Wapń | Calcium

1.1. Historia i pochodzenie

Czysty tlenek wapnia po raz pierwszy został opisany przez niemieckiego chemika Potta w roku 1746. Niemal dziesięć lat później szkocki lekarz i chemik Joseph Black, udowodnił, że ogrzewanie kamienia wapiennego (węglanu wapnia) powoduje utratę masy próbki, z tytułu wytwarzania “zepsutego powietrza”, którym był dwutlenek węgla (eksperyment ten miał potwierdzić, że CO2 jest wydzielany podczas oddychania zwierząt oraz w wyniku fermentacji mikrobiologicznej). W roku 1808 brytyjski chemik Davy Humphrey, przeprowadził elektrolizę wilgotnego wapna (CaO) z tlenkiem rtęci (HgO), w wyniku czego otrzymał metaliczny wapń. W trakcie tej reakcji rtęć tworzyła z tym metalem amalgamat, z którego była odparowywana, dzięki czemu uzyskano czysty wapń. W tym samym roku inni naukowcy, Berzelius i Pontin, skutecznie przeprowadzili to samo doświadczenie, niezależnie od Davy’ego.

Organizm człowieka zawiera od 900 do 1300 g wapnia, co stanowi około 1,5% masy ciała. Blisko 100% tego pierwiastka wchodzi w skład kości, gdzie występuje w postaci kryształów hydroksyapatytu. Kationy wapnia łączą się w tej tkance z innymi jonami. Tylko 1%, tego znajdującego się w kościach minerału, ulega swobodnej wymianie z wapniem pochodzącym z płynu pozakomórkowego i buforuje zmiany zachodzące w jego bilansie. Niemalże połowa całkowitej zawartości tego pierwiastka w surowicy występuje w postaci związanej, głównie z albuminami. Pozostała jego część to wapń zjonizowany oraz skompleksowany, czyli związany z jonami fosforanowymi i cytrynianowymi. Wchłanianie tego minerału odbywa się w jelicie cienkim oraz w niewielkiej ilości w okrężnicy, wskutek dyfuzji ułatwionej (gdy jego podaż jest niewystarczająca) lub biernej (przy większym spożyciu). Nadmiar wapnia jest skutecznie usuwany z organizmu wraz z kałem i moczem.

Główną przyczyną niedoboru wapnia (hipokalcemii) jest jego zbyt niska zawartość w diecie oraz wprowadzanie do organizmu składników, które utrudniają jego przyswajanie. Są to: jony magnezu, fityniany, tłuszcze nasycone, błonnik pokarmowy czy celuloza. Niedostateczna podaż wapnia w diecie może być przyczyną wielu poważnych objawów. Wśród dzieci obserwuje się:

• krzywicę
• deformację kości
• późne ząbkowanie i chodzenie
• nadmierną płaczliwość w nocy
• zbyt obfite pocenie się
• skrzywienie kręgosłupa i kończyn dolnych

Ponadto niedobór wapnia skutkuje:

• demineralizacją i osłabieniem wytrzymałości kości
• osteoporozą
• złą krzepliwością krwi (krwotokami, siniakami)
• skłonnościami do alergii i wysypek
• szybkim męczeniem się
• bezsennością
• osłabieniem pamięci
• zawrotami głowy
• bolesnymi skurczami mięśni
• drętwieniem kończyn
• bólami pleców, nóg i stawów
• częstymi złamaniami
• bardzo bolesnym przechodzeniem napięcia przedmiesiączkowego (PMS, ang. premenstrual syndrome)

1.2. Klasyfikacja

Wapń jest dwuwartościowym kationem (Ca2+) zewnątrzkomórkowym, należącym do makroelementów, czyli pierwiastkiem, którego dzienne zapotrzebowanie przekracza wartość 100 mg. W układzie okresowym przynależy do grupy berylowców. Wapń to integralny składnik organizmu, który ma znaczny wpływ na szereg procesów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych. Jego działanie jest uzależnione zarówno od dawki, jak również od formy i rodzaju soli tego minerału. Biorąc pod uwagę funkcje, jakie pełni ten pierwiastek w organizmie, wapń stanowi element budulcowy kości, zębów, naczyń krwionośnych, a także paznokci i włosów. Co więcej, pełni funkcję motoryczną, ponieważ reguluje skurcz mięśni gładkich, szkieletowych i poprzecznie prążkowanych. Odpowiada za aktywację i sekrecję hormonów i neuroprzekaźników. Bierze czynny udział w przewodzeniu impulsów nerwowych (poprzez jonowe kanały wapniowe oraz enzymy). Ponadto minerał ten utrzymuje homeostazę, z uwagi na fakt, iż zachowuje odpowiednią przepuszczalność błon komórkowych, warunkuje prawidłowy proces krzepnięcia krwi oraz niweluje stany zapalne w organizmie.

1.3. Występowanie

Podstawowym źródłem wapnia w diecie jest mleko oraz przetwory mleczne. Dostarczają one ok. 70% tego składnika w przeciętnej diecie. Jego przyswajalność w tych produktach jest wyższa w obecności probiotycznych kultur bakteryjnych. Do najlepszych źródeł wapnia zalicza się:

• mleko
• ser podpuszczkowy
• ser biały
• jogurt
• kefir
• czekoladę mleczną
• soję
• ryby (np. sardynki)
• jarmuż
• fasolę

Wapń obecny w owocach i warzywach jest trudno przyswajalny, ponieważ są one również źródłem składników obniżających jego wchłanialność, np.: kwasu szczawiowego i fitynowego oraz błonnika pokarmowego.

2.1. Wpływ na układ nerwowy

2.1.1. Generowanie sygnału wapniowego w neuronach

Wapń jest pierwiastkiem, który odpowiada m.in. za przewodzenie bodźców nerwowych. Jony Ca2+ pełnią kluczową rolę w fizjologii neuronalnej. Wewnątrzkomórkowy sygnał wapniowy, w komórkach nerwowych, jest częścią mechanizmu neurotransmisji. W wyniku depolaryzacji błony plazmatycznej bądź też pobudzania receptorów, ma miejsce zewnątrzkomórkowy napływ jonów wapniowych do cytozolu albo mobilizacja tych kationów wewnątrz komórki, dzięki czemu wzrasta stężenie Ca2+ w neuronach. Jony te przedostają się do komórek nerwowych przez błonę plazmatyczną, za pomocą kanałów wapniowych VOCC (ang. voltage-operated Ca2+ channels) lub receptorów jonotropowych ROC (ang. receptor-operated channels).

2.1.2. Neuroprzekaźnictwo

Kationy wapnia są fundamentalnymi transmiterami sygnału w komórce. Odpowiadają za stabilizowanie potencjału błonowego oraz kontrolę pobudliwości miocytów i neuronów. Jest to możliwe, ponieważ jony Ca2+ indukują kanały potasowe, których zadaniem jest regulacja napięcia elektrycznego pomiędzy wewnętrzną oraz zewnętrzną częścią przestrzeni, oddzielonej błoną lipidową. Neuroprzekaźniki są magazynowane w presynaptycznym zakończeniu nerwowym, w tzw. pęcherzykach synaptycznych. Jony wapnia regulują w nich proces sprzężenia depolaryzacji z egzocytozą nagromadzonych neurotransmiterów. W wyniku zajścia tego pierwszego zjawiska, komórka nerwowa ulega pobudzeniu. Jest to możliwe dzięki aktywacji VOCC (typu N i P/Q) oraz poprzez miejscowe zwiększenie wewnątrzkomórkowego stężenia kationów wapnia. Neurotransmisyjne działanie jonów wapniowych jest regulowane przez szereg wiążących je białek, charakteryzujących się specyficzną lokalizacją tkankową. Pełnią one rolę tzw. sensorów wapnia. Posiadają wyspecjalizowane motywy strukturalne, odpowiedzialne za wiązanie kationów Ca2+, tzw. motywy „EFhand”. Do tej grupy protein zalicza się białka nCaBP (ang. neuronal calcium-binding protein) lub NCS (ang. neural calcium sensors).

Innym istotnym zjawiskiem w procesie wapniowej regulacji transmisji synaptycznej jest synteza wstecznych neurotransmiterów w synapsach, uwarunkowana stężeniem jonów wapnia. Napływ Ca2+ do części postsynaptycznej neuronu pobudza enzym – syntazę tlenku azotu (NOS), w wyniku czego zostaje uwolniony NO, pełniący rolę wstecznego neuroprzekaźnika transsynaptycznego, regulującego siłę neurotransmisji pobudzającej (poprzez kontrolę ilości wydzielanego glutaminianu).

2.1.3. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne i pamięć

Jony wapniowe biorą czynny udział w mechanizmach związanych z zapamiętywaniem i nauką. Jednym z nich jest długotrwałe wzmocnienie synaptyczne (LTP, z ang. Long-term potentiation), które odpowiada za zwiększenie intensywności przewodzenia synaptycznego. Proces ten został odkryty w hipokampie, czyli części mózgu odpowiedzialnej za pamięć długotrwałą. Mechanizm powstawania LTP jest dość złożony. Wielokrotne pobudzanie przez silne impulsy pary neuronów powoduje uwalnianie neuroprzekaźnika – glutaminianu. Oddziałuje on na receptory neuronu postsynaptycznego (AMPA i NMDA). Gdy jego poziom w synapsie jest wysoki, wówczas stężenie receptorów wzrasta. W wyniku tej reakcji impuls nerwowy jest przesyłany szybciej do kolejnych komórek. Indukcję LTP zapoczątkowuje uwalnianie glutaminianu, aktywacja receptorów NMDA i napływ jonów wapniowych do komórek nerwowych. Ponadto transport kationów Ca2+ do zakończeń neuronów postsynaptycznych uruchamia proces osłabienia synaptycznego (LTD, ang. long term depression), który związany jest z: pamięcią przestrzenną, utrwalaniem nowych informacji o obiektach lub ich położeniu, jak również z reakcją na stres. Wielkość stężenia napływających jonów wapniowych (przez kanały związane z receptorami NMDA) ma wpływ na to czy nastąpi inicjacja LTP, czy LTD. Długotrwałe wzmocnienie synaptyczne wymaga znacznego wzrostu tych kationów, natomiast LTD może zajść nawet przy niewielkim zwiększeniu stężenia Ca 2+.

2.2. Wpływ na układ kostny

Wapń stanowi budulec kości. Aż 99% całkowitej zawartości tego pierwiastka w organizmie wchodzi w skład tej tkanki, gdzie występuje w postaci kryształów hydroksyapatytu. Kationy wapnia łączą się w niej z innymi jonami. Dowiedziono, że suplementacja 1200 mg tego minerału dzienne, samodzielnie lub w połączeniu z 800 IU witaminy D, znacznie zmniejsza ryzyko złamań osteoporotycznych. Ponadto wapń zwiększa masę kostną w czasie rozwoju układu szkieletowego, zmniejsza jej ubytek powstały na skutek starzenia się organizmu oraz zapobiega osteoporozie. Udowodniono, że zalecana dawka tego pierwiastka (1000 mg/dzień) hamuje resorpcję kości. Podczas badań klinicznych wykazano również, że suplementacja wapnia pomaga zwiększyć gęstość mineralna kości, także u kobiet po menopauzie, co zwiększa wytrzymałość tej tkanki.

2.3. Wpływ na układ krwionośny

2.3.1. Wpływ na śródbłonek naczyniowy

Wapń obniża przepuszczalność ścian naczyń krwionośnych, które wyścieła śródbłonek, uważany za jeden z największych organów wydzielniczych człowieka. Składa się on z warstwy płaskich komórek o małym jądrze. Jony wapniowe uczestniczą w wielu procesach specyficznych dla tego organu. Wpływają na siłę napięć ścian naczyń, stabilizują barierę krew-tkanka, generują nowe naczynia, wspomagają gojenie ran oraz kontrolują odpowiedź komórkową na czynnik stresowy. Udowodniono, że skurcz naczyń ma związek z wewnątrzkomórkowym stężeniem tego pierwiastka oraz z wydzielaniem reaktywnych form tlenu w tych strukturach.

2.3.1.1. Regulacja napięcia ścian naczyń

Śródbłonek naczyniowy reguluje napięcie ściany naczynia krwionośnego. Może on zostać poddany niekorzystnemu działaniu napięcia oraz hemodynamicznych naprężeń, które powstają w momencie przepływu krwi, co może spowodować szereg uszkodzeń i dysfunkcji. Najmniejsze części elementarne śródbłonka wytwarzają dwa czynniki, które powodują rozkurcz błony mięśniowej naczynia. Są nimi tlenek azotu (NO) oraz hormon prostacyklina 2. Jony wapniowe mają wpływ na powstawanie NO, ponieważ ich wysokie stężenie odpowiada za aktywację katalizatora tej reakcji – enzymu syntazy tlenku azotu. Gdy stężenie tych kationów jest niskie, zjawisko to również zachodzi. Jest ono wtedy efektem napływu Ca2+ ze środowiska pozakomórkowego. Udowodniono, że za prawidłową hiperpolaryzację błony plazmatycznej komórek mięśniowych odpowiada zewnętrzny napływ jonów wapniowych przez błonę komórkową. Zmniejszone wytwarzanie tlenku azotu ma miejsce w stanach patologicznych, gdy dochodzi do dysfunkcji śródbłonka. Niedobory NO są niwelowane poprzez hiperpolaryzację miocytów, która odbywa się dzięki kanałom potasowym, aktywowanym jonami wapnia.

2.3.1.2. Powstawanie nowych naczyń krwionośnych

Jony wapnia regulują angiogenezę, czyli rozrost układu naczyniowego, podczas którego ma miejsce dzielenie się i migracja aktywowanych komórek śródbłonka, zmiana ich właściwości adhezyjnych oraz powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Jest to możliwe, ponieważ kationy wapniowe wykazują funkcję regulacyjną w cyklu komórkowym. Od ich stężenia zależy jedna ze ścieżek aktywacji kinazy białkowej ERK (ang. extracellular signal-regulated kinases), która jest markerem proliferacji komórek śródbłonka. Co więcej, od obecności jonów wapnia zależy aktywność śródbłonkowej syntazy NO, dzięki której powstaje prożyciowy tlenek azotu, wzmacniający mitogenną czynność naczyniowo-śródbłonkowego czynnika wzrostowego.

2.3.1.3. Gojenie ran

Udowodniono, że prawidłowe gojenie się ran jest uzależnione od obecności jonów wapniowych w środowisku pozakomórkowym oraz w wewnątrzkomórkowych zasobach tego pierwiastka. Wzrost stężenia Ca2+ zaobserwowano bezpośrednio po naruszeniu struktury warstwy śródbłonka. Kationy wapniowe indukują ekspresję genów, które warunkują przemieszczanie się komórek w wyniku urazu. Minerał ten indukuje gojenie się ran, ponieważ zwiększa wytwarzanie tlenku azotu, który stanowi aktywator namnażania struktur śródbłonka naczyniowego.