Calcium

Verteilung von Calcium im Körper

Aus dem Biologie-Unterricht der Sek. I wissen Sie bestimmt, dass Calcium ein sehr wichtiges Element für unseren Körper ist, Stichwort "Knochen und Zähne".

In der Tat enthält der Körper eines erwachsenen Menschen ca. 1 kg Calcium in Form verschiedener Salze und Verbindungen. Von diesem Kilogramm (bei Frauen etwas weniger, vielleicht 800 Gramm, das hängt natürlich auch von der Körpergröße und dem Gewicht ab) befinden mehr als 99,5% in Form von Calciumphosphat Ca₃(PO₄)₂ in den Knochen und Zähnen. Die restlichen 0,5% (immerhin insgesamt 5 Gramm) sind auf das Zellplasma der Körperzellen und die extrazelluläre Flüssigkeit verteilt ^[2].

In den Zellen, also im Cytoplasma, finden wir eine extrem geringe Calciumkonzentration c(Ca²⁺) von ca. 10^-7 mmol/l, weil ständig ATP-getriebene Calciumpumpen Ca²⁺-Ionen nach außen oder nach innen in das endoplasmatische Reticulum der Zellen pumpen ^[10].

Die extrazelluläre Flüssigkeit enthält deutlich mehr Calcium, hier beläuft sich c(Ca²⁺) auf ca. 10^-3 mmol/l, ist also 10.000 mal höher als im Zellplasma ^[10].

Im Cytoplasma sind 47% der Calcium-Ionen an bestimmte Proteine gebunden, hier ist vor allem das Albumin aufzuzählen. Weitere 6% des Cytoplasma-Calciums sind an andere organische Verbindungen gebunden, zum Beispiel Citrat, und der Rest, also 47%, liegen frei als hydratisierte Calcium-Ionen Ca²⁺(aq) vor ^[3].

Im Blut sind ca. 45% des Calciums als Albumin gebunden, 5% an Bicarbonat, Phosphat, Citrat und ähnliche Anionen, und 50% des Calciums liegen im Blut frei als Ca2⁺(aq) vor ^[5].

Resorption

Calcium-Ionen können auf vier verschiedenen Wegen vom Dünndarmlumen in den Blutkreislauf gelangen.

Die Resorption von Calcium kann auf vier Wegen erfolgen
Autor: Ulrich Helmich 11/2023 nach Abb. 9.4 in [2], Lizenz: siehe Seitenende

1. Parazelluläre Resorption bei hohen Ca²⁺-Werten

Bei hohen Ca²⁺-Konzentrationen im Darmlumen können Ca²⁺-Ionen recht einfach durch normale Diffusion in das Blut gelangen, und zwar über die Zwischenräume der Darmepithelzellen. Diesen Vorgang bezeichnet man als parazellulären Transport oder parazelluläre Resorption.

2. - 4. Transport durch die Enterocyten

Bei den drei anderen Transportwegen müssen die Ca²⁺-Ionen zunächst über einen selektiven Calciumkanal in den Enterocyten gelangen. Diesen Ca²⁺-Kanal sehen wir ganz oben in der apikalen Membran der beiden gezeichneten Enterocyten.

2. Transport über Lysosomen

Die Ca²⁺-Ionen werden von Lysosomen aufgenommen. Lysosomen sind spezielle Vesikel, die vom Golgi-Apparat abgesondert werden. In diesen Lysosomen werden die Ca²⁺-Ionen dann zur basalen Membran des Enterocyten transportiert und dann über eine ganz normale Exocytose in das Blut freigesetzt.

3. und 4. Transport über Calbindin

Calbindin gehört zu den calciumbindenden Proteinen, von denen es recht viele in unseren Zellen gibt. Bei der Ca²⁺-Resorption binden die Ca²⁺-Ionen an die Calbindin-Moleküle und werden von diesen dann durch das Zellplasma transportiert.

Bei dem Transportweg 3 transportiert das Calbindin die Ca²⁺-Ionen zu einer Ca²⁺-ATPase. Unter Verbrauch von ATP wird das Calcium dann in die Blutbahn entlassen.

Bei dem Transportweg 4 dagegen transportiert das Calbindin die Ca²⁺-Ionen zu einem Ca²⁺/Na⁺-Antiporter. Na⁺-Ionen strömen mit dem Konzentrationsgradienten in die Zelle ein, und die bei diesem passiven Transport gewonnene Energie wird dazu verwendet, im Gegenzug Ca²⁺-Ionen nach außen, also in das Blut zu transportieren.

Faktoren, die die Ca²⁺-Resorption fördern und hemmen

Förderung

Die Calciumresorption wird durch viele Faktoren positiv oder negativ beeinflusst. Calcitriol, also das biologisch aktive Vitamin D ist wohl der wichtigste Faktor, der die Ca²⁺-Resorption fördert. Ohne Vitamin D keine Calciumresorption. Auch das Parathormon ist wichtig für die Calciumresorption.

Hemmung

Lactose und Citronensäure fördern ebenfalls die Resorption von Calcium, während Oxalsäure und Phytinsäure die Verfügbarkeit von Calcium reduzieren, denn sie bilden mit Calcium Ca²⁺ schwer lösliche Salze, die nicht resorbiert werden können.

Ca²⁺-Resorption über Transportproteine, Einzelheiten

Calcium-Ionen werden über die Mikrovilli der Bürstensaummembran am apikalen Ende der Enterocyten resorbiert. Verantwortlich für den Transport ist das Membranprotein TRPV6. Neben Ca²⁺-Ionen transportiert TRPV6 auch Ba²⁺, Sr²⁺ und Mn²⁺-Ionen (in absteigender Reihenfolge).

Die geschlossene und die offene Konformation von TRPV6
Vinayakkhattar, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Mäuse, deren TRPV6-Gen gentechnisch stillgelegt wurde, zeigten eine kaum eingeschränkte Ca²⁺-Resorption, das heißt, es muss noch weitere Möglichkeiten zur Resorption von Calcium-Ionen geben. Schaltet man dagegen das Transportprotein TRPM7 gentechnisch aus, wird deutlich weniger Ca²⁺ von den Mäusen resorbiert, wie Untersuchungen kürzlich gezeigt haben ^[6].

Wenn die Ca²⁺-Ionen sich im Zellplasma der Enterocyten befinden, werden die Ionen sofort an Calbindin gebunden. Calbindin ist ein Vitamin-D-abhängiges Ca²⁺-Bindeprotein* und kann vier Ca²⁺-Ionen binden.

Calbindin transportiert die Calcium-Ionen dann zum Endoplasmatischen Reticulum, und in diesem Röhren-Netzwerk werden die Ca²⁺-Ionen dann zur basalen Membran der Enterocyten transportiert, ohne in das Cytoplasma zu gelangen ^{[6, 7]}.

Über den ATP-abhängigen Calciumtransporter PMCA (Plasma membrane Ca²⁺-ATPase) gelangt das Calcium dann nach außen, in den Blutkreislauf. Für den Transport von einem Ca²⁺-Ion wird ein Molekül ATP verbraucht ^[8].

*Die Expression von Calbindin ist Vitamin-D-abhängig. Das liegt daran, das Calcitriol, die aktive Form des Vitamin D, als Transkriptionsfaktor in den Zellkern transportiert wird und dort die Transkription von Genen aktivieren kann. Offensichtlich gehört das Calbindin-Gen zu diesen Vitamin-D-abhängigen Genen.

Aufgaben im Körper

Calcium als Baustoff

98-99% des Calciums sind in die Knochensubstanz eingelagert. Die Ca²⁺-Ionen bilden zusammen mit Phosphat-Ionen PO₃^4- das komplexe Salz Hydroxylapatit.

Das gebundene Calcium ist für die Festigkeit des Knochengewebes verantwortlich. Gleichzeitig stellt das Knochengewebe einen großen Calciumspeicher für den Organismus dar. Bestimmte Zellen auf dem Knochengewebe, die Osteoblasten und Osteoklasten, können Calcium in die Knochen einlagern bzw. aus den Knochen freisetzen. In den Knochen und Zähnen eines Erwachsenen sind 1 bis 1,5 kg Calcium eingelagert ^[1].

Intrazellulärer Botenstoff / Wirkstoff

Calcium-Ionen spielen eine sehr wichtige Rolle als intrazellulärer Botenstoff (second messenger), der eine ganze Reihe verschiedener Reaktionen auslösen kann. Die Wirkung von Ca²⁺ ist komplex und vielfältig.

Nur ein Beispiel: Wenn eine Samenzelle eine Eizelle befruchtet, öffnen sich in der Membran der Eizelle zahlreiche Ca²⁺-Kanäle, und Ca²⁺-Ionen strömen in die Eizelle. Erst nach dem Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration kann die Eizelle beginnen, sich zu teilen.

Aus dem Biologie-Unterricht (Neurobiologie) kennen Sie vielleicht die Rolle der Calcium-Ionen bei der synaptischen Übertragung, ohne die ja keine Gehirn-, Nerven- oder Muskeltätigkeit möglich wäre.

Wenn ein Aktionspotenzial an einem synaptischen Endknöpfchen ankommt, öffnen sich viele spannungsgesteuerte Calciumkanäle, und Ca²⁺-Ionen strömen mit dem Konzentrationsgradienten in das Endknöpfchen ein. Dort setzen sich die Ca²⁺-Ionen dann an bestimmte Proteine, was dann schließlich dazu führt, dass die synaptischen Vesikel mit ihren Neurotransmittern mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und so die Neurotransmitter in den synaptischen Spalt freisetzen.

Auch bei der Kontraktion der Muskelzellen spielen Calcium-Ionen eine entscheidende Rolle.

Wird nämlich eine Muskelzelle durch die vorgeschaltete Synapse eines Motoneurons erregt, dann führt die Depolarisierung ihrer Membran dazu, dass Calcium-Ionen aus dem endoplasmatischen Reticulum der Muskelzelle freigesetzt werden. In dem endoplasmatischen Reticulum ist die Ca²⁺-Konzentration wesentlich höher als im Cytoplasma der Muskelzelle, wenn sich also entsprechende Ca²⁺-Kanäle der ER-Membran öffnen, strömen Ca²⁺-Ionen mit Macht in das Zellplasma und setzen sich dann an die Actin- und Myosin-Moleküle. Daraufhin ziehen sich die Muskelzellen zusammen, sie kontrahieren.

Die Ausschüttung von Insulin in den beta-Zellen der Bauchspeicheldrüse ist ebenfalls ein Vorgang, der von der Anwesenheit von Ca²⁺-Ionen abhängig ist ^[2].

Auch für die Blutgerinnung ist Calcium unerlässlich, weil es mit Phospholipiden und Gerinnungsfaktoren Komplexe bilden kann, die das Verklumpen der Blutplättchen ermöglichen.

Calcium Ca²⁺ ist auch unerlässlich für die Aktivierung vieler wichtiger Enzyme. Eines von vielen Beispielen ist die Proteinkinase C, die ihrerseits viele andere Proteine mit einer Phosphatgruppe ausstattet.

Bedarf

Laut GDE liegt die empfohlene Calcium-Zufuhr bei Säuglingen zwischen 220 und 330 mg/Tag, bei Kindern und Jugendlichen je nach Alter zwischen 600 und 1200 mg/Tag und bei Erwachsenen ab 19 Jahren bei 1000 mg/Tag. Auch für erwachsene Schwangere und Stillende sind laut DGE 1000 mg/Tag ausreichend. Das ist insofern interessant, weil während der Schwangerschaft bzw. Stillzeit "erhebliche Mengen für die Versorgung des Embryos bzw. für die Milchbildung benötigt werden" ^[2].

Als Mindestzufuhr von Calcium werden für Erwachsene 500 mg/Tag angesehen ^[3].

Versorgungssituation

Obwohl Calcium in vielen Lebensmitteln enthalten ist, erreichen 46% der Männer und 55% der Frauen die empfohlene Zufuhr nicht. Bei Jugendlichen sieht die Sache noch schlimmer aus. 51% der männlichen und sage und schreibe 74% der weiblichen Jugendlichen nehmen nicht genug Calcium mit der Nahrung auf. Aber auch bei den Senioren liegen über 60% unter den Empfehlungen der DGE ^[2].

Auch Veganer und Menschen mit Lactoseintoleranz nehmen meistens zu wenig Calcium auf, weil sie auf Milchprodukte verzichten bzw. verzichten müssen.

Mangelerscheinungen

Osteoporose

Viele Menschen nehmen an, dass die Osteoporose die typische Calcium-Mangelkrankheit ist. Im Internet gibt es dazu unterschiedliche Meinungen, die Fachliteratur geht jedoch davon aus, dass Osteoporose durchaus eine Folge mangelnder Calciumzufuhr während der Jugendzeit ist ^[2].

"Es wird derzeit davon ausgegangen, dass eine optimale Ca-Zufuhr zu allen Lebenszeiten, besonders aber bis zum 35. Lebensjahr, positiv in die Ca-Bilanz eingeht und damit im Sinne einer Osteoporoseprävention wirkt. Eine hoch dosierte Supplementation ist jedoch wahrscheinlich mit einem höheren Risiko für Herzinfarkt assoziiert; jede Supplementation sollte daher mit der Zufuhr über die Nahrung abgestimmt sein, um im Bereich der Empfehlung zu bleiben." ^[3]

Rachitis

Wenn Kinder deutlich unter der empfohlenen Zufuhr liegt, besteht die Gefahr von Rachitis (Knochenerweichungen und Deformierungen des Skeletts). Bei Erwachsenen bezeichnet man diese Calciummangelkrankheit als Osteomalazie.

Da Vitamin D unerlässlich für die Calcium-Resorption ist, können solche Mangelerscheinungen auch die Folge von zu geringer Vitamin-D-Zufuhr sein. Vielleicht erklärt dies auch die Unstimmigkeiten im Internet zu den Ursachen der Osteoporose.

Folgen überhöhter Ca²⁺-Zufuhr

Eine Calciumzufuhr von bis zu 2000 mg/Tag scheint nach einigen Langzeitstudien keine Auswirkungen auf die Gesundheit der Menschen zu haben. Auch Nierensteine sind keine Folge überhöhter Calciumzufuhr, im Gegenteil, eine überhöhte Calciumzufuhr kann das Risiko der Nierensteinbildung um bis zu 35% verringern ^[2].

Eine überhöhte Calciumzufuhr, die über 2500 mg/Tag liegt, kann allerdings leichte bis schwere Folgen nach sich ziehen. Dazu gehören Schwächezustände, leichte Ermüdbarkeit, depressive Verstimmungen, Appetitlosigkeit, Übelkeit, Erbrechen, gesteigerter Durst, vermehrtes Wasserablassen und Gewichtsabnahme ^[2].

Durch normales Essen kann allerdings keine Hyperkalzämie erreicht werden, dazu muss man schon hochdosierte Nahrungsergänzungsmittel im Übermaß zu sich nehmen ^[3].

Ca²⁺reiche Lebensmittel

Als besonders Calciumreich gelten viele fettreiche Käsesorten (um 40-45% Fett in Trockenmasse):

1. Parmesan: 1107 mg/100g
2. Emmentaler: 1030 mg/100g
3. Gouda: 820 mg/100g
4. Edamer: 293 mg/100g

Auch Mandeln und Haselnüsse enthalten 252 bzw. 226 mg/100g und gelten damit noch als calciumreiche Lebensmittel.

Kuhmilch und Jogurt gehören dagegen mit nur 120 mg/100g zu den Lebensmitteln mit mittlerem Calciumgehalt, und viele Gemüsearten sind calciumarme Lebensmittel. Kohlrabi enthält beispielsweise nur 59 mg/100g. Aber auch Fleisch enthält sehr wenig Calcium, Schweinefleisch nur 11 mg/100g und Rindfleisch lediglich 3 mg/100g ^[2].