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El calcio en la biología

El calcio se utiliza en muchos nervios a través del canal de calcio dependiente de voltaje , que es ligeramente más lento que el canal de potasio dependiente de voltaje . Se uti...

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El calcio se utiliza en muchos nervios a través del canal de calcio dependiente de voltaje , que es ligeramente más lento que el canal de potasio dependiente de voltaje . Se utiliza principalmente en el potencial de acción cardíaco . [1]

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 a través de las membranas celulares excitables , así como para la formación adecuada de los huesos.

Los niveles plasmáticos de calcio en los mamíferos están estrechamente regulados, [2] [3] siendo el hueso el principal lugar de almacenamiento de minerales . Los iones de calcio , Ca 2+ , se liberan desde el hueso al torrente sanguíneo en condiciones controladas. El calcio se transporta a través del torrente sanguíneo como iones disueltos o unido a proteínas como la albúmina sérica . La hormona paratiroidea secretada por la glándula paratiroidea regula la reabsorción de Ca 2+ del hueso, la reabsorción en el riñón de nuevo 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 de los intestinos y los huesos. La calcitonina secretada por las células parafoliculares de la glándula tiroides también afecta a los niveles de calcio al oponerse a la hormona paratiroidea; sin embargo, su importancia fisiológica en los seres humanos es dudosa.

El calcio intracelular se almacena en orgánulos que liberan repetidamente y luego vuelven a acumular 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]

Humanos

Ingesta global de calcio en la dieta de adultos (mg/día) [7]
  <400
  400–500
  500–600
  600–700
  700–800
  800–900
  900–1000
  >1000

En 2021, el calcio fue el medicamento número 243 más recetado en los Estados Unidos, con más de 1  millón de recetas. [8] [9]

Recomendaciones dietéticas

El Instituto de Medicina de los Estados Unidos (IOM) estableció las cantidades dietéticas recomendadas (RDA) de calcio en 1997 y actualizó esos valores en 2011. [6] Véase la tabla. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) utiliza el término ingesta de referencia de la población (PRI) en lugar de RDA y establece cifras ligeramente diferentes: de 4 a 10 años 800 mg, de 11 a 17 años 1150 mg, de 18 a 24 años 1000 mg y >25 años 950 mg. [10]

Debido a las preocupaciones sobre los efectos secundarios adversos a largo plazo, como la calcificación de las arterias y los cálculos renales, tanto el IOM como la EFSA establecieron niveles máximos de ingesta tolerables (UL) para la combinación de calcio dietético y suplementario. Según el IOM, las personas de 9 a 18 años no deben exceder los 3000 mg/día; las de 19 a 50 años no deben exceder los 2500 mg/día; las de 51 años o más, no deben exceder los 2000 mg/día. [11] La EFSA estableció el UL en 2500 mg/día para los adultos, pero decidió que la información para niños y adolescentes no era suficiente para determinar los UL. [12]

Etiquetado

Para los fines del etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en los EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% VD). Para los fines del 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 coincida 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 .

Declaraciones de propiedades saludables

Aunque, como regla general, no se permite que el etiquetado y la comercialización de los suplementos dietéticos hagan afirmaciones sobre la prevención o el tratamiento de enfermedades, la FDA ha revisado la ciencia en el caso de algunos alimentos y suplementos dietéticos, ha llegado a la conclusión de que existe un acuerdo científico significativo y ha publicado afirmaciones de salud permitidas expresamente redactadas. Una resolución inicial que permitía una afirmación de salud para los suplementos dietéticos de calcio y la osteoporosis se modificó posteriormente para incluir los suplementos de calcio y vitamina D , a partir del 1 de enero de 2010. A continuación se muestran ejemplos de la redacción permitida. Para poder calificar para la afirmación de salud sobre el calcio, un suplemento dietético debe contener al menos el 20 % de la ingesta dietética de referencia, lo que en el caso del calcio significa al menos 260 mg/ración. [15]

  • "Un consumo adecuado de calcio a lo largo de la vida, como parte de una dieta equilibrada, puede reducir el riesgo de osteoporosis".
  • "Un consumo adecuado de calcio como parte de una dieta saludable, junto con la actividad física, puede reducir el riesgo de padecer osteoporosis en etapas posteriores de la vida".
  • "Un consumo adecuado de calcio y vitamina D a lo largo de la vida, como parte de una dieta bien equilibrada, puede reducir el riesgo de osteoporosis".
  • "Un consumo adecuado de calcio y vitamina D como parte de una dieta saludable, junto con la actividad física, puede reducir el riesgo de padecer osteoporosis en etapas posteriores de la vida".

En 2005, la FDA aprobó una Declaración de Salud Calificada para el calcio y la hipertensión, con la siguiente redacción sugerida: "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 para la hipertensión inducida por el embarazo y la preeclampsia se consideró no concluyente. [16] El mismo año, la FDA aprobó una Declaración de Salud Calificada para el calcio y el cáncer de colon, con la siguiente redacción sugerida: "Alguna evidencia sugiere que los suplementos de calcio pueden reducir el riesgo de cáncer de colon/recto, sin embargo, la FDA ha determinado que esta evidencia es limitada y no concluyente". La evidencia para el cáncer de mama y el cáncer de próstata se consideró no concluyente. [17] Las propuestas de declaraciones de salud calificadas para el calcio como protector contra los cálculos renales o contra los trastornos menstruales o el dolor fueron rechazadas. [18] [19]

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) concluyó que "el calcio contribuye al desarrollo normal de los huesos". [20] La AESA rechazó una 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 AESA también rechazó afirmaciones sobre el calcio y las uñas, el cabello, los lípidos en sangre, el síndrome premenstrual y el mantenimiento del peso corporal. [22]

Fuentes de alimentación

El sitio web del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) tiene una tabla de búsqueda muy completa del contenido de calcio (en miligramos) en los alimentos, en medidas comunes como por cada 100 gramos o por una porción normal. [23] [24]

Medición en sangre

La cantidad de calcio en la sangre (más específicamente, en el plasma sanguíneo ) se puede medir como calcio total , que incluye tanto el calcio unido a proteínas como el calcio libre. Por el contrario, el calcio ionizado es una medida del calcio libre. Un nivel anormalmente alto de calcio en el plasma se denomina hipercalcemia y un nivel anormalmente bajo se denomina hipocalcemia ; el término "anormal" generalmente se refiere a niveles fuera del rango de referencia .

Los principales métodos para medir el calcio sérico son: [32]

  • Método de complexona de O-cresolfalína: una desventaja de este método es que la naturaleza volátil del 2-amino-2-metil-1-propanol utilizado en este método hace que sea necesario calibrar el método cada pocas horas en un laboratorio clínico.
  • Método Arsenazo III; Este método es más robusto, pero el arsénico en el reactivo es un peligro para la salud.

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 se 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 colorantes fluorescentes permeables a las células que se unen al calcio , como Fura-2 o una variante genéticamente modificada de la proteína fluorescente verde (GFP) llamada Cameleon .

Calcio corregido

Como no siempre se dispone de calcio ionizado, se puede utilizar en su lugar un calcio corregido. Para calcular un 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 en torno a 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 el anión gap . [35] [36]

Otros animales

Vertebrados

En los vertebrados , los iones de 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 por el calcio plasmático humano , que es una de las variables fisiológicas más estrechamente reguladas en el cuerpo humano. Los niveles plasmáticos normales varían entre el 1 y el 2% en un tiempo determinado. Aproximadamente la mitad de todo el calcio ionizado circula en su forma libre, y la otra mitad está complejada con proteínas plasmáticas como la albúmina , así como aniones como bicarbonato , citrato , fosfato y sulfato . [37]

Regulación del calcio en el cuerpo humano [38]

Los distintos tejidos contienen calcio en distintas concentraciones. Por ejemplo, el Ca 2+ (principalmente fosfato de calcio y algo de sulfato de calcio ) 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, es en gran medida indisponible para el intercambio/biodisponibilidad. La forma de superar esto es a través del proceso de resorción ósea , en el que el calcio se libera en el torrente sanguíneo a través de la acción de los osteoclastos óseos . El resto del calcio está presente en los líquidos extracelulares e intracelulares.

En una célula típica, la concentración intracelular de calcio ionizado es de aproximadamente 100 nM, pero está sujeta a aumentos de 10 a 100 veces durante varias funciones celulares. El nivel de calcio intracelular se mantiene relativamente bajo con respecto al fluido 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 para obtener energía, así como un almacenamiento considerable dentro de los compartimentos intracelulares. En células eléctricamente excitables , como los músculos esqueléticos y cardíacos y las neuronas, la despolarización de la membrana conduce a un transitorio de Ca 2+ con una concentración de Ca 2+ citosólico 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 de la matriz mitocondrial aumenta a niveles de decenas de micromolares in situ durante la actividad neuronal. [40]

Efectos

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 extendidos utilizados en la transducción de señales . Entran en el citoplasma ya sea desde el exterior de la célula a través de la membrana celular mediante canales de calcio (como las proteínas de unión al calcio o los canales de calcio dependientes del voltaje), o desde algunos depósitos internos de calcio como el retículo endoplasmático [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 en la célula (y por su gradiente de concentración) con el transporte de calcio fuera de la célula. Además, la Ca 2+ ATPasa de la membrana plasmática (PMCA) obtiene energía para bombear calcio fuera de la célula hidrolizando el trifosfato de adenosina (ATP). En las neuronas , los canales iónicos selectivos de calcio y dependientes del voltaje son importantes para la transmisión sináptica a través de la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica por la fusión de vesículas sinápticas .

La función del calcio en la contracción muscular fue descubierta 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 los denomina mensajeros sinárquicos. El calcio puede unirse a varias proteínas moduladas por calcio diferentes, como la troponina-C (la primera en ser identificada) y la calmodulina , proteínas que son 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 requerida ] 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 del 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 desempeña un papel importante en la definición de la estructura y la función de las proteínas. Un ejemplo de proteína con coordinación de calcio es el factor de von Willebrand (vWF), que tiene un papel esencial en el proceso de formación de coágulos sanguíneos. Se descubrió mediante la medición de pinzas ópticas de moléculas individuales que el vWF unido al calcio actúa como un sensor de fuerza de corte en la sangre. La fuerza de corte conduce al desdoblamiento del dominio A2 del vWF, cuya tasa de replegamiento aumenta drásticamente en presencia de calcio. [43]

Adaptación

El flujo de iones Ca 2+ regula varios sistemas de mensajeros secundarios en la adaptación neuronal para el sistema visual, auditivo y olfativo. A menudo puede estar unido a la calmodulina, como en el sistema olfativo, para mejorar o reprimir los canales de cationes. [44] Otras veces, el cambio en el nivel de calcio puede liberar a 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 una afinidad variada para detectar niveles de calcio para abrir o cerrar canales a alta y baja concentración de calcio en la célula en ese momento. [46]

Rangos de referencia para análisis de sangre , que muestran los niveles de calcio en violeta a la derecha

Efectos negativos y patología

Una disminución sustancial de las concentraciones extracelulares de iones Ca 2+ puede provocar una afección conocida como tetania hipocalcémica , que se caracteriza por una descarga espontánea de las 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 agresiones como traumatismo cerebral o accidente cerebrovascular ). La entrada excesiva de calcio en una célula puede dañarla o incluso hacer que sufra apoptosis , o muerte por necrosis . El calcio también actúa como uno de los principales reguladores del estrés osmótico ( choque osmótico ). El calcio plasmático crónicamente elevado ( hipercalcemia ) se asocia con arritmias cardíacas y disminución de la excitabilidad neuromuscular. Una causa de la hipercalcemia es una afección conocida como hiperparatiroidismo .

Invertebrados

Algunos invertebrados utilizan compuestos de calcio para construir su exoesqueleto ( caparazones y caparazones ) o endoesqueleto ( placas de equinodermos y espículas calcáreas de poríferos ).

Plantas

Cierre de estomas

Reportero de calcio GCaMP en el tubo polínico del tomate

Cuando el ácido abscísico envía señales a las células oclusivas, los iones Ca 2+ libres ingresan al citosol tanto desde el exterior de la célula como desde los depósitos internos, lo que invierte el gradiente de concentración y hace que los iones K+ comiencen a salir de la célula. La pérdida de solutos hace que la célula se vuelva flácida y cierra los poros estomáticos.

División celular

El calcio es un ion necesario para la formación del huso mitótico . Sin él, no puede producirse 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 es relativamente inmóvil en la planta. No se transporta a través del floema porque puede unirse a otros iones nutrientes y precipitarse en soluciones líquidas.

Roles estructurales

Los iones Ca 2+ son un componente esencial de las paredes celulares y membranas celulares de las plantas , y se utilizan como cationes para equilibrar 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 ocurre en los cocolitóforos marinos , que utilizan Ca 2+ para formar las placas de carbonato de calcio , con las que están cubiertos.

El calcio es necesario para formar la pectina en la lámina 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 estabilizarse ni retener su contenido. Esto es particularmente importante en el desarrollo de las frutas. Sin calcio, las paredes celulares son débiles y no pueden retener el contenido de la fruta.

Algunas plantas acumulan Ca en sus tejidos, lo que los hace más firmes. El calcio se almacena en forma de cristales de oxalato de Ca en los plástidos .

Señalización celular

Los iones Ca 2+ generalmente se mantienen en niveles nanomolares en el citosol de las células vegetales y actúan en varias vías de transducción de señales como segundos mensajeros .

Véase también

Referencias

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