Calcium und Knochenmineralisierung
Gemeinsam mit anorganischem Phosphat stellt Calcium den anorganischen Anteil des Knochens sowie des - prinzipiell gleich aufgebauten – Dentins und Schmelzes der
Zähne. Neben der mechanischen Funktion, die der Knochen als Stützgewebe erfüllt, dient das Knochengewebe auch als Speicherogan für Calciumionen, aus dem dieses Kation bei längerdauerndem
Calciummangel mobilisiert werden kann. Etwa 1% des Calciumpools der Knochen ist zu diesem Zweck verfügbar.
Calcium und Blutgerinnung
Als freies Ion ist Calcium durch Bildung von Komplexen mit Phospholipiden und Gerinnungsfaktoren an der Aktivierung des extra- und intravaskulären
Systems der Blutgerinnung entscheidend beteiligt.
Calcium und Zellmembranstabilisierung
Die Verringerung der Calciumkonzentration des Extrazellulärraums führt zu einer Erniedrigung der Schwelle der Erregbarkeit von Muskel- und Nervenzellmembranen. Umgekehrt verursacht die
Erhöhung der extrazellulären Calciumkonzentration eine Abnahme der Natriumpermeabilität und damit der Erregbarkeit der Membran (Stabilisierung von Biomembranen).
Calcium als Signal bei der Zellaktivierung
Ueber 90% des Zellcalciums sind nicht ionisiert, sondern befinden sich als Calcium-phosphat-Komplex in den Mitochondrien oder an Proteine gebunden im endoplasmatischen Reticulum.
Als Zellaktivierung bezeichnet man die Stimulierung einer Zelle zur Ausübung ihrer spezifischen Funktionen, z.B. Kontraktion, Biosynthese und Sekretion von Stoffen, transzellulärem Transport
von Ionen, Bereitstellung von Glucose (Glycogenolyse und|oder Gluconeogenese), Photorezeption usw. Bei vielen dieser Prozesse besitzt Calcium eine Signalfunktion, da es Informationen von der Membran
der aktivierten Zelle auf Rezeptormoleküle innerhalb der Zelle überträgt.
Aktiver Export von Calciumionen aus dem Cytosol
Mit wenigen Ausnahmen geht mit der Zellaktivierung eine Erhöhung der cytosolischen Calciumkonzentration einher. Deshalb wir diese durch eine Reihe von Transportsystemen sehr genau reguliert.
Im einzelnen handelt es sich um Mechanismen für den aktiven Export von Calciumionen aus dem Cytosol sowie für den regulierten Einstrom von Calcium in dasselbe. Zu den ersteren gehören
- Eine in der Plasmamembran aller Zellen nachweisbare Ca 2+ -ATPase
- Ein Ca 2+ /Na + -Antiportsystem , welches den mit Hilfe der Na + /K + -ATPase erzeugten Natrium-Gradienten über
der Zellmembran zum sekundär
aktiven Calciumexport benutzt
- Eine in den Vesikeln des endoplasmatischen Reticulums lokalisierte Ca 2+ -ATPase, die die Sequestrierung von Calcium in diesen Organellen ermöglicht
- Ein nur bei Calciumüberbelastung von Zellen benutztes System, das die Akkumulierung von Calcium als Calciumphosphat in den Mitochondrien ermöglicht.
Regulierter Calciumeinstrom
Die genannten Systeme sind dafür verantwortlich, dass im Ruhezustand eine niedrige Calcium-Konzentration aufrecht erhalten werden kann. Für die Erhöhung der intrazellulären cytosolischen
Calciumkonzentration bei Aktivierung von Zellen stehen drei Mechanismen zur Verfügung:
- Calciumeinstrom aus dem extrazellulären Raum durch spannungsregulierte Calciumkanäle . Die Oeffnung derartiger Kanäle erfolgt nach Depolarisierung von
Zellen. Interessanterweise kann die Oeffnungswahrscheinlichkeit des spannungsregulierten Calciumkanals, z.B. im Herzmuskel, dadurch vergrössert werden, dass das Kanalprotein durch die cAMP-abhängige
Proteinkinase A phosphoryliert wird. Dies ist eine der Möglichkeiten, die intrazelluläre Calciumkonzentration durch Hormone zu regulieren.
- Calciumeinstrom aus dem extrazellulären
Raum durch Liganden-regulierte Calcium-kanäle . Derartige Kanäle öffnen sich dann, wenn entsprechende Liganden,
meist Hormone, gebunden werden. Hierzu gehören Vasopressin , Leukotriene oder extrazelluläres ATP .
- Calciumeinstrom aus Calciumspeichern im endoplasmatischen Reticulum . Das Prinzip dieses Vorgangs beruht darauf, dass eine hormonell aktivierte, in der Cytoplasmamembran
lokalisierte Phospholipase C zur Spaltung von Phosphatidyl - inositol-bisphosphat führt und das dabei freigesetzte Inositoltriphosphat (IP3)
mit dem im endoplasmatischen Reticulum lokalisierten IP3-Rezeptor in Wechselwirkung tritt. Dieser Rezeptor ist ein Ligand-regulierter Calciumkanal . Die Bindung des Liganden IP3
löst den Calciumefflux aus dem endoplasmatischen Reticulum aus.
Das vermehrt ins Cytosol aufgenommene Calcium tritt primär mit Rezeptorproteinen in Wechselwirkung. Im Herz- und Skelettmuskel handelt es sich dabei um das Troponin . Ein weiterer
ausser in Muskelzellen in allen anderen Körperzellen vorkommender Calciumrezeptor ist das Calmodulin .
Der Calcium | Calmodulinkomplex ist ein Aktivator der sogenannten Calcium | Calmodulin-Kinasen (CaM-Kinasen). Durch die vielfältigen Wirkungen
des Calcium-Calmodulin-Komplexes wird die entscheidende Bedeutung von Calcium bei der Zellaktivierung deutlich.
Calciumhomöostase
Calciumbedarf
Der tägliche Bedarf an Calcium liegt bei 20 mmol (0,8 g) beim Erwachsenen, bei 37,5 mmol (1,5 g) in der Schwangerschaft und Lactation, bei 25 mmol (1 g) für Kinder und bei 30 mmol (1,2
g) in der Adoleszenz. Milchprodukte (Käse, Magermilch), Algen (Sushi-Bars) und Sesamkeime sind gute Calciumquellen.
Intestinale Resorption
Das Ileum ist quantitativ der wesentliche Resorptionsort für Calcium. Wie bei der Resorption anderer Stoffe werden auch bei der Calciumresorption mehrere Schritte unterschieden:
- Die Einschleusung des Stoffes aus dem Darmlumen durch den Bürstensaum (Mikrovilli) in die Zelle
- Die Wanderung durch die Epithelzelle
- Der Austritt durch die Basalmembran in den Extrazellulärraum.
Aus dem Darmlumen wird Calcium über einen Calciumkanal in die Mucosazelle aufgenommen. Der Austritt von Calcium an der Serosaseite ist der limitierende Faktor, bei dem es sich um einen aktiven,
d.h. Ca-ATPase-vermittelten Prozess handelt. An der Resorption ist ein calciumbindendes Protein (Calbindin) beteiligt, dessen Gen ein Vitamin D-empfindliches Element besitzt.
Von der täglich zugeführten Menge werden 25-40% resorbiert. Je niedriger die Calciumzufuhr ist, desto höher ist die prozentuale Resorption und umgekehrt. Das Ausmass der Calciumresorption
fällt mit zunehmendem Alter ab.
Regulation der intestinalen Calciumresorption
Eine Schlüsselstellung bei der Regulation der intestinalen Calciumresorption nehmen Vitamin D (Calciferole) bzw. dessen Metaboliten ein. Vitamin D gelangt
nach seiner Resorption in die Leber. Dort wird es zum 25-Hydroxycholecalciferol hydroxyliert, aber erst die weiere Hydroxylierung zu 1,25-Dihydroxycholecalciferol in
den Nierentubuli stellt die Form dar, die die intestinale Calciumresorption fördert. Damit kommt den Nieren eine wesentliche Funktion bei der Regulation der Calciumresorption und damit des Calciumbestandes
des Organismus zu. Da die Biosyntheserate von 1,25-Dihydroxycholecalciferol durch den Calciumspiegel reguliert wird, erhalten die Mucosazellen über diesen Metaboliten von den Nieren die Information über
die Höhe des Plasmacalciumspiegels, die die Grundlage zur Förderung oder Hemmung der intestinalen Resorption bildet.
Verteilung im Organismus
99% des Körpercalciums finden sich im Knochen, der ein zelluläres Gewebe darstellt, das einem ständigen Auf- und Abbau unterliegt. Der Rest des Körpercalciums ist auf den Extra-
und Intrazellulärraum verteilt.
Calcium im Blut
Erythrocyten enthalten sehr wenig Calcium, da sie dieses ständig mit Hilfe eines aktiven Transportsystems aus ihrem Inneren pumpen. So findet sich das gesamte Calcium im Blutplasma, und zwar
in drei Fraktionen:
- Dem ionisierten, das durch die Kapillarmembran in den interstitiellen Raum übertreten kann und deshalb auch als diffusibles Calcium bezeichnet wird,
- Dem an Proteine gebundenen, das aufgrund seiner Bindung die Kapillarmembran nicht permeieren kann (nichtdiffusibles Calcium) und
- Einer kleinen Menge, die wahrscheinlich als Citrat- und Phosphatkomplex vorliegt und in dieser Form in den interstitiellen Raum übertreten kann.
Der freie oder ionisierte Anteil des Plasmacalciums ist der biochemisch entscheidende. Die Nebenschilddrüsen reagieren durch Sekretion von Parathormon auf Aenderungen des ionisierten Calciums
(Regulation der extrazellulären Calciumkonzentration).
Regulation der extrazellulären Calciumkonzentration
Auf die Regulation der intrazellulären Calciumkonzentration, die durch die Zelle selbst erfolgt, lagert sich die Regulation der extrazellulären Calciumkonzentration auf, die durch drei
Hormone vermittelt wird: Parathormon (PTH), 1,25-Dihydroxycholecalciferol und Thyreocalcitonin . Zielgewebe dieser Hormone sind die Zellen der
Darmmucosa, der Niertubuli und der Knochen.
Das in den Nebenschilddrüsen gebildete Parathomon ist der wichtigste Regulator des Calciumspiegels im Extrazellulärraum. Jeder Abfall der Konzentration des ionisierten
Calciums führt innerhalb von Minuten über einen spezifischen Calcium-Rezeptor in der Membran der Nebenschilddrüsenzellen zu einer erhöhten PTH-Sekretion. Das Hormon wirkt über
die vermehrte Mobilisierung von Calcium aus den Knochen, die vermehrte tubuläre Reabsorption von Calcium sowie die vermehrte intestinale Resorption von Calcium.
1,25-Dihydroxycholecalciferol , die aktive Form des Vitamins D, wird in Abhängigkeit von der Plasmacalciumkonzentration in den Nieren aus 25-Hydroxycholecalciferol synthetisiert.
1,25-Dihydroxycholecalciferol fördert die Calciumresorption im Intestinaltrakt, erleichert die Wirkung von Parthormon am Knochen und erhöht wahrscheinlich die Calciumreabsorption aus den
Nierentubuli.
Welche Bedeutung das Thyreocalcitonin für die Calciumhomöostase hat, ist bisher noch nicht geklärt.
Insgesamt ergibt sich durch diese drei Hormone ein komplexes hormonelles System der Regulation des extrazellulären Calciums, welches auf der Calciummobilisierung aus dem Knochen, der Modulation
der Calciumreabsorption in den Nieren sowie der Calciumaufnahme im Intestinaltrakt beruht. |
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