El metabolismo del calcio es el movimiento y la regulación de los iones de calcio (Ca 2+ ) dentro (a través del intestino ) y fuera (a través del intestino y los riñones ) del cuerpo, y entre los compartimentos del cuerpo: el plasma sanguíneo , los fluidos extracelulares e intracelulares , y hueso . El hueso actúa como un centro de almacenamiento de calcio para depósitos y retiros según lo necesite la sangre a través de una remodelación ósea continua . [1] : 276–277
Un aspecto importante del metabolismo del calcio es la homeostasis del calcio plasmático , la regulación de los iones de calcio en el plasma sanguíneo dentro de límites estrechos . [2] El nivel de calcio en plasma está regulado por las hormonas hormona paratiroidea (PTH) y calcitonina . La PTH es liberada por las células principales de las glándulas paratiroides cuando el nivel de calcio en plasma cae por debajo del rango normal para aumentarlo; La calcitonina es liberada por las células parafoliculares de la glándula tiroides cuando el nivel plasmático de calcio está por encima del rango normal para reducirlo.
El calcio es el mineral más abundante en el cuerpo humano . [3] El cuerpo adulto medio contiene en total aproximadamente 1 kg, el 99% en el esqueleto en forma de sales de fosfato cálcico . [3] El líquido extracelular (LEC) contiene aproximadamente 22 mmol, de los cuales aproximadamente 9 mmol se encuentran en el plasma . [4] Aproximadamente 10 mmol de calcio se intercambian entre el hueso y el LEC durante un período de veinticuatro horas. [5]
La concentración de iones de calcio dentro de las células (en el líquido intracelular ) es más de 7.000 veces menor que en el plasma sanguíneo (es decir, <0,0002 mmol/L, en comparación con 1,4 mmol/L en el plasma).
La concentración plasmática de calcio total está en el rango de 2,2 a 2,6 mmol/L (9 a 10,5 mg/dL), y el calcio ionizado normal es de 1,3 a 1,5 mmol/L (4,5 a 5,6 mg/dL). [4] La cantidad de calcio total en la sangre varía con el nivel de albúmina plasmática , la proteína más abundante en el plasma y, por lo tanto, el principal portador de calcio unido a proteínas en la sangre. Sin embargo, el efecto biológico del calcio está determinado por la cantidad de calcio ionizado , más que por el calcio total. Por lo tanto, es el nivel de calcio ionizado en plasma el que está estrechamente regulado para permanecer dentro de límites muy estrechos mediante sistemas homeostáticos de retroalimentación negativa .
Entre el 35 y el 50% del calcio plasmático está unido a proteínas y entre el 5 y el 10% está en forma de complejos con ácidos orgánicos y fosfatos. El resto (50-60%) está ionizado. El calcio ionizado puede determinarse directamente mediante colorimetría o leerse a partir de nomogramas , aunque la utilidad de estos últimos es limitada cuando el pH y el contenido de proteínas del plasma se desvían mucho de lo normal. [4]
El calcio tiene varias funciones principales en el cuerpo.
Se une fácilmente a proteínas, particularmente aquellas con aminoácidos cuyas cadenas laterales terminan en grupos carboxilo (-COOH) (por ejemplo, residuos de glutamato). Cuando se produce dicha unión, las cargas eléctricas en la cadena de la proteína cambian, provocando que cambie la estructura terciaria de la proteína (es decir, su forma tridimensional). Buenos ejemplos de esto son varios de los factores de coagulación en el plasma sanguíneo, que no funcionan en ausencia de iones de calcio, pero se vuelven completamente funcionales al agregar la concentración correcta de sales de calcio.
Los canales de iones de sodio dependientes de voltaje en las membranas celulares de los nervios y músculos son particularmente sensibles a la concentración de iones de calcio en el plasma. [6] Las disminuciones relativamente pequeñas en los niveles de calcio ionizado en plasma ( hipocalcemia ) hacen que estos canales filtren sodio hacia las células nerviosas o los axones, volviéndolos hiperexcitables ( efecto batmotrópico positivo ), causando así espasmos musculares espontáneos ( tetania ) y parestesia ( la sensación de "hormigueo") de las extremidades y alrededor de la boca. [7] Cuando el calcio ionizado en plasma aumenta por encima de lo normal ( hipercalcemia ), se une más calcio a estos canales de sodio, lo que tiene un efecto batmotrópico negativo sobre ellos, provocando letargo, debilidad muscular, anorexia, estreñimiento y emociones lábiles. [7]
Debido a que la concentración de iones de calcio intracelular es extremadamente baja (ver arriba), la entrada de cantidades mínimas de iones de calcio desde el retículo endoplásmico o desde los fluidos extracelulares causa cambios rápidos, muy marcados y fácilmente reversibles en la concentración relativa de estos iones en el citosol . Por lo tanto, esto puede servir como una señal intracelular (o " segundo mensajero ") muy eficaz en una variedad de circunstancias, incluida la contracción muscular , la liberación de hormonas (por ejemplo, insulina de las células beta en los islotes pancreáticos ) o neurotransmisores (por ejemplo, acetilcolina de pre -terminales sinápticas de los nervios) y otras funciones.
El calcio actúa estructuralmente como material de soporte en los huesos como hidroxiapatita de calcio (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ).
En el músculo esquelético y cardíaco , los iones de calcio, liberados del retículo sarcoplásmico (el retículo endoplásmico de los músculos estriados ), se unen a la proteína troponina C presente en los finos filamentos de las miofibrillas que contienen actina . Como resultado, la estructura tridimensional de la troponina cambia , lo que hace que la tropomiosina a la que está unida se aleje de los sitios de unión de miosina en las moléculas de actina que forman la columna vertebral de los filamentos delgados. Luego, la miosina puede unirse a los sitios de unión de miosina expuestos en el filamento delgado, para sufrir una serie repetida de cambios conformacionales llamados ciclo de puentes cruzados , para los cuales el ATP proporciona la energía. Durante el ciclo, cada proteína de miosina "rema" a lo largo del fino filamento de actina, uniéndose repetidamente a los sitios de unión de miosina a lo largo del filamento de actina, moviéndose y soltándose. En efecto, el filamento grueso se mueve o se desliza a lo largo del filamento delgado, dando como resultado la contracción muscular . Este proceso se conoce como modelo de contracción muscular de filamentos deslizantes . [8] [9] [10] [11] [12]
No todo el calcio de la dieta se puede absorber fácilmente en el intestino. El calcio que se absorbe más fácilmente se encuentra en los productos lácteos (72%), verduras (7%), cereales (5%), legumbres (4%), frutas (3%), proteínas (3%). El calcio contenido en la materia vegetal a menudo forma complejos con fitatos , [13] oxalatos , [14] citrato y otros ácidos orgánicos, como los ácidos grasos de cadena larga (por ejemplo, ácido palmítico ), con los que el calcio se une para formar jabones de calcio insolubles. [15]
El flujo de calcio hacia y desde el hueso puede ser positivo, negativo o neutro. Cuando es neutro, se renuevan entre 5 y 10 mmol al día. Los huesos sirven como un importante punto de almacenamiento de calcio, ya que contienen el 99% del calcio total del cuerpo. La liberación de calcio de los huesos está regulada por la hormona paratiroidea junto con el calcitriol producido en el riñón bajo la influencia de la PTH. La calcitonina (una hormona secretada por la glándula tiroides cuando los niveles plasmáticos de calcio ionizado son altos o están aumentando; no debe confundirse con el "calcitriol" que se fabrica en el riñón) estimula la incorporación de calcio en los huesos.
La dieta normal de un adulto contiene unos 25 mmol de calcio al día. Sólo alrededor de 5 mmol de esto se absorben en el cuerpo por día (ver más abajo). [dieciséis]
El calcio se absorbe a través de la membrana del borde en cepillo de las células epiteliales intestinales . Se propuso que el canal TRPV6 fuera el actor principal en la absorción intestinal de Ca 2+ . [17] Sin embargo, los ratones Trpv6 KO no mostraron una reducción significativa de los niveles de calcio sérico y mostraron una absorción intestinal de Ca 2+ solo ligeramente reducida [17] o incluso sin cambios , [18] [19], lo que indica que deben existir otras vías de absorción. Recientemente, TRPM7 se vinculó con la absorción intestinal de calcio. Los autores pudieron demostrar que la eliminación intestinal de TRPM7 da como resultado niveles de calcio fuertemente reducidos en suero y huesos, [20] y niveles intensamente aumentados de calcitriol y PTH , lo que indica que TRPM7 es esencial para la absorción intestinal masiva de calcio. Después de la absorción celular, el calcio se une inmediatamente a la calbindina , una proteína fijadora de calcio dependiente de la vitamina D. La calbindina transfiere el calcio directamente al retículo endoplasmático de la célula epitelial , a través del cual el calcio se transfiere a la membrana basal en el lado opuesto de la célula, sin ingresar a su citosol o líquido intracelular. Desde allí, las bombas de calcio ( PMCA1 ) transportan activamente calcio al cuerpo. [21] El transporte activo de calcio ocurre principalmente en la porción del duodeno del intestino cuando la ingesta de calcio es baja; y a través del transporte paracelular pasivo en las partes del yeyuno y del íleon cuando la ingesta de calcio es alta, independientemente del nivel de vitamina D. [22]
La absorción activa de calcio en el intestino está regulada por la concentración de calcitriol (o 1,25 dihidroxicolecalciferol o 1,25 dihidroxivitamina D 3 ) en la sangre. El calcitriol es un derivado del colesterol. Bajo la influencia de la luz ultravioleta sobre la piel, el colesterol se convierte en previtamina D 3 que se isomeriza espontáneamente en vitamina D 3 (o colecalciferol). Luego se convierte de colecalciferol a calcifediol en el hígado. [23] Bajo la influencia de la hormona paratiroidea , los riñones convierten el calcifediol en la hormona activa calcitriol, que actúa sobre las células epiteliales ( enterocitos ) que recubren el intestino delgado para aumentar la tasa de absorción de calcio del contenido intestinal. En resumen, el ciclo es el siguiente:
Los niveles bajos de PTH en la sangre (que ocurren en condiciones fisiológicas cuando los niveles de calcio ionizado en plasma son altos) inhiben la conversión de colecalciferol en calcitriol, que a su vez inhibe la absorción de calcio en el intestino. Lo contrario sucede cuando los niveles de calcio ionizado en plasma son bajos: la hormona paratiroidea se secreta en la sangre y los riñones convierten más calcifediol en calcitriol activo, lo que aumenta la absorción de calcio en el intestino. [24]
Dado que aproximadamente 15 mmol de calcio se excretan en el intestino a través de la bilis por día, [4] la cantidad total de calcio que llega al duodeno y al yeyuno cada día es de aproximadamente 40 mmol (25 mmol de la dieta más 15 mmol de la bilis). , de los cuales, en promedio, 20 mmol se absorben (regresan) a la sangre. El resultado neto es que el intestino absorbe alrededor de 5 mmol más de calcio del que se excreta a través de la bilis. Si no hay una formación ósea activa (como en la infancia) o una mayor necesidad de calcio durante el embarazo y la lactancia, los 5 mmol de calcio que se absorben en el intestino compensan las pérdidas urinarias que sólo están parcialmente reguladas. [dieciséis]
Los riñones filtran 250 mmol de iones de calcio al día en proorina (o filtrado glomerular ) y reabsorben 245 mmol, lo que lleva a una pérdida neta promedio en la orina de aproximadamente 5 mmol/día. La cantidad de iones de calcio excretados en la orina por día está parcialmente bajo la influencia del nivel plasmático de la hormona paratiroidea (PTH): niveles altos de PTH disminuyen la tasa de excreción de iones de calcio y niveles bajos la aumentan. [nota 1] Sin embargo, la hormona paratiroidea tiene un mayor efecto sobre la cantidad de iones fosfato (HPO 4 2− ) excretados en la orina. [25] Los fosfatos forman sales insolubles en combinación con iones de calcio. Por lo tanto, las altas concentraciones de HPO 4 2− en el plasma reducen el nivel de calcio ionizado en los líquidos extracelulares. Por tanto, la excreción de más iones fosfato que calcio en la orina aumenta el nivel de calcio ionizado en plasma, aunque la concentración de calcio total podría disminuir.
El riñón influye de otra manera en la concentración plasmática de calcio ionizado. Procesa la vitamina D 3 en calcitriol , la forma activa más eficaz para promover la absorción intestinal de calcio. Esta conversión de vitamina D 3 en calcitriol también se ve favorecida por niveles elevados de hormona paratiroidea en plasma. [24] [26]
La mayor parte de la excreción del exceso de calcio se realiza a través de la bilis y las heces, porque los niveles plasmáticos de calcitriol (que en última instancia dependen de los niveles plasmáticos de calcio) regulan la cantidad de calcio biliar que se reabsorbe del contenido intestinal.
La excreción urinaria de calcio normalmente es de unos 5 mmol (200 mg)/día. Esto es menor en comparación con lo que se excreta a través de las heces (15 mmol/día).
La concentración plasmática de calcio ionizado está regulada dentro de límites estrechos (1,3 a 1,5 mmol/L). Esto se logra porque tanto las células parafoliculares de la glándula tiroides como las glándulas paratiroides detectan (es decir, miden) constantemente la concentración de iones de calcio en la sangre que fluye a través de ellas.
Cuando aumenta la concentración de calcio, las células parafoliculares de la glándula tiroides aumentan su secreción de calcitonina , una hormona polipeptídica, en la sangre. Al mismo tiempo, las glándulas paratiroides reducen la secreción de hormona paratiroidea (PTH), también una hormona polipeptídica, en la sangre. Los altos niveles resultantes de calcitonina en la sangre estimulan a los osteoblastos en los huesos para eliminar el calcio del plasma sanguíneo y depositarlo en forma de hueso.
Los niveles reducidos de PTH inhiben la eliminación de calcio del esqueleto. Los niveles bajos de PTH tienen varios otros efectos: hay una mayor pérdida de calcio en la orina, pero lo más importante es que se inhibe la pérdida de iones fosfato a través de la orina. Por lo tanto, los iones fosfato quedarán retenidos en el plasma, donde forman sales insolubles con los iones de calcio, eliminándolos así de la reserva de calcio ionizado en la sangre. Los niveles bajos de PTH también inhiben la formación de calcitriol (que no debe confundirse con calcitonina ) a partir de colecalciferol (vitamina D 3 ) por los riñones.
La reducción de la concentración sanguínea de calcitriol actúa (relativamente lentamente) sobre las células epiteliales ( enterocitos ) del duodeno, inhibiendo su capacidad para absorber calcio del contenido intestinal. [2] [5] [28] [29] Los niveles bajos de calcitriol también actúan sobre el hueso, lo que hace que los osteoclastos liberen menos iones de calcio en el plasma sanguíneo. [25]
Cuando el nivel de calcio ionizado en plasma es bajo o cae sucede lo contrario. Se inhibe la secreción de calcitonina y se estimula la secreción de PTH, lo que da como resultado la eliminación del calcio del hueso para corregir rápidamente el nivel de calcio plasmático. Los niveles elevados de PTH en plasma inhiben la pérdida de calcio a través de la orina al tiempo que estimulan la excreción de iones fosfato por esa vía. También estimulan a los riñones para que produzcan calcitriol (una hormona esteroide), que mejora la capacidad de las células que recubren el intestino para absorber el calcio del contenido intestinal en la sangre, al estimular la producción de calbindina en estas células. La producción de calcitriol estimulada por PTH también hace que el calcio se libere del hueso a la sangre, mediante la liberación de RANKL (una citocina u hormona local ) de los osteoblastos , lo que aumenta la actividad de resorción ósea por parte de los osteoclastos. Sin embargo, estos son procesos relativamente lentos [2] [5] [25] [28] [29]
Por lo tanto, la regulación rápida a corto plazo del nivel de calcio ionizado en plasma implica principalmente movimientos rápidos de calcio dentro o fuera del esqueleto. La regulación a largo plazo se logra regulando la cantidad de calcio absorbido en el intestino o perdido a través de las heces. [2] [5] [28] [29]
La hipocalcemia (nivel bajo de calcio en sangre) y la hipercalcemia (nivel alto de calcio en sangre) son trastornos médicos graves. La osteoporosis , la osteomalacia y el raquitismo son trastornos óseos relacionados con alteraciones del metabolismo del calcio y los efectos de la vitamina D. La osteodistrofia renal es una consecuencia de la insuficiencia renal crónica relacionada con el metabolismo del calcio.
Una dieta suficientemente rica en calcio puede reducir la pérdida de calcio de los huesos a medida que avanza la edad (posmenopáusica ) . [30] Una ingesta baja de calcio en la dieta puede ser un factor de riesgo en el desarrollo de osteoporosis en la vejez; y una dieta con cantidades adecuadas sostenidas de calcio puede reducir el riesgo de osteoporosis.
El papel que podría tener el calcio en la reducción de las tasas de cáncer colorrectal ha sido objeto de muchos estudios. Sin embargo, dada su modesta eficacia, actualmente no existe ninguna recomendación médica para utilizar calcio para la reducción del cáncer.
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