Материалы SapiensMed не заменяют консультацию врача
Здравствуйте, друзья! В нашем традиционном лонгриде поговорим об обмене кальция — о том, как паратгормон, витамин D и кальцитонин удерживают уровень кальция в крови в очень узких пределах, несмотря на то что с едой мы получаем его то больше, то меньше. Зачем кальций нужен не только костям, но и сердцу, мышцам и нервам? Почему кости — это не только опора, но и «банк» кальция? И почему витамин D на самом деле гормон?
Мы разберём, как кальций всасывается в кишечнике, как почки решают, сколько его вернуть в кровь, и как кость то отдаёт, то забирает кальций. Расскажем, как крошечные околощитовидные железы чувствуют малейшее изменение кальция, как солнечный свет превращается в активный гормон и какую роль играет кальцитонин.
Отдельно обсудим, как обмен кальция меняется в детстве, при беременности и кормлении грудью, после менопаузы и в пожилом возрасте, к каким болезням ведут его нарушения и как поддержать кости и кальциевый баланс. В конце статьи вас ждёт краткое резюме по каждому разделу статьи.
Часть 1. Что такое обмен кальция и зачем он нужен
1.1. Кальций в организме
В теле взрослого человека около килограмма кальция, и 99% его находится в костях и зубах в виде кристаллов гидроксиапатита — соединения кальция и фосфата. Эти кристаллы придают кости твёрдость. Оставшийся 1% растворён в крови и жидкостях тела и внутри клеток, но именно эта крошечная доля нужна для жизни каждую секунду12.
Строение костей описано в статье «Всё, что вы хотели знать о костях». Кость — живая ткань, которая постоянно перестраивается: одни клетки её разрушают, другие строят заново. За год у взрослого обновляется примерно десятая часть скелета, и при этом кость служит запасом кальция, к которому организм обращается при нехватке13.
1.2. Зачем кальций клеткам
Кальций — один из главных сигнальных ионов. Внутри клеток его концентрация примерно в 10 000 раз ниже, чем снаружи, и кратковременный вход кальция в клетку служит командой к действию14.
- Сокращение мышц, в том числе сердечной: кальций запускает скольжение белковых нитей.
- Передача нервного импульса: кальций нужен для выброса медиаторов из нервных окончаний.
- Свёртывание крови: несколько факторов свёртывания работают только в присутствии кальция.
- Выделение гормонов и ферментов, например инсулина и пищеварительных соков.
- Поддержание нормальной возбудимости нервов и мышц.
Возбудимость особенно чувствительна к уровню кальция в крови. При его снижении нервы и мышцы становятся слишком возбудимыми, появляются покалывание и судороги. При повышении, наоборот, нарастают слабость, вялость, нарушается ритм сердца. Поэтому организм держит кальций в крови в очень узком коридоре. Это один из ярких примеров гомеостаза, о котором рассказывает статья «Гомеостаз: как организм поддерживает постоянство внутренней среды»15.
1.3. Какой кальций измеряют
Нормальный общий кальций крови у взрослого составляет примерно 2,15–2,55 ммоль/л. Около 45% его связано с белком альбумином, около 10% — с небольшими молекулами вроде цитрата, а примерно половина свободна. Именно свободный, или ионизированный, кальций (около 1,1–1,3 ммоль/л) действует на клетки, и именно его отслеживает организм25.
Поэтому при низком альбумине, например при болезнях печени или истощении, общий кальций снижается, хотя ионизированный может оставаться в норме. Кислотность крови тоже влияет: при частом глубоком дыхании, когда кровь становится щелочнее, больше кальция связывается с альбумином, и появляется покалывание вокруг рта и в пальцах51.
Часть 2. Как это работает: три органа и три потока
2.1. Кишечник: вход
С пищей взрослый получает в среднем около 1000 миллиграммов кальция в сутки, а всасывается из них примерно треть. Часть кальция проходит между клетками кишечника пассивно, особенно при богатой кальцием еде. Другая часть переносится через сами клетки активно, и этот путь включает витамин D. Подробно всасывание описано в статье Всасывание железа, кальция и витамина B1226.
Активный путь работает как конвейер: кальций входит в клетку через особые каналы, внутри клетки его подхватывает белок-переносчик, а на другой стороне насосы выталкивают его в кровь. Все звенья этого конвейера строятся по команде активного витамина D. При его нехватке всасывается лишь 10–15% кальция пищи67.
2.2. Почки: тонкая настройка
Почки ежедневно фильтруют из крови около 8–10 граммов кальция и возвращают обратно около 98% из них. Большая часть возвращается автоматически в начальных отделах канальцев вместе с натрием и водой. Последние 10–15% возвращаются в дистальных канальцах, и именно здесь паратгормон решает, сколько кальция сохранить. Строение почек описано в статье «Всё, что вы хотели знать о почках»58.
Почки управляют и фосфатом — вторым компонентом костного минерала. Паратгормон заставляет их терять фосфат с мочой. Это важно: если бы при выходе кальция из кости фосфат тоже оставался в крови, они соединялись бы и откладывались в тканях. Ещё одна задача почек — превращать витамин D в его активную форму82.
2.3. Кость: банк кальция
В кости работают два типа клеток. Остеобласты строят новую кость и откладывают в неё минерал. Остеокласты — крупные клетки, растворяющие кость кислотой и ферментами, — освобождают кальций. В норме эти процессы уравновешены: сколько кости разрушено, столько и построено13.
Есть и быстрый резерв. На поверхности кости лежит слой легкообмениваемого кальция, и клетки, выстилающие кость, за минуты перекачивают его в кровь. Медленный путь — разрушение кости остеокластами — включается за часы и дни. Интересно, что остеокласты сами почти не имеют рецепторов к паратгормону: команду им передают остеобласты через сигнальную молекулу RANKL32.
2.4. Витамин D: путь от солнца до гормона
Витамин D по сути — гормон. Под действием ультрафиолета B в коже из производного холестерина образуется витамин D3. Небольшая часть поступает с пищей: жирной рыбой, яичным желтком, обогащёнными продуктами. Сам по себе он неактивен и должен пройти две ступени превращения79.
В печени витамин D превращается в 25-гидроксивитамин D — форму, которая долго циркулирует в крови и отражает запас. Именно её измеряют в анализе. Затем в почках фермент 1-альфа-гидроксилаза превращает её в кальцитриол — активный гормон. Работу этого фермента усиливает паратгормон и тормозит избыток кальция, фосфата и сам кальцитриол72.
Кальцитриол действует через рецептор в ядре клеток. В кишечнике он усиливает всасывание кальция и фосфата, в почках помогает удерживать кальций, в кости вместе с паратгормоном мобилизует минерал при нехватке, а при достатке кальция способствует нормальной минерализации. Он же тормозит выработку паратгормона97.
Миф
Витамин D — это просто витамин, который нужно получать из еды.
Факт
Большую часть витамина D человек в норме синтезирует в коже под солнцем, а активная его форма — кальцитриол — работает как настоящий гормон: образуется в почках и действует через рецепторы в ядрах клеток. Пищи обычно недостаточно, чтобы полностью покрыть потребность без солнца или добавок.
Часть 3. Кто регулирует обмен кальция
3.1. Паратгормон — главный защитник от нехватки
Паратгормон вырабатывают околощитовидные железы — четыре крошечных, размером с рисовое зёрнышко, образования на задней поверхности щитовидной железы. Их строение описано в статье «Всё, что вы хотели знать об околощитовидных железах»110.
На клетках желёз стоит кальций-чувствительный рецептор, открытый в 1993 году. Он работает как термостат: при малейшем снижении ионизированного кальция выделение паратгормона за секунды-минуты возрастает, а при повышении — подавляется. Паратгормон живёт в крови всего несколько минут, поэтому регуляция очень быстрая410.
- В почках паратгормон усиливает обратное всасывание кальция и усиливает потерю фосфата с мочой.
- В почках же он включает фермент, превращающий витамин D в активный кальцитриол.
- В кости он через остеобласты активирует остеокласты и освобождает кальций.
- Через кальцитриол он косвенно усиливает всасывание кальция в кишечнике.
Любопытно, что действие паратгормона на кость зависит от режима. Постоянно повышенный уровень разрушает кость, а короткие ежедневные пики, наоборот, стимулируют остеобласты и наращивают кость. Этот парадокс используют при лечении тяжёлого остеопороза310.
3.2. Кальцитонин — скромный помощник
Кальцитонин вырабатывают С-клетки щитовидной железы, расположенные между её фолликулами. О строении железы рассказывает статья «Всё, что вы хотели знать о щитовидной железе». При повышении кальция кальцитонин тормозит остеокласты и немного снижает кальций в крови111.
У человека его роль невелика. После удаления щитовидной железы кальций остаётся нормальным, а при опухолях из С-клеток, вырабатывающих огромное количество кальцитонина, кальций тоже не падает. Возможно, кальцитонин важнее для защиты скелета матери при беременности и кормлении грудью. Зато он служит полезным маркером медуллярного рака щитовидной железы112.
Миф
Кальцитонин — такой же важный гормон кальция, как паратгормон.
Факт
У человека кальцитонин играет второстепенную роль. Без паратгормона кальций быстро падает до опасного уровня и возникают судороги, а при полном отсутствии кальцитонина после удаления щитовидной железы обмен кальция остаётся нормальным.
3.3. Другие участники
Фактор роста фибробластов 23, который вырабатывают клетки внутри кости, сообщает почкам об избытке фосфата: заставляет их выводить фосфат и тормозит образование кальцитриола. Магний нужен для выделения паратгормона, поэтому при выраженной нехватке магния кальций падает. Эстрогены защищают кость от избыточного разрушения, а глюкокортикоиды в больших дозах тормозят образование кости и всасывание кальция83.
Уровень кальция в крови почти не говорит о прочности костей: даже при выраженном остеопорозе кальций обычно нормален, потому что паратгормон добирает его из скелета. Состояние костей оценивают денситометрией, а кальций крови, паратгормон и 25-гидроксивитамин D помогают искать причины нарушений.
Часть 4. Как меняется обмен кальция
4.1. Детство и юность
В детстве и подростковом возрасте скелет быстро растёт, и потребность в кальции наибольшая. К 25–30 годам достигается пиковая костная масса — максимальный запас прочности на всю жизнь. Чем выше пик, тем позже и мягче проявится возрастная потеря кости. На пик влияют наследственность, питание, физическая активность и половые гормоны312.
Таблица 1. Рекомендуемое потребление кальция и витамина D
| Возраст | Кальций в сутки | Витамин D в сутки |
|---|---|---|
| 1–3 года | 700 мг | 600 МЕ |
| 4–8 лет | 1000 мг | 600 МЕ |
| 9–18 лет | 1300 мг | 600 МЕ |
| 19–50 лет | 1000 мг | 600 МЕ |
| Женщины 51–70 лет | 1200 мг | 600 МЕ |
| Мужчины 51–70 лет | 1000 мг | 600 МЕ |
| Старше 70 лет | 1200 мг | 800 МЕ |
В таблице приведены ориентиры Института медицины США, на которые часто опираются в мире. Российские нормы физиологической потребности близки к ним: около 1000 миллиграммов кальция для взрослых и 1200 для людей старше 60 лет. Российская ассоциация эндокринологов для профилактики дефицита витамина D у взрослых рекомендует более высокие количества — 800–2000 МЕ в сутки121314.
4.2. Беременность и кормление грудью
Плод за беременность получает около 30 граммов кальция, большую часть — в третьем триместре. Организм матери готовится заранее: уровень кальцитриола удваивается, и кишечник всасывает вдвое больше кальция. Поэтому скелет беременной обычно не страдает151.
При кормлении грудью механизм иной. С молоком уходит 200–300 миллиграммов кальция в день, и его поставляет скелет матери под действием белка, похожего на паратгормон, который выделяет молочная железа. За месяцы кормления плотность кости может снизиться на несколько процентов, но после отлучения ребёнка от груди она восстанавливается153.
4.3. Менопауза и старение
После менопаузы падает уровень эстрогенов, остеокласты освобождаются от тормоза, и в первые годы женщина теряет кость быстрее всего. С возрастом снижается и всасывание кальция, а кожа пожилого человека образует витамина D в несколько раз меньше, чем у молодого. Почки хуже активируют витамин D. Поэтому риск остеопороза и переломов с годами растёт37.
4.4. Солнце, широта и образ жизни
Синтез витамина D зависит от высоты солнца. На широтах большей части России с октября по март ультрафиолета B почти нет, и кожа витамин D не вырабатывает. Его синтез уменьшают и смуглая кожа, закрытая одежда, солнцезащитные кремы, жизнь в помещении. Ожирение снижает уровень витамина D в крови, потому что он растворяется в жировой ткани714.
Физическая нагрузка, особенно с ударами и весом, стимулирует остеобласты: кость отвечает на механическое напряжение укреплением. Длительный постельный режим и невесомость, наоборот, быстро вымывают кальций из скелета. Курение, избыток алкоголя и очень солёная пища усиливают потерю кальция31.
Миф
Чем больше кальция в таблетках, тем крепче кости.
Факт
Костям нужно достаточное, а не максимальное количество кальция. Лучше всего он усваивается из пищи. Большие дозы добавок сверх потребности не делают кости крепче, но повышают риск камней в почках и запоров. Добавки нужны тем, кто не может набрать норму с едой, и их дозу лучше обсудить с врачом.
Часть 5. Когда обмен кальция нарушается
5.1. Основные группы нарушений
Сбой в любом звене системы ведёт к болезням. Подробно о каждой из них будет рассказано в отдельных статьях цикла о патологиях510.
- Гиперпаратиреоз — избыток паратгормона, чаще из-за доброкачественной опухоли околощитовидной железы: кальций в крови растёт, кости теряют минерал, в почках образуются камни.
- Гипопаратиреоз — недостаток паратгормона, чаще после операций на шее: кальций падает, возникают покалывание и судороги.
- Дефицит витамина D — у детей ведёт к рахиту, у взрослых к остеомаляции, то есть размягчению кости из-за плохой минерализации.
- Остеопороз — потеря массы и прочности кости, при которой кальций крови обычно нормален.
- Повышение кальция при злокачественных опухолях, которые выделяют белок, похожий на паратгормон, или разрушают кость.
- Нарушения обмена кальция и фосфата при хронической болезни почек, когда почки не активируют витамин D и не выводят фосфат.
Остеопороз — самая частая проблема, особенно у женщин после менопаузы. О его профилактике и лечении в этот период рассказывает статья «Профилактика и лечение остеопороза при климаксе»163.
Часть 6. Как поддержать обмен кальция
6.1. Опора на питание и движение
Для большинства людей основа — достаточное количество кальция в пище, регулярная нагрузка на кости и нормальный уровень витамина D. Главные источники кальция — молочные продукты, сыр, рыба с мягкими костями, капуста и другие зелёные овощи, бобовые, орехи, кунжут, а также минеральная вода с высоким содержанием кальция1216.
6.2. Пошаговый план
01
Включайте в рацион 2–3 порции молочных продуктов в день или другие источники кальция при непереносимости молока.
02
Добавляйте в меню рыбу с мягкими костями, зелёные овощи, бобовые и орехи.
03
Бывайте на дневном свету в тёплое время года, избегая солнечных ожогов.
04
Обсудите с врачом приём витамина D в осенне-зимний период, особенно если вы мало бываете на солнце, старше 65 лет или у вас ожирение.
05
Давайте костям нагрузку: ходьба, бег трусцой, танцы, упражнения с весом не менее 150 минут в неделю.
06
Откажитесь от курения и ограничьте алкоголь.
07
Не принимайте большие дозы кальция и витамина D без контроля врача.
08
Женщинам после менопаузы и мужчинам старше 70 лет обсудите с врачом денситометрию.
Когда срочно нужно к врачу
Срочно обратитесь к врачу или вызовите скорую помощь, если:
Краткое резюме
Кальций нужен не только костям: он управляет сокращением мышц, работой нервов, свёртыванием крови и выделением гормонов. 99% кальция хранится в скелете, а свободный кальций крови организм держит в узком коридоре, потому что от него зависит возбудимость нервов и мышц.
Баланс определяют три органа. Кишечник всасывает около трети кальция пищи, и активный путь работает только при достатке витамина D. Почки возвращают в кровь около 98% профильтрованного кальция, а последнюю, регулируемую часть настраивает паратгормон. Кость служит банком кальция: остеокласты разрушают, остеобласты строят. Витамин D образуется в коже под солнцем, в печени превращается в 25-гидроксивитамин D, а в почках — в активный кальцитриол.
Главный регулятор — паратгормон. Кальций-чувствительный рецептор околощитовидных желёз за минуты отвечает на его снижение. Паратгормон удерживает кальций в почках, выводит фосфат, активирует витамин D и освобождает кальций из кости. Кальцитонин у человека играет второстепенную роль, а фактор роста фибробластов 23 и магний помогают настроить обмен фосфата и выделение паратгормона.
Потребность в кальции наибольшая в детстве и юности, когда формируется пиковая костная масса. При беременности кальцитриол удваивает всасывание, при кормлении грудью кальций временно берётся из скелета. После менопаузы и в старости кость теряется быстрее. Нарушения дают гипер- и гипопаратиреоз, рахит и остеомаляцию, остеопороз. Поддерживают обмен кальция питание, движение, солнце, витамин D по согласованию с врачом и отказ от курения.
Источники
- Hall J. E., Hall M. E. Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 14th edition. Elsevier. США, 2020.
- Boron W. F., Boulpaep E. L. Medical Physiology. 3rd edition. Elsevier. США, 2017.
- Дедов И. И., Мельниченко Г. А., Фадеев В. В. Эндокринология. 3-е издание. ГЭОТАР-Медиа. Россия, 2015.
- Brown E. M., Gamba G., Riccardi D. et al. Cloning and characterization of an extracellular Ca2+-sensing receptor from bovine parathyroid. Nature. Великобритания, 1993.
- Peacock M. Calcium metabolism in health and disease. Clinical Journal of the American Society of Nephrology. США, 2010.
- Ткаченко Б. И. (ред.) Нормальная физиология человека. 2-е издание. Медицина. Россия, 2005.
- Holick M. F. Vitamin D deficiency. New England Journal of Medicine. США, 2007.
- Blaine J., Chonchol M., Levi M. Renal control of calcium, phosphate, and magnesium homeostasis. Clinical Journal of the American Society of Nephrology. США, 2015.
- Bouillon R., Marcocci C., Carmeliet G. et al. Skeletal and extraskeletal actions of vitamin D: current evidence and outstanding questions. Endocrine Reviews. США, 2019.
- Barrett K. E., Barman S. M., Brooks H. L., Yuan J. X.-J. Ganong’s Review of Medical Physiology. 26th edition. McGraw-Hill. США, 2019.
- Felsenfeld A. J., Levine B. S. Calcitonin, the forgotten hormone: does it deserve to be forgotten? Clinical Kidney Journal. Великобритания, 2015.
- Institute of Medicine. Dietary Reference Intakes for Calcium and Vitamin D. National Academies Press. США, 2011.
- Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. Методические рекомендации МР 2.3.1.0253-21 «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации». Роспотребнадзор. Россия, 2021.
- Пигарова Е. А., Рожинская Л. Я., Белая Ж. Е. и др. Клинические рекомендации Российской ассоциации эндокринологов по диагностике, лечению и профилактике дефицита витамина D у взрослых. Проблемы эндокринологии. Россия, 2016.
- Kovacs C. S. Maternal mineral and bone metabolism during pregnancy, lactation, and post-weaning recovery. Physiological Reviews. США, 2016.
- Российская ассоциация эндокринологов. Клинические рекомендации «Остеопороз». Министерство здравоохранения Российской Федерации. Россия, 2021.
Материал носит информационно-просветительский характер и не заменяет очной консультации врача. Диагноз и лечение определяет только врач.
Читайте также
- Как работает клетка: мембрана, обмен веществами с окружающей средой
- Йод и работа щитовидной железы
- Мембранный потенциал и возбудимость: откуда в клетках электричество
Автор:
