Calcium

Lecalciumest l'élément chimiquedenuméro atomique20, desymboleCa.
C'est unmétal alcalino-terreuxgris-blanc et plutôt dur. Il n'existe pas à l'état decorps simpledans la nature. C'est le cinquième élément le plus abondant de lacroûte terrestre(plus de 3 %). Il est vital pour de nombreuses espèces : formation desos, desdentset descoquilles(il compose 1 à 2 % du poids ducorps humaind'un adulte). Le calcium joue également un rôle très important enphysiologie cellulaire, tout en étant unpoisoncellulaire au-delà d'une certaine dose.
Lachauxétait déjà préparée par lesRomainsdès leIsiècle, mais ce n'est qu'en1808que le calcium fut découvert. En apprenant queJöns Jacob BerzeliusetMagnus Martin Pontin(de)avaient préparé un amalgame de calcium parélectrolysede la chaux dans dumercure,Humphry Davyfut capable d'isoler le métal pur.
Le calcium possède24isotopesconnus de nombre de masse variant entre 34 et 57, mais aucunisomère nucléaireconnu. Cinq de ces isotopes sont stables,Ca,Ca,Ca,Ca etCa (maisCa etCa sont soupçonnés d'être desradioisotopesà vie extrêmement longue, mais aucune désintégration n'a pour l'instant été observée), et un radioisotope (Ca) a unedemi-vietellement longue (43 × 10années, soit presque3 milliardsde fois l'âge de l'Univers) qu'il est considéré pour les cas pratiques comme stable. Le calcium 40 représente 97 % du calcium naturel.
Le calcium peut être produit parélectrolysedufluorure de calciumet plus couramment parréductionsous vide de lachaux(CaO) par de la poudre d'aluminium.
Il brûle avec une flamme jaune-rouge ; exposé à l'air sec, il forme une couche protectrice blanche d'oxyde et de nitrure.
Il réagit violemment avec l'eau dont il déplace l'hydrogèneet forme alors de l'hydroxyde de calciumCa(OH)2.
Le calcium métal est utilisé :
Dans tous ses composés connus, le calcium est présent sous la forme ducationCa.
Le calcium peut aussi s'allier à différents autres métaux. L'alliage calcium-silicium, appelésilico-calcium, est un adjuvant de la préparation de certainsaciers.
Le calcium est de loin l'élémentmétalliquele plus abondant dans le corps (1 à 2 % en masse). Il est majoritairement entreposé dans lesos, dont il fait partie intégrante. Il contribue à la formation de ces derniers, ainsi qu'à celle desdents, et au maintien de leur santé. Les mécanismes de maintien d'une concentration plasmatique normale en calcium ionisé se font, si nécessaire, aux dépens du squelette et une diminution trop importante de l'apport calcique aussi bien qu'une augmentation des excrétions entraîne un risque pour le squelette et la santé (ostéoporosechez l'adulte,rachitismechez l'enfant, exacerbation du risque desaturnisme,etc.).
Le calcium joue aussi un rôle essentiel dans lacoagulation sanguine, le maintien de lapression sanguineet la contraction desmuscles, dont le cœur, via son importance dans les fonctions neuromusculaires. Il intervient dans le fonctionnement de nombreux processus enzymatiques.
Chez l'humain, il est plus ou moins bioassimilable selon ses formes, selon l'âge et l'état hormonal de la personne, mais aussi en fonction d'inhibiteurs ou de promoteurs de l'assimilation présents dans les aliments, deux facteurs qui sont encore mal compris et font l'objet d'études. Le calcium ionisé ouchélaté(par certainspeptidesnaturellement présents dans certains aliments) semble être plus bioassimilable.
Le calcium intervient dans la formation desoset desdents; son déficit va donc les affecter (ostéoporose, problèmes decroissance). Son déficit peut provoquer l'apparition decalculs rénaux(le calcium neutralise les oxalates dans le système digestif) et son excès peut augmenter le risque cardiovasculaire.
De plus, il intervient dans les échanges cellulaires et est, de ce fait, vital. Son taux sanguin (calcémie) est extrêmement régulé, pour éviter des variations fatales à l'organisme. Leshormonesimpliquées dans cette régulation sont laparathormoneet lacalcitonine, bien que le rôle « hormonal » de la calcitonine soit discuté étant donné que son augmentation n'entraîne pas de modification sur lemétabolisme phospho-calcique. Il serait plus juste de considérer la parathormone et le calcitriol (dérivé de lavitamine D) comme les deux principales hormones du métabolisme phospho-calcique. Le calcium sert aussi à réguler le pH corporel, il est relargué des os lorsqu'il y a une acidification du milieu interne provoquée par une consommation de produit acidifiant (protéines, laits…) et une faible consommation de végétaux, qui ont un effet alcalinisant.
Le risque decancer du côlonsemble diminué par un régime riche en calcium. La majorité des études épidémiologiques indiquent que les gens dont l'alimentation contient le plus de calcium ont moins fréquemment un cancer colorectal. Plus de25 publicationsscientifiques montrent que le calcium diminue la cancérogenèse colique chez les rongeurs. Enfin, trois essais cliniques contrôlés montrent que la prise d'un supplément de carbonate de calcium (1à2g/j) diminue la récurrence des polypes de 15 à 30 % chez des volontaires: il semble donc que le calcium prévienne le cancer colorectal.
Le calcium intervient aussi dans lacontraction musculairepar l'intermédiaire de l'ion calcium Ca. Le calcium est stocké dans le muscle dans des citernes et est libéré sous l'influx nerveux pour activer les molécules d'actinequi vont permettre la contraction desmyocytes.
L'équilibre calcique est déterminé par la relation entre les apports calciques d'une part, et l’absorption et l'excrétion du calcium d'autre part. Des variations relativement faibles dans l'absorption et l'excrétion du calcium peuvent neutraliser un apport élevé ou compenser un apport faible.
Les besoins nutritionnels en calcium sont ainsi essentiellement déterminés par la balance entre l'efficacité de l'absorptionet le taux d'excrétion— l'excrétion se produisant par les voies intestinale (fèces) et rénale (urine), par ladesquamation, par la perte des cheveux et celle des ongles. Chez l'adulte, le taux d'absorption du calcium via lesystème digestifdoit correspondre à l'ensemble des pertes quotidiennes afin d'assurer la préservation du squelette ; chez l'enfant et l'adolescent, un apport supplémentaire est nécessaire pour couvrir les besoins de l'accroissement du squelette.
Lemétabolismedu calcium est sujet à de considérables variations inter-individuelles, à la fois en ce qui concerne l'absorption et l'excrétion du calcium, dues à desfacteursqui ne sont pas encore complètement connus mais qui incluent lavitamine D, l'apport ensodiumet enprotéines, l'âge, laménopausechez la femme.
À de bas niveaux d'apport calcique, le calcium est principalement absorbé par transport actif transcellulaire, tandis qu'à de plus hauts niveaux d'apport, une proportion de plus en plus importante du calcium est absorbée par simple diffusion paracellulaire. L'absorption varie ainsi en fonction inverse de l'apport calcique, variant de 70 % pour de très bas niveaux d'apport à 35 % environ pour des apports calciques importants.
En tenant compte des pertes calciques incompressibles (selles, urines, desquamation, sueur), le pourcentage net d'absorption (apports moins pertes) est négatif pour de bas niveaux d'apport, devient positif avec l'augmentation des apports, atteint un pic à environ 30 % d'absorption pour un apport quotidien d'environ 400mg, puis recommence à diminuer pour des apports allant au-delà de ce taux.
La part non absorbée du calcium se retrouve principalement dans les selles, accompagnée de la part non absorbée du calcium contenu dans lessucs digestifs.
L'excrétion urinaire de calcium est extrêmement sensible aux modifications du taux plasmique de calcium : des diminutions à peine détectables de moins de 2mgde calcium par litre deplasma sanguinsuffisent pour induire une diminution trente fois supérieure de l'excrétion urinaire de calcium. Cette réponse rénale très sensible à la privation de calcium se combine avec la relation inverse entre apport calcique et taux d'absorption pour stabiliser la concentration plasmatique de calcium ionisé (en cohérence avec son importance physiologique) et pour préserver l'équilibre entre les entrées et les pertes calciques. Cependant, il existe un niveau incompressible de pertes calciques dans les urines, qui, dans le contexte du niveau de consommation en sel et en protéines des pays développés, se situe à environ 140mg/j.
En plus des pertes calciques urinaires et fécales, il existe des pertes à travers la desquamation, la chute de cheveux, les ongles. Ces pertes insensibles, difficiles à mesurer, seraient de l'ordre de40à60mgpar jour et ne varient pas avec le niveau d'apport calcique dans l'alimentation.
Les principaux facteurs nutritionnels qui font varier les besoins en calcium sont lesodiumet les protéines animales (qui tous deux augmentent les pertes calciques urinaires), ainsi que lavitamine Ddu fait de son rôle dans l'homéostasieet l'absorption du calcium.
Au bilan, les facteurs alimentaires qui influencent les pertes urinaires de calcium ont une influence majeure sur la balance calcique et pourraient même être de plus grande importance que ceux qui influencent la disponibilité intestinale du calcium ; les pertes urinaires en calcium sont plus importantes dans les alimentations qui contiennent des apports élevés en protéines animales,sulfates, sodium, café, thé et alcool, que dans les régimes alimentaires qui en intègrent des quantités plus faibles.
Le taux urinaire de calcium (calciurie) est relié à celui dusodium(natriurie) et l'administration de sodium augmente l'excrétion urinaire de calcium, possiblement parce que le sodium entrerait en compétition avec le calcium pour la réabsorption au niveau destubules rénaux. Les restrictions en sel diminuent la calciurie, donc les besoins nutritionnels en calcium, et inversement la consommation alimentaire de sel augmente ces besoins. S'il est cependant difficile d'en déduire des recommandations nutritionnelles au niveau mondial du fait du manque de données pour beaucoup de pays, les études existantes montrent que chaque apport supplémentaire de deux grammes de sel alimentaire entraîne une excrétion urinaire de calcium de30à40mgen moyenne.
Il est connu depuis les années 1960 que l'apport alimentaire deprotéines— et particulièrement de protéines animales— augmente l'excrétion urinaire de calcium. Cela est cohérent avec la constatation faite par ailleurs que laprévalencedesfractures de la hancheest liée aux apports en protéines animales. Il a été trouvé dans une population japonaise que l'excrétion de calcium est significativement corrélée positivement avec l'apport alimentaire de protéines animales, mais pas avec celui de protéines végétales. Inversement, diminuer l'apport en protéines animales diminue les pertes urinaires en calcium.
Le mécanisme par lequel les protéines animales influent sur l'excrétion du calcium n'est pas complètement compris. Une augmentation du taux defiltration glomérulaireen réponse aux apports protéiques a été suggérée, mais elle ne semble pas pouvoir en l'état actuel des connaissances expliquer à elle seule cette constatation. Le mécanisme considéré comme le plus important par la majorité des études est l'effet de lacharge acidecontenue dans les aliments d'origine animale (due notamment aux acides aminés sulfurés contenus en quantité plus importante dans les protéines animales, et à la concentration plus importante en ions phosphates), du fait qu'une charge acide est, à long terme, compensée entre autres par la fixation des ions Hpar les phosphates acides libérés par le métabolisme phosphocalcique osseux, ceci entraînant la libération conjointe de carbonate de calcium osseux. Lacomplexationdans les tubules rénaux du calcium par les ionssulfatesetphosphatesrelargués par lemétabolismedes protéines jouerait également un rôle. Le taux urinaire de calcium est significativement relié à celui du phosphate urinaire et la plus grande partie duphosphorecontenu dans les urines des personnes adoptant un mode d'alimentation occidentalprovient desaliments d'origine animaleingérés. Cela est également observé pour le sulfate urinaire, même si l'effet est probablement moins important que celui des ions phosphates.
Quoi qu'il en soit, aucune conclusion définitive ne peut encore se dégager de la lecture de la littérature scientifique pour expliquer la corrélation positive entre l'apport en protéines d'origine animale et l'augmentation de la calciurie et de la prévalence des fractures. Nombreux d'ailleurs sont les auteurs à insister sur le besoin d'études complémentaires, malgré des décennies de recherche sur ce point.
Des études ont montré que les pertes urinaires en calcium sont plus faibles dans les régimes alimentairesalcalins, riches enlégumesetfruitsou enbicarbonates.
Bien qu'il soit considéré dans certaines études que les produits à base desojaont un taux dephytatesélevé pouvant réduire l'absorption du calcium, d'autres études n'ont pas constaté de différence clinique selon que l'alimentation comprenne du lait de vache ou de soja.
Lesphytates, présents dans l'enveloppe de nombreuses céréales ainsi que dans certaines noix, certaines graines, certains légumes, peuvent former dessels de calciuminsolublesdans l'appareil gastro-intestinal.
Lesoxalates(que l'on peut trouver par exemple dans lesépinards, larhubarbe, lesnoix, l'oseille) en excès peuvent précipiter le calcium dans l'intestin; ainsi, s'il a été démontré que labiodisponibilitédu calcium deslégumes vertspauvres en oxalates (par exemple chou oubrocoli) est supérieure à celle du lait de vache, à l'inverse le calcium des épinards ou ducressonest moins bien absorbé.
Si ces facteurs ont généralement une faible importance dans les régimes alimentaires, leur importance dans unrégime végétalien strictpourrait équilibrer les effets bénéfiques d'une baisse de l'excrétion urinaire du calcium due à un faible apport en protéines animales.
Lestanins(tels que ceux duthé) peuvent également former des complexes réduisant l'absorption du calcium.
Lelactosedu lait, pris séparément, favorise l'absorption du calcium ; cependant, son effet est contrebalancé par celui des protéines animales également contenues dans le lait. Finalement, le lactose du lait contribue peu à l'amélioration de l'absorption en calcium et aucune étude ne montre que le calcium du lait est plus efficacement absorbé que celui de n'importe quel sel de calcium. La proportion absorbée de calcium du lait dépasse rarement 40 %.
Il n'a pas été démontré que le calcium deseaux minérales, sous forme debicarbonateou desulfate, est mieux absorbé que d'autres sources de calcium.
Les recommandations nutritionnelles de laFAOse basent sur les relations entre l'apport calcique et l'absorption et l'excrétion du calcium, déterminées par une analyse des études existantes. L'équilibre, selon la FAO, est atteint avec un apport quotidien de 520mgen tenant compte des pertes fécales incompressibles, qui monte à 840mgen tenant compte des pertes urinaires et celles liées à la desquamation, et à 1 100mglorsque les pertes liées à la ménopause sont incluses.
La prise en compte des apports alimentaires en protéines animales a un effet majeur sur les besoins nutritionnels en calcium, les deux étant positivement corrélés. Elle contribue également à rapprocher les apports recommandés en calcium des apports calciques réels observés dans une grande partie des populations au niveau mondial. En ce qui concerne le sodium, si les apports en sel dans le régime alimentaire étaient réduits, les besoins en calcium pourraient diminuer à un niveau aussi bas que 450mg/j. Une meilleure attention portée au taux de vitamine D (par une exposition suffisante au soleil ou par des apports suffisants) pourrait encore diminuer les besoins nutritionnels en calcium.
Lesapports nutritionnels conseilléssont finalement de 900mgpar jour chez l'adultequi consomme unealimentation occidentale. Une étude de l'OMS montre que les ANC varient sensiblement entre les pays développés. Parallèlement, lesapports journaliers recommandéssont de 800mgpar jour (pour une femme adulte). Pour la femme enménopauseet lespersonnes âgées, lesapports journaliers recommandésde calcium sont de1 200à1 500mg.
Selon l'OMSet la FAO, un besoin de calcium beaucoup plus bas (500mg/jour) est observé chez les personnes ayant une alimentation beaucoup plusvégétarienne, qui s'exposent suffisamment au soleil (vitamine D) et qui ont uneactivité physiquenon sédentaire. En effet, l'ingestion d'acides aminéssoufrés (comme laméthionine) en grandes quantités augmenterait la déperdition de calcium dans les urines. Ces acides aminés soufrés se trouvent en grande quantité dans les viandes, les poissons, les œufs, les charcuteries.
Une étude portant sur une cohorte de population en Suède a mis en évidence une mortalité plus élevée pour les femmes ingérant plus de 1 400mgde calcium par jour, en particulier sous forme de supplément. Par ailleurs, plusieurs études établissent une corrélation entre une forte ingestion de calcium et une incidence élevée de cancer de la prostate.
Le calcium est présent dans de nombreux aliments de consommation courante.
Lesproduits laitiersconstituent actuellement la principale source de calcium alimentaire (plus des deux tiers des aliments consommés) des pays occidentaux. Le calcium y est présent sous une forme permettant une absorption intestinale de l'ordre de 30 %, mais augmentant l'excrétion urinaire de calcium. Les produits très riches en calcium et en phosphore entraînent une hypercalcémie et une hyperphosphatémie temporaires, avec une inhibition de la synthèse devitamine D.
D'autres aliments contiennent du calcium :eau du robinet,amandes,pistaches,dattes,persil,figues,cresson,cacao,pissenlit,oranges, haricots secs,jaune d'œuf, graines desésame(tahini), graines depavot,brocoli,choux,épinard(les légumes à feuilles vertes en général), certains poissons…
Pour l'évaluation de la biodisponibilité réelle, il faut aussi tenir compte des facteurs alimentaires qui influencent la perte urinaire du calcium absorbé. Ainsi, l'absorption simultanée de phosphore diminue l'excrétion urinaire de calcium. À l'inverse, les composants « acidogènes » du régime, comme les sulfates (en particulier dans les eaux minérales sulfatées calciques), augmentent la calciurie (élimination de calcium par voie urinaire).
Enfin, la fixation du calcium absorbé dans letissu osseux(prévenant l'ostéoporose) dépend de nombreux autres facteurs,en particulier hormonaux.
L'absorption de calcium sous forme de comprimés permet d'augmenter son apport journalier si ce dernier n'est pas optimal. Elle est parfois associée à la prise devitamine D. L'intérêt d'une supplémentation en calcium chez une personne non dénutrie n'est cependant pas établi : ladensité minérale osseusen'augmente que peu, même si le calcium est associé à la prise devitamine D, et ne progresse plus après un an. Il n'existe, par ailleurs, pas de diminution du risque defracture. L'effet secondaire le plus noté reste une constipation. Lesyndrome des buveurs de lait, dans sa forme moderne, est dû principalement à la consommation de carbonate de calcium : c'est la troisième cause d'hypercalcémieet la seconde cause d'hypercalcémie sévère. Cette supplémentation pourrait être associée avec un risque majoré demaladies cardio-vasculaires, même si cette donnée reste discutée.
Mais les médicaments destinés à l'ostéoporose servent aussi à soigner les maladies telles que l'anorexie ou la boulimie afin de subvenir au manque de nutriments équilibrés dans le corps dû aux problèmes que ces maladies engendrent.
Le calcium est produit par aluminothermie de la chaux, c’est-à-dire une réaction d'oxydo-réductionoù lachaux— l’oxyde de calcium CaO — est réduite par l'aluminiumdans des fours où l'on établit le vide.
De façon simplifiée :
On introduit dans le four des pastilles formées à partir d'un mélange de chaux et de poudre d'aluminium. Le four est chauffé électriquement ou à l'aide d'un combustible fossile. Le calcium formé au cours de la réaction se dégage sous forme de vapeur, et l'on dispose (dans le circuit d'aspiration établissant le vide dans le four) un condenseur où il vient se déposer. Le résidu de la réaction est de l'aluminate de calcium(combinaison d'alumineet de chaux).
Les usages industriels sont nombreux et parfois anciens. Ainsi, depuis la Préhistoire, le calcium (issu de la craie et transformé par lacalcination, l'hydratation, lefrittage, la recarbonatation ou lamicronisation…) est présent dans lesmortiers,ciments,enduits,pigments,agents fondants, charges minérales, dont comme correcteurs derhéologieutilisés dans de nombreuses peintures, encres, polymères plastiques et caoutchouc,etc.Des carbonates de calcium (et de magnésium) sont utilisés (calcins) dans l'industrie du verreet de lacéramiqueet dans la production defonte. Lesucreest purifié par l'industrie du sucreau moyen d'oxyde de calciumet d'hydroxyde de calcium. L'industrie papetièreutilise lestéarate de calciumcomme enduit de couchage pour donner un aspect lisse à la surface des papiers glacés. L'hydroxyde de calcium est un réactif utilisé pour fabriquer industriellement lagélatine.
Plus récemment, le calcium ou des molécules à base de calcium se sont montrés être un bon substitut :
La France, en 2014, est nette importatrice de calcium, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 3 700€.