールは、腸と骨からのカルシウムの吸収を促進します。甲状腺の濾胞細胞から分泌されるカルシトニンは、副甲状腺ホルモンに対抗することによりカルシウムレベルにも影響します。しかし、人間におけるその生理学的意義は疑わしい。

細胞内カルシウムは、特定の細胞イベントに応じてCa 2+イオンを繰り返し放出し、再蓄積するオルガネラに保存されます。保存部位には、ミトコンドリアと小胞体が含まれます。

モデル生物のカルシウムの特徴的な濃度は、 大腸菌では 3mM（結合）、100nM（遊離）、出芽酵母では2mM（結合）、哺乳動物細胞では10-100nM（遊離）、血漿では2mMです。

人間

年齢カルシウム（mg /日）1〜3年700 4〜8年1000 9〜18年1300 19〜50年1000> 51年1000妊娠1000授乳1000

食事に関する推奨事項

米国医学研究所（IOM）は、1997年にカルシウムの推奨食事許容量（RDA）を設定し、2011年にそれらの値を更新しました。表を参照してください。欧州食品安全局（EFSA）では、RDAの代わりに人口参照摂取量（PRI）という用語を使用し、4〜10 800 mg、11〜17歳1150 mg、18〜24 1000 mg、および> 25のわずかに異なる数値を設定しています。年950 mg。

動脈や腎臓結石の石灰化などの長期的な副作用の懸念から、IOMとEFSAは両方とも、食事性カルシウムと補助カルシウムの組み合わせに対して許容上限摂取量（UL）を設定しています。 IOMから、9〜18歳の人は3,000 mg /日を超えることは想定されていません。 19〜50歳の場合、2,500 mg /日を超えない。 51歳以上の場合、2,000 mg /日を超えない。 EFSAは、成人に対してULを2,500 mg /日に設定しましたが、子供や青年向けの情報はULを決定するのに十分ではないと判断しました。

米国の食品および栄養補助食品のラベル表示の目的で、1食分の量は1日の価値（％DV）のパーセントとして表されます。カルシウム標識の目的では、1日の値の100％が1000 mgでしたが、2016年5月27日の時点で、RDAとの合意のために1300 mgに修正されました。古い成人および新しい成人の1日の値の表は、Reference Daily Intakeで提供されています。遵守すべき最初の期限は2018年7月28日でしたが、2017年9月29日にFDAは、大企業では2020年1月1日、中小企業では2021年1月1日まで期限を延長する規則案をリリースしました。

健康強調表示

原則として、栄養補助食品のラベリングとマーケティングは病気の予防や治療の主張をすることを許可されていませんが、FDAは一部の食品と栄養補助食品について科学をレビューし、重要な科学的合意があると結論付け、具体的な言葉で許可された健康強調表示を公開しています。カルシウム栄養補助食品と骨粗鬆症の健康強調表示を許可する最初の判決は、2010年1月1日にカルシウムとビタミンDの補助食品を含むように修正されました。許可された文言の例を以下に示します。カルシウムの健康強調表示の資格を得るために、栄養補助食品には、少なくとも20％の参照栄養摂取量が含まれています。

• 「バランスの取れた食事の一部として、生涯を通じて十分なカルシウムを摂取することで、骨粗鬆症のリスクを減らすことができます。」
• 「健康的な食事の一部としての十分なカルシウムは、身体活動とともに、後年の骨粗鬆症のリスクを減らす可能性があります。」
• 「バランスの取れた食事の一部として、生涯を通じて十分なカルシウムとビタミンDを摂取することで、骨粗鬆症のリスクを減らすことができます。」
• 「健康的な食事の一部としての適切なカルシウムとビタミンDは、身体活動とともに、後年の骨粗鬆症のリスクを軽減する可能性があります。」

2005年にFDAは、カルシウムと高血圧の適格な健康強調表示を承認し、「一部の科学的証拠は、カルシウムサプリメントが高血圧のリスクを軽減する可能性を示唆している。妊娠誘発性高血圧症および子ec前症の証拠は決定的ではないとみなされた。同じ年に、FDAはカルシウムおよび結腸がんのQHCを承認し、「カルシウムサプリメントは結腸/直腸がんのリスクを低下させる可能性があることを示唆するエビデンスがありますが、FDAはこのエビデンスは限定的であり決定的ではない」と判断しました。乳がんと前立腺がんの証拠は決定的ではないとみなされました。腎臓結石または月経障害または痛みに対する保護としてのカルシウムのQHCの提案は拒否されました。

欧州食品安全局（EFSA）は、「カルシウムは骨の正常な発達に寄与する」と結論付けました。 EFSAは、カルシウムとカリウムの食事摂取と正常な酸塩基バランスの維持との間に因果関係が存在するという主張を拒否しました。 EFSAは、カルシウムと爪、髪、血中脂質、月経前症候群、体重維持の主張も拒否しました。

食料源

米国農務省（USDA）のWebサイトには、100グラムや通常のサービングなどの一般的な基準ごとに、食品中のカルシウム含有量（ミリグラム）の非常に完全な検索可能なテーブルがあります。

血中の測定

血中（より具体的には、血漿中）のカルシウム量は、タンパク質結合カルシウムと遊離カルシウムの両方を含む総カルシウムとして測定できます。対照的に、 イオン化カルシウムは遊離カルシウムの尺度です。血漿中の異常に高いレベルのカルシウムは高カルシウム血症と呼ばれ、異常に低いレベルは低カルシウム血症と呼ばれ、「異常」は一般に基準範囲外のレベルを指します。

カルシウムの血液検査の基準範囲目標 下限 上限 単位イオン化カルシウム1.03、1.10 1.23、1.30 mmol / L 4.1、4.4 4.9、5.2 mg / dL総カルシウム2.1、2.2 2.5、2.6、2.8 mmol / L 8.4、8.5 10.2 、10.5 mg / dL

血清カルシウムを測定する主な方法は次のとおりです。

• O-クレゾールファリンコンプレクソン法;この方法の欠点は、この方法で使用される2-アミノ-2-メチル-1-プロパノールの揮発性の性質により、臨床検査のセットアップで数時間ごとに方法を較正する必要があることです。
• アルセナゾIII法;この方法はより堅牢ですが、試薬中のヒ素は健康に有害です。

組織内に存在するCa2 +の総量は、原子吸光分光法を使用して測定できます。原子吸光法では、組織が気化して燃焼します。 in vivoまたはin vitroで細胞質内のCa2 +濃度または空間分布を測定するために、一連の蛍光レポーターを使用できます。これらには、Fura-2などの細胞透過性のカルシウム結合蛍光色素、またはCameleonという名前の緑色蛍光タンパク質（GFP）の遺伝子組み換え変異体が含まれます。

補正カルシウム

イオン化されたカルシウムへのアクセスが常に利用できるとは限らないため、代わりに修正されたカルシウムを使用できます。修正されたカルシウムをミリモル/ Lで計算するには、総カルシウムをミリモル/ Lで取得し、それを（（40-g / Lでの血清アルブミン）に0.2を掛けた値）に加算します。

動物

脊椎動物

脊椎動物では、カルシウムイオンは他の多くのイオンと同様に、多くの生理学的プロセスにとって非常に重要であるため、適切な恒常性を確保するためにその濃度が特定の制限内に維持されます。これは、人間の体内で最も厳密に調節されている生理学的変数の1つである、人間の血漿カルシウムによって証明されています。通常の血漿レベルは、任意の時間で1〜2％異なります。すべてのイオン化カルシウムの約半分は結合していない形で循環し、残りの半分はアルブミンなどの血漿タンパク質、ならびに重炭酸塩、クエン酸塩、リン酸塩、硫酸塩などの陰イオンと複合体を形成します。

異なる組織には、異なる濃度のカルシウムが含まれています。たとえば、Ca2 +（大部分はリン酸カルシウムと一部の硫酸カルシウム）は、骨および石灰化軟骨の最も重要な（そして特定の）要素です。ヒトでは、カルシウムの総体含有量はほとんどが骨ミネラルの形で存在します（およそ99％）。この状態では、交換/バイオアベイラビリティにはほとんど利用できません。これを克服する方法は、骨吸収のプロセスであり、そこではカルシウムが骨破骨細胞の作用によって血流に放出されます。カルシウムの残りは、細胞外液および細胞内液に存在します。

典型的な細胞内では、イオン化されたカルシウムの細胞内濃度はおよそ100 nMですが、さまざまな細胞機能の間に10〜100倍に増加します。細胞内カルシウムレベルは、細胞外液に対して約12,000倍の比較的低い値に保たれます。この勾配は、エネルギーにATPを利用するさまざまな細胞膜カルシウムポンプと、細胞内コンパートメント内のかなりのストレージを介して維持されます。骨格筋や心筋、ニューロンなどの電気的に興奮する細胞では、膜の脱分極により細胞質ゾルのCa2 +濃度が約1μMに達するCa2 +過渡現象が起こります。ミトコンドリアは、そのCa2 +の一部を隔離および貯蔵できます。ミトコンドリアマトリックスの遊離カルシウム濃度は、神経活動中にin situで数十マイクロモルレベルまで上昇すると推定されています。

効果

人間の細胞に対するカルシウムの効果は特異的です。つまり、さまざまな種類の細胞がさまざまな方法で反応します。ただし、特定の状況では、そのアクションはより一般的です。 Ca2 +イオンは、シグナル伝達に使用される最も広く普及しているセカンドメッセンジャーの1つです。それらは、細胞外からカルシウムチャネル（カルシウム結合タンパク質または電位依存性カルシウムチャネルなど）を介して細胞膜を介して、または小胞体やミトコンドリアなどの一部の内部カルシウム貯蔵から細胞質に侵入します。細胞内カルシウムのレベルは、細胞から除去する輸送タンパク質によって調節されています。たとえば、ナトリウム-カルシウム交換体は、細胞へのナトリウムの流入（およびその濃度勾配）を細胞外へのカルシウムの輸送と結合することにより、ナトリウムの電気化学的勾配からのエネルギーを使用します。さらに、細胞膜Ca2 + ATPase（PMCA）は、アデノシン三リン酸（ATP）を加水分解することにより、細胞からカルシウムを排出するエネルギーを獲得します。ニューロンでは、シナプス小胞の小胞融合によるシナプス間隙への神経伝達物質の放出を介したシナプス伝達にとって、電位依存性のカルシウム選択的イオンチャネルが重要です。

筋肉の収縮におけるカルシウムの機能は、リンガーによって1882年に発見されました。その後の調査では、約1世紀後にメッセンジャーとしての役割を明らかにしました。そのアクションはcAMPと相互接続されているため、それらは相乗的メッセンジャーと呼ばれます。カルシウムは、筋肉の収縮を促進するために必要なタンパク質であるトロポニンC（最初に同定されたもの）やカルモジュリンなど、いくつかの異なるカルシウム変調タンパク質に結合できます。

血管の内側を覆う内皮細胞では、Ca 2+イオンがいくつかのシグナル伝達経路を調節して、血管を取り巻く平滑筋を弛緩させます。これらのCa2 +活性化経路には、eNOSを刺激し​​て一酸化窒素を生成する刺激や、Kcaチャンネルを刺激してK +を流出させ、細胞膜の過分極を引き起こす刺激が含まれます。一酸化窒素と過分極の両方により、平滑筋が弛緩し、血管の緊張の量を調節します。ただし、これらのCa 2+活性化経路内の機能不全は、無秩序な平滑筋収縮によって引き起こされる緊張の増加につながる可能性があります。このタイプの機能障害は、心血管疾患、高血圧、糖尿病で見られます。

カルシウムの調整は、タンパク質の構造と機能を定義する上で重要な役割を果たします。カルシウム配位を持つタンパク質の例は、血栓形成プロセスに不可欠な役割を果たすフォンウィルブランド因子（vWF）です。単一分子光学ピンセット測定を使用して、カルシウム結合vWFが血液中のせん断力センサーとして機能することが発見されました。せん断力は、カルシウムの存在下でリフォールディング速度が劇的に強化されるvWFのA2ドメインのアンフォールディングにつながります。

適応

Ca2 +イオンの流れは、視覚、聴覚、嗅覚系の神経適応におけるいくつかの二次メッセンジャーシステムを調節します。多くの場合、嗅覚系などのカルモジュリンに結合して、陽イオンチャネルを強化または抑制します。他の場合、カルシウムレベルの変化は、光受容システムのように、グアニリルシクラーゼを阻害から実際に放出する可能性があります。 Ca 2+イオンは、その時点で細胞内の高濃度および低濃度のカルシウムでチャネルを開閉するカルシウムのレベルを検出する親和性が異なる受容体およびタンパク質に応じて、神経系の適応速度を決定することもできます。

セルタイプ	効果
内皮細胞	↑血管拡張
分泌細胞（大部分）	↑分泌（小胞融合）
傍糸球体細胞	↓分泌
副甲状腺主細胞	↓分泌
ニューロン	伝達（小胞融合）、神経適応
T細胞	T細胞受容体への抗原提示に応答した活性化
筋細胞	収縮 プロテインキナーゼCの活性化
いろいろ	プロテインキナーゼCの活性化 さらに読む：プロテインキナーゼCの機能

負の影響と病理

細胞外Ca 2+イオン濃度の実質的な減少は、低カルシウム血症性テタニーとして知られる状態をもたらす可能性があり、これは自発運動ニューロン放電によって特徴付けられます。さらに、重度の低カルシウム血症は、血液凝固と信号伝達の側面に影響を与え始めます。

Ca2 +イオンは、過剰な数で入ると細胞を損傷する可能性があります（例えば、興奮毒性の場合、または神経変性疾患で発生する可能性のある神経回路の過興奮の場合、または脳外傷や脳卒中などの傷害後）。カルシウムが細胞に過剰に侵入すると、細胞に損傷を与えたり、アポトーシスを引き起こしたり、壊死による死を引き起こしたりすることがあります。カルシウムは、浸透圧ストレス（浸透圧ショック）の主要な調節因子の1つとしても機能します。慢性的に上昇した血漿カルシウム（高カルシウム血症）は、不整脈と神経筋興奮性の低下に関連しています。高カルシウム血症の原因の1つは、副甲状腺機能亢進症として知られる状態です。

無脊椎動物

一部の無脊椎動物は、カルシウム化合物を使用して、外骨格（貝殻と甲羅）または内骨格（棘皮動物のプレートと海綿状の棘状突起）を構築します。

植物

気孔閉鎖

アブシジン酸が孔辺細胞に信号を送ると、遊離Ca 2+イオンが細胞外および内部貯蔵の両方からサイトゾルに入り、濃度勾配が逆転し、K +イオンが細胞から出始めます。溶質の損失は、細胞を弛緩させ、気孔を閉じます。

細胞分裂

カルシウムは有糸分裂紡錘体の形成に必要なイオンです。有糸分裂紡錘体がなければ、細胞分裂は起こりえません。若い葉はカルシウムの必要性が高いですが、古い葉はカルシウムが植物中を比較的動かないため、より多くのカルシウムを含んでいます。他の栄養イオンと結合し、溶液から沈殿する可能性があるため、師部を通って輸送されません。

構造的な役割

Ca2 +イオンは、植物の細胞壁と細胞膜の必須成分であり、植物の液胞内の有機アニオンのバランスをとるカチオンとして使用されます。液胞のCa2 +濃度は、ミリモルレベルに達する場合があります。藻類の構造要素としてのCa2 +イオンの最も顕著な使用は、炭酸カルシウムプレートを形成するためにCa2 +を使用する海洋性コッコリソフォアで発生します。

カルシウムは、新たに形成された細胞の中層でペクチンを形成するために必要です。

カルシウムは細胞膜​​の透過性を安定させるために必要です。カルシウムがないと、細胞壁は内容物を安定化および保持できません。これは果物の開発において特に重要です。カルシウムがなければ、細胞壁は弱く、果物の内容物を保持できません。

いくつかの植物は組織にCaを蓄積し、それによりそれらをより強固にします。カルシウムは、色素体にCaシュウ酸塩結晶として保存されます。

細胞シグナリング

Ca2 +イオンは通常、植物細胞のサイトゾルでナノモルレベルに維持され、セカンドメッセンジャーとして多くのシグナル伝達経路に作用します。