Са-жизненно необходимый элемент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cа – жизненно необходимый элемент

 

 ₂₀Cа 1s2 2s² 2p⁶ 3s²  3p² 4s² – электронная формула.

Кальций - химический элемент II A группы, щелочно-земельный металл.

В большинстве своих  соединений проявляет с.о. +2, валентность  – II. Но известны соединения, в которых с.о. +1 – субгалогениды (CaF, CaBr, CaCl).

Электродный потенциал Ca²⁺/Ca⁰ = -2,84В

В условиях химического  взаимодействия Ca легко теряет электроны  и образует простые ионы:

Ca - 2e- => Ca²⁺

 

 

1. Природные соединения

 

Кальций принадлежит к числу самых распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится приблизительно 3%. Он встречается в виде многочисленных отложений известняков и мела, а также мрамора, которые представляют собой природные разновидности карбоната кальция СаСО₃. В больших количествах встречаются также гипс СаSO₄*2H₂O, фосфорит Са₃(РО₄)₂ и, наконец, различные содержащие кальций силикаты.

 

2. Химические превращения кальция и его соединений

 

Кальций - химический элемент II A группы, щелочно-земельный металл. Кальций – очень активный металл, легко соединяющийся с галогенами, серой, азотом и восстанавливающий при нагревании оксиды многих металлов.

Кальций проявляет координационные  числа 6,7 или 8 и образует нессиметричные комплексы.

 

Са+S=CаS – сульфид кальция

Са+Cl₂=CaCl₂ – хлорид кальция

3Са+N₂=Ca₃N₂ – нитрид кальция

Ca+H₂=CaH₂ – гидрид кальция

Са+2H₂O=Ca(OH)₂ + H₂ – гидроксид кальция (основание)

2Са+O₂=2CaО – оксид кальция (основной оксид)

СаО+СО₂=СаСО₃ – карбонат кальция, мел

СаО+Н₂О=Са(ОН)₂

Са(ОН)₂+2СО₂=Са(НСО₃)₂ – гидрокарбонат кальция

Са(НСО₃)₂ = СО₂+ H₂O+ СаСО₃

Са(ОН)₂+2НCl=СаCl₂+2Н₂О

Са(ОН)₂+H₂SO₄=CaSO₄+2Н₂О – сульфат кальция

 

3. Топография в организме

 

Са относится к макроэлементам. Общее содержание его в организме 1,4% (масса – 1,5кг). Кальций содержится в каждой клетке человеческого организма. Основная масса кальция находится в костной и зубной тканях. Так же Са содержится в сердце, в крови, почках, печени. Са²⁺- внеклеточный ион.

4. Биороль Са

• Формирование костного скелета - кальций входит в состав основного минерального компонента костной ткани – гидроксилапатита Ca₁₀(PO₄)(OH)₂, микрокристаллы которого образуют жесткую структуру костной ткани. Достаточное поступление кальция в организм способствует правильному формированию, укреплению костного каркаса, предупреждает ломкость и деминерализацию костей, остеопороз. Особенно нуждаются в кальции беременные и кормящие женщины, а также дети в период роста.
• Укрепление эмали зубов - кальций накапливается в эмали зубов сразу после их прорезывания, поэтому для профилактики кариеса необходимо обогащение эмали зубов кальцием.
• Кальций способствует стабилизации мембран тучных клеток и тормозит высвобождение гистамина, уменьшая тем самым проявления аллергических реакций при аллергических заболеваниях (сывороточная болезнь, крапивница, отек Квинке, поллиноз, бронхиальная астма), при кожных заболеваниях (атопический дерматит).
• Регуляция работы нервной системы - кальций участвует в процессах передачи нервных импульсов, обеспечивает равновесие между процессами возбуждения и торможения в коре головного мозга.
• Регуляция функционирования мышечной системы - кальций участвует в регуляции сократимости скелетных мышц, предохраняя от мышечных болей и судорог.
• Регуляция межклеточного обмена - кальций необходим для функционирования клеточных мембран, для нормализации сосудистой проницаемости. А также является фактором свертываемости крови, поэтому его применяют в качестве кровоостанавливающего средства при кровотечениях.
• Кальций необходим для укрепления иммунной системы, синтеза и деятельности многих гормонов и ферментов, участвующих в переваривании пищи, формировании слюны, метаболизме энергии и жиров.

 

 

5. Формирование костной  ткани

Костная ткань - это особый вид соединительной ткани. Костная  ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция. Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность.

В компактном веществе кости  большая часть минеральных веществ  представлена гидроксилапатитом (смотрите рисунок) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в%): 20% - органический компонент, 70% - минеральные вещества, 10% - вода. Губчатое вещество: 35-40% - минеральных веществ, до 50% - органические соединения, содержание воды - 10%.

Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость - это депо для минералов, особенно для кальция.

Органический матрикс  кости

Важный компонент органического матрикса - кальций-связывающий белок. Он состоит из 49 аминокислот, содержит 3 остатка гамма-карбоксиглутаминовой кислоты. Функция кальций-связывающего белка - регуляция связывания кальция в костях и зубах.

Основной белок костной ткани - коллаген, который содержится в количестве 15% - в компактном веществе, 24% - в губчатом веществе. Количество неколлагеновых белков составляет от 5 до 8%. В основном это белки- гликопротеины и белково-углеводные комплексы - протеогликаны.

Костный коллаген - коллаген типа 1 - в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген - это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани.

В зрелом организме процессы минерализации  и резорбция кости находятся  в состоянии динамического равновесия. Минерализация - это формирование кристаллических  структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии (в форме АТФ ).

 

Можно выделить два основных этапа минерализации.

Этапы минерализации костной ткани

1-й этап: остеобласты начинают  синтезировать костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Особенностью процесса минерализации является перенасыщение среды ионами кальция и фосфора. На 1 этапе минерализации кальций и фосфор связываются с костным коллагеном. Обязательный участник процесса - сложные липиды.

2-й этап - в зоне минерализации  усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется  необходимое количество АТФ. Кроме  того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция. Одновременно из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония и гидроксид-ионов, которые соединены с фосфатом. Так формируются ядра кристаллизации. Ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-углеводным комплексом, переходят в растворимое состояние и формируют кристаллы гидроксилапатита. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной. Ингибитор процесса минерализации - неорганический пирофосфат. Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть щелочная фосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка. При нарушении процессов минерализации - например, при заболевании оссифицирующим миозитом - кристаллы гидроксиапатита могут появлятся в сухожилиях, связках, стенках сосудов. Вместо кальция в костную ткань могут включаться другие элементы - стронций, магний, железо, уран и т.д. После формирования гидроксилапатита такое включение уже не происходит. На поверхности кристаллов может накапливаться много натрия в форме цитрата натрия. Кость выполняет функции лабильного (изменчивого) депо натрия, который выделяется из кости при ацидозе и, наоборот, при избытке поступления натрия с пищей, чтобы предотвратить алкалоз - натрий депонируется в кости. В ходе роста и развития организма количество аморфного фосфата кальция уменьшается, потому что кальций связывается с гидроксилапатитом.

6. Са в свертываемости крови

Свертывание крови является защитной реакцией организма. При ранении  и вытекании крови из сосудов она из жидкого состояния переходит в желеобразное. Образующийся сгусток закупоривает поврежденные сосуды и предотвращает потерю значительного количества крови.

Свертывание крови обусловлено  превращением находящегося в плазме растворимого белка фибриногена в нерастворимый фибрин. При этом образуются тончайшие нити фибрина, в петлях которого удерживаются кровяные клетки и жидкая часть крови. Эту картину можно наблюдать, рассматривая сгусток крови под микроскопом.

Свертывание крови —  очень сложный ферментативный процесс. В нем участвуют различные  вещества, содержащиеся в плазме, называемые факторами плазмы, которые поступают  в нее при ранении тканей из разрушенных клеток и тромбоцитов. Взаимодействие этих веществ, приводящее к свертыванию крови, принято подразделять на три стадии.

В первой стадии, связанной  с разрушением тромбоцитов и  тканевых клеток, освобождается - предшественник тромбопластина, который, взаимодействуя с факторами плазмы крови, превращается в активный тромбопластин. Для его образования необходимо наличие ионов Са²⁺ и многих факторов плазмы, в частности акцелератора — глобулина и антигемофилического фактора. При недостатке или отсутствии антигемофилического фактора образование тромбопластина резко замедлено и свертываемость крови понижена. Такое заболевание называется гемофилией. При гемофилии даже удаление зуба может вызвать смертельное кровотечение.

Во второй стадии свертывания  крови при участии тромбопластина происходит превращение протромбина  в активный фермент тромбин. Для нормального течения этой реакции необходимы ионы Са²⁺  и два фактора плазмы, которые выполняют роль ускорителей. Протромбин является белком плазмы, образуется он в печени. Для его синтеза необходимо наличие витамина К, который всасывается из кишечника при обязательном участии желчи.

 

Наконец, в последней, третьей, стадии под влиянием образовавшегося  тромбина растворимый белок плазмы фибриноген превращается в нерастворимый фибрин, который выпадает в виде густого сплетения тончайших нитей.

 

Три стадии свертывания  крови можно представить в  виде упрощенной схемы.

Повреждение сосуда

Первая стадия:    предшественник тромбопластина + Са²⁺ + факторы плазмы -* тромбопластин

Вторая стадия:   тромбопластин + Са²⁺  + протромбин -* тромбин

Третья стадия:    тромбин + фибриноген - фибрин

Выпушенная из сосудов  кровь начинает свертываться через 3—4 мин, а через 5—6 мин полностью  превращается в плотный сгусток.

Таким образом, Са играет важную роль в свертываемости крови.

7. Избыток и недостаток Са

Избыток Са

Если концентрация Са в крови человека более 2,6 ммол/л, то это свидетельствует об избытке минерала в организме. Высокая концентрация может быть вызвана повышенным всасыванием минерала в желудочно-кишечном тракте или его избыточным поступлением в организм. Она минерала (например, при язвенной болезни), а также пьют много молока. Передозировка витамина D тоже может влиять на концентрацию Са в крови, резко увеличивая его всасывание из желудочно-кишечного тракта

Избыток Са чаще встречается у женщин, пожилых людей и у пациентов, получивших лучевую терапию области шеи. Иногда он возникает как проявление синдрома множественной эндокринной неоплазии - редкого наследственного заболевания. Высокая концентрация минерала характерна и для больных со злокачественными опухолями, которые могут распространяться (метастазировать) в кости, уничтожая костные клетки и способствуя выделению Са в кровь. Это характерно для злокачественных опухолей предстательной железы, молочной железы и легкого. При других злокачественных опухолях концентрация Са в крови повышается по причинам, еще не полностью изученным. При нарушении подвижности, например параличах или длительном постельном режиме, также может увеличиться концентрация Са, так как костная ткань при этих состояниях теряет минерал, и он переходит в кровь. Симптомы избытка: - запор; - потеря аппетита; - тошнота; - рвота; - боли в животе; - нарушения функций мозга (спутанность сознания, галлюцинации, слабость); - нарушение сердечного ритма; - повреждение почек.

Недостаток Са

Если организм недополучает кальция, то очень скоро разлаживается  весь процесс обмена веществ, что  может привести к аритмии и  судорогам. Этот процесс приводит к  остеопорозу - ослаблению костной ткани, к различным заболеваниям - рахиту, кальцинозу и др., увеличивается риск переломов. Чтобы восполнить дефицит кальция, организм забирает его из скелета. Если органического кальция недостаточно, то происходит замещение молекул кальция, молекулами стронция. Так возникают наросты, шишки.

При дефиците кальция изменяется структура сосудов.

При недостатке кальция  наблюдаются: тахикардия, аритмия, побеление  пальцев рук и ног, боли в мышцах, рвота, запоры, почечная колика, печеночная колика, повышенная раздражительность, дезориентация, галлюцинации, спутанность сознания, потеря памяти. Волосы - делаются грубыми и выпадают; ногти - становятся ломкими; кожа - утолщается и грубеет; зубы - дефекты в дентине, на эмали зубов появляются ямки, желобки; хрусталик - теряет прозрачность. Кроме недостатка кальция, недостаток витамина D, особенно у детей, ведет к развитию характерных рахитических изменений.

Симптомы дефицита Са:

Нарушение роста у  детей, искривление позвоночника, костей нижних конечностей, склонность кожи к  аллергическим сыпям, плохая свертываемость крови, множественные синяки на теле вследствие кровотечений из капилляров тканей, остеопороз, повышенная заболеваемость кариесом, повышенная кровоточивость десен, возможно возникновения аллергических и инфекционных заболеваний, непереносимость физических и умственных нагрузок, появление камней в почках, спонтанное сокращение мышц.

Основными источниками  кальция являются молочные (молоко, творог, твердые сыры и т.д.), рыбные продукты, лесные орехи, цветная и  морская капуста. Усвоению кальция  препятствуют продукты с высоким содержанием щавелевой кислоты (шпинат, крыжовник, смородина, ревень), а также заболевания желудочно-кишечного тракта. Продукты питания должны также включать в себя достаточное количество белков (мясо, бобовые) и, что особенно важно, витамина D, высокое содержание которого отмечено в морской рыбе, яйцах, какао, сливках.

 

8. Остеопороз

Причины и  симптомы

Кости состоят в основном из кальция, а остеопороз характеризуется потерей костной массы, следовательно причиной развития остеопороза является либо не достаточное потребления кальция в пищу, либо нарушения в организме, которые не дают кальцию усваиваться. Так же, причиной может служить потребление веществ, которые способствуют выходу кальция из организма. Помимо кальция костям так же нужен фосфор, витамин D, и некоторые металлы.

     Таким образом,  причинами развития остеопороза  могут послужить: