Los iones de calcio (Ca 2+ ) contribuyen a la fisiología y bioquímica de las células de los organismos . Desempeñan un papel importante en las vías de transducción de señales , [2] [3] donde actúan como segundo mensajero , en la liberación de neurotransmisores de las neuronas , en la contracción de todos los tipos de células musculares y en la fertilización . Muchas enzimas requieren iones de calcio como cofactor , incluidos varios de los factores de coagulación . El calcio extracelular también es importante para mantener la diferencia de potencial entre las membranas celulares excitables , así como para la formación adecuada de hueso.
Los niveles de calcio en plasma en los mamíferos están estrechamente regulados, [2] [3] y el hueso actúa como el principal lugar de almacenamiento de minerales . Los iones de calcio , Ca 2+ , se liberan del hueso al torrente sanguíneo en condiciones controladas. El calcio se transporta a través del torrente sanguíneo en forma de iones disueltos o unido a proteínas como la albúmina sérica . La hormona paratiroidea secretada por la glándula paratiroidea regula la resorción de Ca 2+ del hueso, la reabsorción en el riñón nuevamente a la circulación y aumenta la activación de la vitamina D 3 a calcitriol . El calcitriol, la forma activa de la vitamina D 3 , promueve la absorción de calcio en los intestinos y los huesos. La calcitonina secretada por las células parafoliculares de la glándula tiroides también afecta los niveles de calcio al oponerse a la hormona paratiroidea; sin embargo, su importancia fisiológica en humanos es dudosa.
El calcio intracelular se almacena en orgánulos que liberan repetidamente y luego reacumulan iones Ca 2+ en respuesta a eventos celulares específicos: los sitios de almacenamiento incluyen las mitocondrias y el retículo endoplásmico . [4]
Las concentraciones características de calcio en organismos modelo son: en E. coli 3 mM (unido), 100 nM (libre), en levadura en ciernes 2 mM (unido), en células de mamíferos 10-100 nM (libre) y en plasma sanguíneo 2 mM. [5]
En 2021, el calcio ocupó el puesto 243 entre los medicamentos más recetados en los Estados Unidos, con más de 1 millón de recetas. [8] [9]
El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) estableció cantidades dietéticas recomendadas (RDA) de calcio en 1997 y actualizó esos valores en 2011. [6] Ver tabla. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) utiliza el término ingesta de referencia poblacional (PRI) en lugar de RDA y establece números ligeramente diferentes: edades de 4 a 10 800 mg, edades de 11 a 17 1150 mg, edades de 18 a 24 1000 mg y >25 años 950 mg. [10]
Debido a la preocupación por los efectos secundarios adversos a largo plazo, como la calcificación de las arterias y los cálculos renales, el IOM y la EFSA establecen niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para la combinación de calcio dietético y suplementario. Según el IOM, las personas de entre 9 y 18 años no deben exceder los 3000 mg/día; para edades de 19 a 50 años, no exceder los 2500 mg/día; para mayores de 51 años, sin exceder los 2000 mg/día. [11] La EFSA fijó el UL en 2500 mg/día para adultos, pero decidió que la información para niños y adolescentes no era suficiente para determinar los UL. [12]
Para fines de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como porcentaje del valor diario (%DV). Para fines de etiquetado de calcio, el 100% del valor diario era 1000 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 1300 mg para que coincidiera con la dosis diaria recomendada. [13] [14] Se proporciona una tabla de los valores diarios antiguos y nuevos para adultos en Ingesta diaria de referencia .
Aunque, como regla general, el etiquetado y la comercialización de los suplementos dietéticos no están permitidos para hacer afirmaciones sobre prevención o tratamiento de enfermedades, la FDA ha revisado la ciencia para algunos alimentos y suplementos dietéticos, ha llegado a la conclusión de que existe un acuerdo científico significativo y ha publicado declaraciones de salud permitidas redactadas específicamente. . Una resolución inicial que permitía una declaración de propiedades saludables para los suplementos dietéticos de calcio y la osteoporosis se modificó posteriormente para incluir suplementos de calcio y vitamina D , a partir del 1 de enero de 2010. A continuación se muestran ejemplos de redacción permitida. Para calificar para la declaración de propiedades saludables de calcio, un suplemento dietético debe contener al menos el 20 % de la ingesta dietética de referencia, lo que para el calcio significa al menos 260 mg/porción. [15]
En 2005, la FDA aprobó una Declaración de salud calificada para el calcio y la hipertensión, con el texto sugerido: "Alguna evidencia científica sugiere que los suplementos de calcio pueden reducir el riesgo de hipertensión. Sin embargo, la FDA ha determinado que la evidencia es inconsistente y no concluyente". La evidencia de hipertensión y preeclampsia inducida por el embarazo no se consideró concluyente. [16] El mismo año, la FDA aprobó un QHC para el calcio y el cáncer de colon, con el texto sugerido: "Algunas pruebas sugieren que los suplementos de calcio pueden reducir el riesgo de cáncer de colon/rectal; sin embargo, la FDA ha determinado que esta evidencia es limitada y no concluyente". ". La evidencia sobre el cáncer de mama y el cáncer de próstata se consideró no concluyente. [17] Se rechazaron las propuestas de QHC para el calcio como protector contra los cálculos renales o contra los trastornos menstruales o el dolor. [18] [19]
La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) concluyó que "el calcio contribuye al desarrollo normal de los huesos". [20] La EFSA rechazó la afirmación de que existía una relación de causa y efecto entre la ingesta dietética de calcio y potasio y el mantenimiento del equilibrio ácido-base normal. [21] La EFSA también rechazó las reclamaciones relativas al calcio y las uñas, el cabello, los lípidos en sangre, el síndrome premenstrual y el mantenimiento del peso corporal. [22]
El sitio web del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) tiene una tabla de búsqueda muy completa sobre el contenido de calcio (en miligramos) en los alimentos, por medidas comunes, como por 100 gramos o por porción normal. [23] [24]
La cantidad de calcio en la sangre (más específicamente, en el plasma sanguíneo ) se puede medir como calcio total , que incluye tanto el calcio libre como el unido a proteínas. Por el contrario, el calcio ionizado es una medida de calcio libre. Un nivel anormalmente alto de calcio en plasma se denomina hipercalcemia y un nivel anormalmente bajo se denomina hipocalcemia ; "anormal" generalmente se refiere a niveles fuera del rango de referencia .
Los principales métodos para medir el calcio sérico son: [32]
La cantidad total de Ca 2+ presente en un tejido se puede medir mediante espectroscopia de absorción atómica , en la que el tejido se vaporiza y quema. Para medir la concentración de Ca 2+ o la distribución espacial dentro del citoplasma celular in vivo o in vitro , se puede utilizar una variedad de indicadores fluorescentes . Estos incluyen tintes fluorescentes permeables a las células que se unen al calcio, como Fura-2 , o una variante genéticamente modificada de la proteína verde fluorescente (GFP, por sus siglas en inglés) llamada Cameleon .
Como no siempre se dispone de acceso a calcio ionizado, se puede utilizar en su lugar calcio corregido. Para calcular el calcio corregido en mmol/L, se toma el calcio total en mmol/L y se lo suma a ((40 menos la albúmina sérica en g/L) multiplicado por 0,02). [33] Sin embargo, existe controversia sobre la utilidad del calcio corregido, ya que puede no ser mejor que el calcio total. [34] Puede ser más útil corregir el calcio total tanto para la albúmina como para la brecha aniónica . [35] [36]
En los vertebrados , los iones calcio, como muchos otros iones, son de tal importancia vital para muchos procesos fisiológicos que su concentración se mantiene dentro de límites específicos para asegurar una homeostasis adecuada. Esto se evidencia en el calcio plasmático humano , que es una de las variables fisiológicas mejor reguladas en el cuerpo humano. Los niveles plasmáticos normales varían entre 1 y 2% en un tiempo determinado. Aproximadamente la mitad de todo el calcio ionizado circula en su forma libre, y la otra mitad forma complejos con proteínas plasmáticas como la albúmina , así como con aniones que incluyen bicarbonato , citrato , fosfato y sulfato . [37]
Diferentes tejidos contienen calcio en diferentes concentraciones. Por ejemplo, el Ca 2+ (principalmente fosfato cálcico y algo de sulfato cálcico ) es el elemento más importante (y específico) del hueso y del cartílago calcificado . En los seres humanos, el contenido corporal total de calcio está presente principalmente en forma de mineral óseo (aproximadamente el 99%). En este estado, en gran medida no está disponible para intercambio/biodisponibilidad. La forma de superar esto es mediante el proceso de resorción ósea , en el que el calcio se libera al torrente sanguíneo mediante la acción de los osteoclastos óseos . El resto del calcio está presente en los líquidos extracelular e intracelular.
Dentro de una célula típica, la concentración intracelular de calcio ionizado es aproximadamente de 100 nM, pero está sujeta a aumentos de 10 a 100 veces durante diversas funciones celulares. El nivel de calcio intracelular se mantiene relativamente bajo con respecto al líquido extracelular, en una magnitud aproximada de 12.000 veces. Este gradiente se mantiene a través de varias bombas de calcio de la membrana plasmática que utilizan ATP como energía, así como un almacenamiento considerable dentro de los compartimentos intracelulares. En las células eléctricamente excitables , como las neuronas y los músculos esqueléticos y cardíacos, la despolarización de la membrana conduce a un transitorio de Ca 2+ con una concentración citosólica de Ca 2+ que alcanza alrededor de 1 µM. [39] Las mitocondrias son capaces de secuestrar y almacenar parte de ese Ca 2+ . Se ha estimado que la concentración de calcio libre en la matriz mitocondrial aumenta a decenas de niveles micromolares in situ durante la actividad neuronal. [40]
Los efectos del calcio en las células humanas son específicos, lo que significa que diferentes tipos de células responden de diferentes maneras. Sin embargo, en determinadas circunstancias, su acción puede ser más general. Los iones Ca 2+ son uno de los segundos mensajeros más utilizados en la transducción de señales . Entran al citoplasma desde el exterior de la célula a través de la membrana celular a través de canales de calcio (como proteínas de unión a calcio o canales de calcio dependientes de voltaje), o desde algunos depósitos internos de calcio como el retículo endoplásmico [4] y las mitocondrias. . Los niveles de calcio intracelular están regulados por proteínas de transporte que lo eliminan de la célula. Por ejemplo, el intercambiador de sodio-calcio utiliza energía del gradiente electroquímico de sodio acoplando la entrada de sodio a la célula (y disminuyendo su gradiente de concentración) con el transporte de calcio fuera de la célula. Además, la Ca 2+ ATPasa (PMCA) de la membrana plasmática obtiene energía para bombear calcio fuera de la célula hidrolizando el trifosfato de adenosina (ATP). En las neuronas , los canales iónicos selectivos del calcio, dependientes del voltaje, son importantes para la transmisión sináptica mediante la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica mediante la fusión de vesículas sinápticas .
La función del calcio en la contracción muscular fue descubierta ya en 1882 por Ringer. Investigaciones posteriores revelaron su papel como mensajero aproximadamente un siglo después. Debido a que su acción está interconectada con el AMPc , se les llama mensajeros sinárquicos. El calcio puede unirse a varias proteínas diferentes moduladas por calcio, como la troponina C (la primera en identificarse) y la calmodulina , proteínas necesarias para promover la contracción muscular.
En las células endoteliales que recubren el interior de los vasos sanguíneos, los iones Ca 2+ pueden regular varias vías de señalización que hacen que el músculo liso que rodea los vasos sanguíneos se relaje. [ cita necesaria ] Algunas de estas vías activadas por Ca 2+ incluyen la estimulación de eNOS para producir óxido nítrico, así como la estimulación de los canales de K ca para expulsar K + y causar hiperpolarización de la membrana celular. Tanto el óxido nítrico como la hiperpolarización hacen que el músculo liso se relaje para regular la cantidad de tono en los vasos sanguíneos. [41] Sin embargo, la disfunción dentro de estas vías activadas por Ca 2+ puede conducir a un aumento en el tono causado por la contracción no regulada del músculo liso. Este tipo de disfunción se puede observar en enfermedades cardiovasculares, hipertensión y diabetes. [42]
La coordinación del calcio juega un papel importante en la definición de la estructura y función de las proteínas. Un ejemplo de proteína con coordinación del calcio es el factor von Willebrand (vWF), que tiene un papel esencial en el proceso de formación de coágulos sanguíneos. Mediante la medición con pinzas ópticas de una sola molécula se descubrió que el vWF unido a calcio actúa como un sensor de fuerza de corte en la sangre. La fuerza de corte conduce al despliegue del dominio A2 del vWF, cuya velocidad de replegamiento aumenta dramáticamente en presencia de calcio. [43]
El flujo de iones Ca 2+ regula varios sistemas de mensajeros secundarios en la adaptación neuronal para los sistemas visual, auditivo y olfativo. A menudo puede estar unido a la calmodulina , como en el sistema olfativo, para mejorar o reprimir los canales catiónicos. [44] Otras veces, el cambio en el nivel de calcio puede en realidad liberar la guanilil ciclasa de la inhibición, como en el sistema de fotorrecepción. [45] El ion Ca 2+ también puede determinar la velocidad de adaptación en un sistema neuronal dependiendo de los receptores y proteínas que tienen afinidad variada para detectar niveles de calcio para abrir o cerrar canales en altas concentraciones y bajas concentraciones de calcio en la célula en ese momento. [46]
Las disminuciones sustanciales en las concentraciones de iones Ca 2+ extracelulares pueden provocar una afección conocida como tetania hipocalcémica , que se caracteriza por una descarga espontánea de neuronas motoras . Además, la hipocalcemia grave comenzará a afectar aspectos de la coagulación sanguínea y la transducción de señales.
Los iones Ca 2+ pueden dañar las células si entran en cantidades excesivas (por ejemplo, en el caso de excitotoxicidad o sobreexcitación de los circuitos neuronales , que puede ocurrir en enfermedades neurodegenerativas , o después de lesiones como un traumatismo cerebral o un accidente cerebrovascular ). La entrada excesiva de calcio en una célula puede dañarla o incluso provocar que sufra apoptosis o muerte por necrosis . El calcio también actúa como uno de los principales reguladores del estrés osmótico ( shock osmótico ). El calcio plasmático crónicamente elevado ( hipercalcemia ) se asocia con arritmias cardíacas y disminución de la excitabilidad neuromuscular. Una causa de hipercalcemia es una condición conocida como hiperparatiroidismo .
Algunos invertebrados utilizan compuestos de calcio para construir su exoesqueleto ( conchas y caparazones ) o endoesqueleto ( placas de equinodermos y espículas calcáreas poríferas ).
Cuando el ácido abscísico envía una señal a las células protectoras, los iones Ca 2+ libres ingresan al citosol tanto desde el exterior de la célula como desde los depósitos internos, invirtiendo el gradiente de concentración para que los iones K+ comiencen a salir de la célula. La pérdida de solutos hace que la célula se vuelva flácida y cierre los poros estomáticos.
El calcio es un ion necesario en la formación del huso mitótico . Sin el huso mitótico no se puede producir la división celular . Aunque las hojas jóvenes tienen una mayor necesidad de calcio, las hojas más viejas contienen mayores cantidades de calcio porque el calcio está relativamente inmóvil a través de la planta. No se transporta a través del floema porque puede unirse con otros iones de nutrientes y precipitar en soluciones líquidas.
Los iones Ca 2+ son un componente esencial de las paredes y membranas celulares de las plantas y se utilizan como cationes para equilibrar los aniones orgánicos en la vacuola de la planta . [49] La concentración de Ca 2+ de la vacuola puede alcanzar niveles milimolares. El uso más llamativo de los iones Ca 2+ como elemento estructural en las algas se da en los cocolitóforos marinos , que utilizan el Ca 2+ para formar las placas de carbonato cálcico , con las que están recubiertos.
Se necesita calcio para formar la pectina en la laminilla media de las células recién formadas.
El calcio es necesario para estabilizar la permeabilidad de las membranas celulares . Sin calcio, las paredes celulares no pueden estabilizar ni retener su contenido. Esto es particularmente importante en el desarrollo de frutos. Sin calcio, las paredes celulares son débiles y no pueden retener el contenido de la fruta.
Algunas plantas acumulan Ca en sus tejidos, haciéndolos más firmes. El calcio se almacena como cristales de oxalato de Ca en los plastidios .
Los iones Ca 2+ generalmente se mantienen a niveles nanomolares en el citosol de las células vegetales y actúan en varias vías de transducción de señales como segundos mensajeros .