Kalcij u biologiji

[thumb|430x430px| **Kalcij u biologiji**  se koristi u mnogim živcima u [naponski kontrolirani kalcijski kanal|naponski kontroliranom kalcijevom kanalu koji je nešto sporiji od naponski kontroliranog kalijevog kanala]. Najznačajnija je njegova upotreba u srčanom akcijskom potencijalu.]]
Kalcijski ioni (Ca2+) doprinose fiziologiji i biohemiji ćelija organizama. Oni imaju važnu ulogu u putevima transdukcija signala, pri čemu kost djeluje kao glavno mjesto skladištenja minerala. Kalcijum ioni, Ca2+, oslobađaju se iz kostiju u krvotok pod kontroliranim uvjetima. Kalcijum se transportuje kroz krvotok kao rastvoreni ioni ili vezan za proteine kao što je serumski albumin. Paratiroidni hormon koji luči paratiroidna žlijezda reguliše resorpciju Ca2+ iz kostiju, reapsorpciju u bubrezima nazad u cirkulaciju i povećava aktivaciju vitamina D3 u kalcitriol. Kalcitriol, aktivni oblik vitamina D3, podstiče apsorpciju kalcija iz crijeva i kostiju. Kalcitriol također ima ključnu ulogu u povećanju nivoa unitsrćelijskog  kalcija, a visoki nivoi ovog iona izgleda da štite od raka dojke i prostate. Smatra se da je supresija kalcitriola prekomjernim unosom kalcija u ishrani glavni mehanizam za potencijalnu vezu između mliječnih proizvoda i raka. Međutim, vitamin D prisutan u mnogim mliječnim proizvodima može pomoći u kompenzaciji ovog štetnog efekta ishrane bogate kalcijem povećanjem nivoa kalcitriola u serumu. Kalcitonin koji se luči iz parafolikulskih ćelija štitne žlijezde također utiče na nivo kalcija suprotstavljajući se paratireoidnom hormonu; međutim, njegov fiziološki značaj kod ljudi je sporan.

U unutarćelijfkom prostoru kalcij se skladišti u organelama koje ponavljano oslobađaju, a zatim ponovo akumuliraju Ca2+ ione kao odgovor na specifične ćelijske događaje: mjesta skladištenja uključuju mitohondrije i endoplazmatski retikulum.

Karakteristične koncentracije kalcija u modelnim organizmima su: u **E.&nbsp;coli* 3&nbsp;mM (vezan), 100&nbsp;nM (slobodan), in budding yeast 2&nbsp;mM (vezan), u sisarskoj ćeliji 10–100&nbsp;nM (slobodan) i  i u krvnoj plazmi 2&nbsp;mM.

## Ljudi
thumb|upright=1.4| Globalni unos kalcija hranom kod odraslih (mg/dan)

U 2022. godini, bio je 277. najčešće propisivani lijek u Sjedinjenim Državama, s više od 700.000 recepata.

### Preporuke za ishranu
Američki institut za medicinu (IOM) je 1997. godine utvrdio Preporučene dnevne doze (RDA) za kalcij i ažurirao te vrijednosti 2011. godine.

Zbog zabrinutosti zbog dugoročnih neželjenih nuspojava, poput kalcifikacije arterija i bubrežnih kamenaca, IOM i EFSA su postavili tolerabilni gornji nivoi unosa (ULs) za kombinaciju kalcija iz prehrane i dodataka prehrani. Prema IOM-u, osobe starosti 9-18 godina ne bi trebale prelaziti 3.000&nbsp;mg/dan; za osobe starosti 19-50 godina ne bi trebale prelaziti 2.500&nbsp;mg/dan; za osobe starosti 51 i više godina ne bi trebale prelaziti 2.000&nbsp;mg/dan. EFSA je postavila UL na 2.500&nbsp;mg/dan za odrasle, ali je odlučila da informacije za djecu i adolescente nisu dovoljne za određivanje UL-ova.

#### Označavanje
Za potrebe označavanja hrane i dodataka prehrani u SAD-u, količina u porciji izražava se kao postotak dnevne vrijednosti (%DV). Za potrebe označavanja kalcija, 100% dnevne vrijednosti bilo je 1.000&nbsp;mg, ali od 27. maja 2016. godine revidirano je na 1.300&nbsp;mg kako bi se uskladilo s RDA. Tabela starih i novih dnevnih vrijednosti za odrasle dostupna je na Referentni dnevni unos.

### Zdravstvene tvrdnje
Iako, po pravilu, označavanje i marketing dodataka prehrani ne smiju sadržavati tvrdnje o prevenciji ili liječenju bolesti, FDA je za neke namirnice i dodatke prehrani pregledala naučne podatke, zaključila da postoji značajna naučna saglasnost o blagotvornom učinku kalcija iz prehrane na mineralnu gustoću kostiju (zajedno s vitaminom D za olakšavanje njegove apsorpcije) i objavila posebno formulirane dozvoljene zdravstvene tvrdnje. Početna presuda koja dozvoljava zdravstvenu tvrdnju za dodatke prehrani s kalcijem i osteoporozu kasnije je izmijenjena kako bi uključila dodatke kalcija i vitamina D, s učinkom od 1. januara 2010. Primjeri dozvoljenih formulacija prikazani su u nastavku. Da bi se kvalificirao za zdravstvenu tvrdnju o kalciju, dodatak prehrani mora sadržavati najmanje 20% referentnog unosa u prehrani, što za kalcij znači najmanje 260&nbsp;mg/porcija.

*"Odgovarajući unos kalcija tokom cijelog života, kao dio dobro uravnotežene prehrane, može smanjiti rizik od osteoporoze."
*"Odgovarajući unos kalcija kao dio zdrave prehrane, uz fizičku aktivnost, može smanjiti rizik od osteoporoze u kasnijem životu."
*"Odgovarajući unos kalcija i vitamina D tokom cijelog života, kao dio uravnotežene prehrane, može smanjiti rizik od osteoporoze."
*"Odgovarajući unos kalcija i vitamina D kao dio zdrave prehrane, uz fizičku aktivnost, može smanjiti rizik od osteoporoze u kasnijem životu."

Godine 2005., FDA je odobrila kvalificiranu zdravstvenu tvrdnju za kalcij i hipertenziju u svjetlu dokaza dostupnih u to vrijeme, s predloženom formulacijom "Neki naučni dokazi sugeriraju da suplementi kalcija mogu smanjiti rizik od hipertenzije. Međutim, FDA je utvrdila da su dokazi nedosljedni i da nisu konačni." Dokazi o hipertenziji izazvanoj trudnoćom i preeklampsiji smatrani su neuvjerljivima. Iste godine, FDA je odobrila QHC za kalcij i rak debelog crijeva, s predloženom formulacijom "Neki dokazi ukazuju na to da suplementi kalcija mogu smanjiti rizik od raka debelog crijeva/rektuma, međutim, FDA je utvrdila da su ti dokazi ograničeni i nisu konačni."  Dokazi za rak dojke i prostate smatrani su neuvjerljivima. Prijedlozi za QHC-ove za kalcij kao zaštitu od bubrežnih kamenaca ili od menstrualnih poremećaja ili bolova su odbijeni.

Evropska agencija za sigurnost hrane (EFSA) zaključila je da "kalcij doprinosi normalnom razvoju kostiju." EFSA je odbacila tvrdnju da postoji uzročno-posljedična veza između unosa kalcija i kalija putem prehrane i održavanja normalne kiselo-bazne ravnoteže. EFSA je također odbacila tvrdnje o kalciju i noktima, kosi, lipidima u krvi, predmenstruacijskom sindromu i održavanju tjelesne težine.

### Izvori hrane
Web stranica Ministarstva poljoprivrede Sjedinjenih Američkih Država (USDA) ima vrlo kompletnu tabelu sadržaja kalcija (u miligramima) u hrani s mogućnošću pretraživanja, po uobičajenim mjerama kao što su na 100 grama ili po normalnoj porciji.

### Mjerenje u krvi
Količina kalcija u krvi  (tačnije, u krvnoj plazmi) može se mjeriti kao *ukupni kalcij*, koji uključuje i kalcij vezan za proteine i slobodni kalcij. Nasuprot tome, *ionizirani kalcij* je mjera slobodnog kalcija. Abnormalno visok nivo kalcija u plazmi naziva se hiperkalcemija, a abnormalno nizak nivo se naziva hipokalcemija, pri čemu se "abnormalan" općenito odnosi na nivoe izvan referentnog raspona.

Glavni metodi za mjerenje kalcija u serumu su:
* Metoda s o-krezolfalein kompleksonom; Nedostatak ove metode je što hlapljiva priroda 2-amino-2-metil-1-propanola korištenog u ovoj metodi zahtijeva kalibraciju metode svakih nekoliko sati u kliničko-laboratorijskim uvjetima.
* Metod s arsenazo III; Ovaj metod je robusniji, ali arsen u reagensu predstavlja opasnost po zdravlje.

Ukupna količina Ca2+ prisutnog u tkivu može se izmjeriti korištenjem atomske apsorpcijske spektroskopije, u kojoj se tkivo isparava i sagorijeva. Za mjerenje koncentracije Ca2+ ili prostorne distribucije unutar ćelijske citoplazme *in vivo* ili *in vitro*, može se koristiti niz fluorescentnih reportera. To uključuje ćelijski propusne, kalcij-vezujuće fluorescentne boje kao što su Fura-2 ili genetički modificirana varijanta zelenog fluorescentnog proteina (GFP) nazvana Cameleon.

#### Korigirani kalcij
Budući da pristup ioniziranom kalciju nije uvijek dostupan, umjesto toga se može koristiti korigirani kalcij. Za izračunavanje korigiranog kalcija u mmol/L uzima se ukupni kalcij u mmol/L i dodaje se ((40 minus serumski albumin u g/L) pomnoženo sa 0,02). Međutim, postoji kontroverza oko korisnosti korigovanog kalcija jer možda nije bolji od ukupnog kalcija. Može biti korisnije korigovati ukupni kalcijum i za albumin i za anionski jaz.

## Ostale životinje 
### Kičmenjaci
Kod kičmenjaka , kalcijevi ioni, kao i mnogi drugi ioni, od toliko su vitalnog značaja za mnoge fiziološke procese da se njihova koncentracija održava unutar određenih granica kako bi se osigurala adekvatna homeostaza. To dokazuje ljudski kalcij plazme, koji je jedna od najreguliranijih fizioloških varijabli u ljudskom tijelu. Normalni nivoi u plazmi variraju između 1 i 2% u bilo kojem datom vremenu. Otprilike polovina ioniziranog kalcija cirkulira u svom nevezanom obliku, dok je druga polovina u kompleksu s proteinima plazme kao što je albumin, kao i anioni, uključujući bikarbonat, citrat, fosfat i sulfat.

[thumb|250px|[homeostaza|Regulacija kalcija u ljudskom tijelu ]]
Različita tkiva sadrže kalcij u različitim koncentracijama. Na primjer, Ca2+ (uglavnom kalcij-fosfat i nešto kalcij-sulfat) je najvažniji (i specifični) element kostiju i kalcificirane hrskavice. Kod ljudi, ukupni sadržaj kalcija u tijelu prisutan je uglavnom u obliku koštanog minerala (otprilike 99%). U ovom stanju, on je uglavnom nedostupan za razmjenu/bioraspoloživost. Način da se ovo prevaziđe je proces resorpcije kostiju, u kojem se kalcij oslobađa u krvotok djelovanjem koštanih osteoklasta. Ostatak kalcija prisutan je u ekstracelularnim i intracelularnim tekućinama.

Unutar tipske ćelije, unutarćelijska koncentracija ioniziranog kalcija je otprilike 100 nM, ali je podložna povećanju od 10 do 100 puta tokom različitih ćelijskih funkcija. Intracelularni nivo kalcija održava se relativno niskim u odnosu na vanćelijsku tečnost, približno 12.000 puta većim. Ovaj gradijent se održava putem različitih plazmamembranskih kalcijskih pumpi koje koriste ATP za energiju, kao i značajnim skladištenjem unutar intracelularnih odjeljaka. U električno podražljivim ćelijama, kao što su skeletni i srčani mišići i neuroni, depolarizacija membrane dovodi do prolaznog Ca2+ sa citosolnom koncentracijom Ca2+ koja dostiže oko 1 μM. Mitohondrije su sposobne da vezivaju i skladište dio tog Ca2+. Procijenjeno je da koncentracija slobodnog kalcija u mitohondrijskom matriksu raste do desetina mikromolarnih nivoa *in situ'' tokom neuronske aktivnosti.

#### Efekti 
Efekti kalcija na ljudske ćelije su specifični, što znači da različite vrste ćelija reaguju na različite načine. Međutim, u određenim okolnostima, njegovo djelovanje može biti općije. Ca2+ ioni su jedni od najrasprostranjenijih drugih glasnika koji se koriste u transdukciji signala. Oni ulaze u citoplazmu ili izvan ćelije kroz ćelijsku membranu putem kalcijumskih kanala (kao što su proteini koji vezuju kalcijum ili naponski kontrolisani kalcijski kanali), ili iz nekih unutrašnjih skladišta kalcija kao što je endoplazmatski retikulum Međutim, disfunkcija unutar ovih Ca2+-aktiviranih puteva može dovesti do povećanja tonusa uzrokovanog nereguliranom kontrakcijom glatkih mišića. Ova vrsta disfunkcije može se vidjeti kod kardiovaskularnih bolesti, hipertenzija i dijabetesa.

Koordinacija kalcija ima važnu ulogu u definiranju strukture i funkcije proteina. Primjer proteina s koordinacijom kalcija je von Willebrandov faktor (vWF) koji ima bitnu ulogu u procesu stvaranja krvnog ugruška. Mjerenjem pojedinačnih molekula optičkom pincetom otkriveno je da vWF vezan za kalcij djeluje kao senzor sile smicanja u krvi. Sila smicanja dovodi do razmotavanja A2 domena vWF,  čija se brzina ponovnog savijanja dramatično povećava u prisustvu kalcija.

#### Adaptacija 
Protok Ca2+ iona reguliše nekoliko sekundarnih sistema glasnika u neuralnoj adaptaciji za vizuelni, slušni i olfaktorni sistem. Često može biti vezan za kalmodulin, kao što je to slučaj u olfaktornom sistemu, kako bi pojačao ili potisnuo kationske kanale. U drugim slučajevima, promjena nivoa kalcija može zapravo osloboditi gvanilil-ciklazu od inhibicije, kao u sistemu fotorecepcije. Ca2+ ion također može odrediti brzinu adaptacije u nervnom sistemu, ovisno o receptorima i proteinima koji imaju različit afinitet za detekciju nivoa kalcija, kako bi otvorili ili zatvorili kanale pri visokoj i niskoj koncentraciji kalcija u ćeliji u tom trenutku.

, prikazujući nivoe kalcija ljubičastom bojom desno]]

#### Negativni efekti i patologija 
Značajno smanjenje koncentracije ekstracelularnih Ca2+ iona može rezultirati stanjem poznatim kao hipokalcemijska tetanija, koje se karakterizira spontanim pražnjenjem motornih neurona. Osim toga, teška hipokalcemija će početi utjecati na aspekte koagulacije krvi i transdukcije signala.

Ca2+ ioni mogu oštetiti ćelije ako uđu u prevelikom broju (na primjer, u slučaju eksitotoksičnosti ili prekomjerne ekscitacije neuralnih krugova, što se može dogoditi kod neurodegenerativnih bolesti ili nakon povreda kao što su trauma mozga ili moždani udar). Prekomjerni unos kalcija u ćeliju može je oštetiti ili čak uzrokovati apoptozu, odnosno smrt nekrosoma. Kalcij također djeluje kao jedan od primarnih regulatora osmotskog stresa (osmotski šok). Hronično povišen kalcij u plazmi (hiperkalcemija) povezan je sa srčanim aritmijama i smanjenom neuromuskularnom ekscitabilnošću. Jedan od uzroka hiperkalcemije je stanje poznato kao hiperparatireoidizam.

### Beskičmenjaci 
Neki beskičmenjaci koriste kalcijeve spojeve za izgradnju svog egzoskeleta (ljušture i oklopa) ili endoskeleta (bodljokožne ploče i krečnjačke spikule) kod  Porifera.

## Biljke 
### Zatvaranje stoma
[thumb|Kalcij GCaMP reporter u polenovoj cijevi [paradajza]]
Kada abscisinska kiselina signalizira ćelijama čuvarima, slobodni Ca2+ ioni ulaze u citosol i izvan ćelije i iz unutrašnjih rezervi, preokrećući gradijent koncentracije tako da K+ ioni počinju izlaziti iz ćelije. Gubitak rastvorenih materija čini ćeliju mlitavom i zatvara stomske pore.

### Ćelijska dioba 
Kalcij je neophodan ion u formiranju mitotskog vretena. Bez mitotsog vretena, ćelijska dioba se ne može dogoditi. Iako mladi listovi imaju veću potrebu za kalcijem, stariji listovi sadrže veće količine kalcija jer je relativno nepokretan kroz biljku. Ne transportuje se kroz floem jer se može vezati s drugim hranjivim ionima i precipitirati iz tečnih rastvora.

### Strukturne uloge 
Ca2+ ioni su esencijalna komponenta biljnih [ćelijski zid|[ćelijskih zidova]] i ćelijskih membrana, i koriste se kao kationi za uravnoteženje organskih aniona u biljnoj vakuoli.  Koncentracija Ca2+ u vakuoli može dostići milimolarne nivoe. Najupečatljivija upotreba Ca2+ iona kao strukturnog elementa u algama javlja se u morskim kokolitoforama, koje koriste Ca2+ za formiranje ploča kalcij-karbonata, kojima su prekrivene.

Kalcij je potreban za formiranje pektina u srednjoj lameli novoformiranih ćelija.

Kalcij je potreban za stabilizaciju propusnosti ćelijskih membrana. Bez kalcija, ćelijski zidovi nisu u stanju stabilizirati i zadržati svoj sadržaj. Ovo je posebno važno u razvoju plodova. Bez kalcija, ćelijski zidovi su slabi i ne mogu zadržati sadržaj ploda.

Neke biljke akumuliraju Ca u svojim tkivima, čineći ih tako čvršćim. Kalcij se skladišti kao kristali Ca-oksalata u plastidima.

### Ćelijska signalizacija 
Ca2+ ioni se obično drže na nanomolarnim nivoima u citosolu biljnih ćelija i djeluju u brojnim putevima prenosa signala kao drugi glasnici.

## Također pogledajte
* Biologija i farmakologija hemijskih elemenata
*Jod u biologiji
*Magnezij u biologiji
*Osteoporoza
*Kalij u biologiji
*Selen u biologiji
*Natrij u biologiji
*Vitamin D

## Reference 
## Vanjski linkovi 
* United States Department of Agriculture: Vitamin D and Calcium 
* National Osteoporosis Foundation: Calcium and vitamin D

Kategorija:Biološki sistemi
Kategorija:Biologija i farmakologija hemijskih elemenata
Biologija
Kategorija:Kalcijska signalizacija
Kategorija:Dijetetski minerali
Kategorija:Ishrana
Kategorija:Transdukcija signala