Przyjaciel czy wróg? Dwie twarze wapnia

Poznaj rolę wapnia w ogranizmie i jego znaczenie dla komórek. Dowiedz się, czym grozi nadmiar wapnia

Nasze życie nie jest niczym więcej, niż nieustanną walką z nadmiernym ładunkiem wapnia“.

Dr Bodo Kukliński

Przypuszczalnie żaden inny pierwiastek nie odgrywa tak dwoistej roli w organizmie człowieka jak wapń. Z jednej strony to absolutnie nieodzowny składnik naszego układu kostnego – szkielet dorosłego, zdrowego człowieka zawiera około 1 kilograma wapnia, co stanowi w przybliżeniu 99% całego wolumenu tego pierwiastka w organizmie [1], jak również (głównie poprzez specjalny enzym kalmodulinę [15]) decyduje o prawidłowym funkcjonowaniu mięśni, w tym mięśnia sercowego oraz licznych enzymów, z drugiej zaś w zbyt dużych ilościach pierwiastek ten może być dla nas toksyczny.  Nadmiar wapnia w komórkach powoduje ich apoptozę.

Rola wapnia w organizmie

Generalnie wapń współdecyduje o:

  • Procesie zapłodnienia
  • Namnażaniu komórek
  • Funkcjach układu kostnego – stabilność naszego szkieletu
  • Procesach uczenia się oraz zapamiętywania
  • Kurczliwości mięśni szkieletowych oraz mięśnia sercowego
  • Funkcjach wydzielniczych różnych gruczołów
  • Procesach krzepnięcia krwi (niedobór wapnia może powodować skłonność do krwawień)
  • Funkcjonowaniu niektórych czynników transkrypcji oraz działaniu wybranych enzymów, na przykład proteaz [1]
  • Pośrednio – funkcjach odpornościowych (aktywacja komórek T)
  • Apoptozy i śmierci komórek

Ciekawostka: Poprzez aktywację specjalnego enzymu: calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaMK) IV w stanie sepsy lub szoku, wapń pomaga chronić oraz regenerować uszkodzone mitochondria, jak również spowalnia procesy fosforylacji oksydacyjnej (spowolnienie produkcji energii), tak aby ograniczyć obciążenie organizmu wolnymi rodnikami. Aktywowane wapniem CaMK przesuwa mitochondrialne procesy fuzji w kierunku fizji (rozszczepienia), tak aby umożliwić mitochondriom jak najszybsze pozbywanie się uszkodzonych fragmentów i dodatkowo zmniejszyć stres oksydacyjny w organizmie.

Znaczenie jonów wapnia dla komórek

Z jednej strony wpływ jonów wapnia (Ca2+) na nasze komórki jest bardzo prosty: w stanie spoczynku stężenie Ca2+ wewnątrz komórek wynosi około 100nM, podczas gdy wzrost ilości jonów tego pierwiastka do poziomu około 1000nM powoduje aktywację komórek. Jednak całą sprawę komplikuje fakt, iż takie zmiany poziomów wapnia wpływają na ogromną ilość innych procesów metabolicznych, do czego dochodzi jeszcze zjawisko tak zwanego crosstalku czyli zdolność ingerowania wapnia w przebiegu różnych ścieżek sygnałowych [6].

W uproszczeniu działanie jonów Ca2+ w komórce wygląda krok po kroku następująco [2], [3]:

1.  Pojawienie się bodźca, który generuje mobilizację wapnia z magazynów (retikulum endoplazmatycznego lub – w mięśniach szkieletowych – retikulum sarkoplazmatycznego).

Komórka smacznie śpi, ale tuż obok dzwoni budzik…

2.  Mobilizacja wapnia uruchamia mechanizmy, które umożliwiają napływ jonów wapnia do cytoplazmy – mówimy tutaj o otwarciu komórkowych kanałów wapniowych

… zaspana komórka wie, że musi wstawać, więc nalewa sobie kawy.

3.  Jony Ca2+, które przedostały się do wnętrza komórki po osiągnięciu odpowiedniego stężenia aktywują przebieg różnych procesów sterowanych zmianami koncentracji wapnia.

Teraz nasza komórka jest pobudzona i gotowa do działania J

4.  Uruchomienie mechanizmów, które mają za zadanie wypompowanie wapnia na zewnątrz komórki, aby przywrócić w jej obrębie stan spoczynkowy. Częścią tych mechanizmów są ATPazy, zależne od poziomu dostarczanej organizmowi przez mitochondria energii (tzw. SERCA1/2). Oprócz nich, za przechwycenie jonów Ca2+ z powrotem do retikulum endo- lub sarkoplazmatycznego odpowiadają też specjalne antyportery Na+/Ca2+.

Wreszcie nasza komórka może się odprężyć, zadanie wykonane!

Jak nietrudno wywnioskować o tym, czy wapń stanowi dla nas zagrożenie, w dużej mierze decyduje sprawność mitochondriów oraz wystarczająca ilość energii w organizmie, ponieważ mechanizm regulujący ilość jonów Ca2+ w komórkach/mitochondriach opiera się w dużej mierze o zależne od ATP pompy jonowe [16].

 

Metabolizm wapnia

Do czynników, które zaburzają prawidłowy metabolizm wapnia w organizmie zaliczamy:

  • Niedobór wapnia w diecie
  • Nadmiar wapnia w diecie i/lub suplementacji (Jak ostrzega w swojej książce Śmierć przez wapń, (tytuł oryg. Death by calcium) amerykański lekarz medycyny, Thomas E. Levy, nadmiar wapnia w organizmie jest dla nas jeszcze groźniejszy w skutkach niż niedobór tego pierwiastka, zwłaszcza jeżeli wapń odkłada się nie tam, gdzie powinien czyli w kościach, lecz na przykład w naszych naczyniach krwionośnych) [7]. Zgodnie z wynikami meta analiz, jeżeli chcemy uniknąć zawału mięśnia sercowego, nasze dobowe spożycie wapnia nie powinno przekraczać 800mg na dobę i powinno towarzyszyć mu suplementowanie witaminy D [8])
  • Dieta bogata w kwas szczawiowy (szpinak, rabarbar, kakao) i/lub kwas fitowy (w nienamoczonych zbożach)
  • Nadmierne spożywanie alkoholu oraz wypijanie dużych ilości kawy (diuretyczne działanie dużych ilości kofeiny)
  • Zaburzenia resorpcji wapnia w jelitach, w tym dysbioza jelitowa oraz choroby zapalne jelit
  • Długookresowe przyjmowanie inhibitorów pompy protonowej lub środków moczopędnych/przeczyszczających
  • Skażenie organizmu aluminium oraz metalami ciężkimi w tym zwłaszcza ołowiem – wymuszają utratę wapnia – w razie braku pewności warto wykonać badanie tzw. analiza pierwiastkowa z włosa
  • Niedobory aktywnej witaminy D czyli kalcytriolu
  • Niedobory witaminy K
  • Nieprawidłowy stosunek wapnia do magnezu w ustroju. Prawidłowa wartość wskaźnika Ca:Mg wynosi w przybliżeniu 2:1. Zbyt mała ilość magnezu (zbyt wysoka wartość wskaźnika) nasila w organizmie stany zapalne (głównie poprzez szlak IL-6), co prowadzi do stresu oksydacyjnego i naraża nas na ryzyko apoptotycznego działania wapnia (więcej na ten temat przeczytasz w dalszej części tego artykułu), [21]
  • Niewydolność nerek lub wątroby
  • Nadmiar fosforu w diecie (szczególnie chodzi tutaj o napoje typu Cola, kiełbasy i duże ilości serów)
  • Niedobory selenu w organizmie [20]
  • Uporczywy stres / nadmiar kortyzolu w organizmie
  • Długotrwała terapia kortyzolem, np. przy chorobach autoimmunologicznych [4]
  • Zmiany hormonalne towarzyszące menopauzie oraz okresowi postmenopauzalnemu
  • Nadmiar białka zwierzęcego w diecie, który prowadzi do przechylenia pH komórek i tkanek w kierunku kwasowym

(wapń jako element bufora alkalicznego w organizmie)

  • Mutacje w obrębie genów kodujących komórkowe receptory wapnia i kanały wapniowe bramkowane napięciem (mutacje rodziny genów CACNA, częściowo bada je panel metylacyjny)
  • Zaburzenia w obrębie kalmoduliny (tzw. białka modulowanego przez wapń, ang. CAM) i wynikające z tego dysfunkcje cyklazy adenylowej oraz kalcyneuryny PP2B (istotnego elementu naszej odpowiedzi odpornościowej, który aktywuje komórki T) [19].

 

Dobry wapń, zły wapń…

Dla naszego organizmu niekorzystny jest zarówno nadmiar jak też niedobór wapnia. Istotne jest również miejsce, w którym jony wapnia są zgromadzone. Generalnie możemy powiedzieć, że:

– wapń w kościach stabilizuje nasz układ szkieletowy

– wapń w przestrzeni międzykomórkowej stabilizuje komórki, zapobiegając ich nadmiernemu pobudzeniu elektrycznemu a tym samym epilepsji [5]

nadmiar uwolnionego wapnia z magazynów wewnątrzkomórkowych (takim magazynem jest komórkowe retikulum endoplazmatyczne) bezpośrednio do wnętrza komórki powoduje jej nadmierne pobudzenie, inicjuje procesy apoptotyczne i może prowadzić do śmierci komórkowej [14]

– nasze mitochondria potrzebują pewnych ilości jonów wapnia w celu utrzymywania optymalnego poziomu polaryzacji błony mitochondrialnej, co stanowi warunek konieczny dla produkcji molekuł energii ATP [16]

nadmiar jonów Ca2+ w mitochondriach powoduje nadmierną depolaryzację mitochondrialnej błony komórkowej, spadek mitochondrialnej produkcji energii oraz, w szczególności w warunkach stresu oksydacyjnego lub nitrozacyjnego, inicjuje mitochondrialne szlaki apoptotyczne. Jedną z możliwych przyczyn nadmiernego dopływu jonów wapnia do mitochondriów jest hipoksja (niedotlenienie) i przeładowanie komórek (nerwowych) glutaminianem [16]. Czynnikiem ryzyka są tutaj m. in przewlekłe stany zapalne oraz mutacje w obrębie genu GAD1, który koduje dekarboksylazę glutaminową – enzym odpowiedzialny za przemianę glutaminianu do kwasu gamma aminomasłowego, GABA [18].

Jak widzimy przede wszystkim to właśnie mitochondria decydują o tak dwoistej roli wapnia w naszym organizmie. Gdy jest go za mało – błona mitochondriów ulega destabilizacji i tracimy zdolność mitochondrialnej produkcji ATP, natomiast w warunkach nadmiaru tego pierwiastka, w szczególności w warunkach stresu rodnikowego w organizmie, dochodzi do uruchomienia mitochondrialnych mechanizmów apoptozy oraz obumierania komórek [17].

Zwiększanie dopływu jonów wapnia Ca2+ do wnętrza komórki może stanowić wyjaśnienie neurotoksycznego działania alkoholu wobec komórek mózgowych. Alkohol zaburza wewnątrzkomórkową homeostazę wapnia, poprzez wymuszanie uwolnienia jonów tego pierwiastka z retikulum endoplazmatycznego.

Nadmiar wapnia – konsekwencje

Nadmiar wapnia określany jako hiperkalcemia może prowadzić do:

  • Zaburzeń funkcjonowania nerek
  • Zaburzeń pracy układu nerwowego (nadmierne pobudzenie komórek, prowadzące do epilepsji)
  • Zaburzeń motorycznych – sztywność mięśni, bóle mięśni
  • Problemów w obrębie układu sercowo-naczyniowego
  • Śpiączki a nawet śmierci – w wyniku zablokowania mitochondrialnej produkcji energii oraz uruchomienia mitochondrialnych procesów apoptotycznych [9].

Do najpowszechniejszych przyczyn nadmiaru wapnia w organizmie zaliczamy:

  • Nadmiar parathormonu PTH, wynikający z nadczynności produkujących ten hormon przytarczyc, który mobilizuje wapń zmagazynowany w kościach i prowadzi do jego uwolnienia do krwioobiegu. Jednocześnie parathormon mówi nerkom: oszczędzajcie wapń oraz produkujcie więcej aktywnej witaminy D3 czyli kalcytriolu, który sprzyja wchłanianiu wapnia z diety [10]
  • Niektóre rodzaje nowotworów
  • Nadczynność tarczycy
  • Nadmiar wapnia w diecie, zwłaszcza w połączeniu z przedawkowaniem witaminy D, jednak to zdarza się w naszych szerokościach geograficznych naprawdę rzadko.

Markerem nadmiaru tego pierwiastka w organizmie jest poziom tak zwanego wapnia zjonizowanego czyli wapnia wolnego, który stanowi około połowy całkowitego wolumenu wapnia w ustroju. Poziom wapnia zjonizowanego we krwi sygnalizuje jednocześnie pH krwi – im wyższy poziom tego markera, tym niższe pH krwi (co ostrzega nas przed występowaniem ewentualnej kwasicy) [12]. Dalszych 40% wapnia w naszym organizmie jest związanych z albuminą, a pozostałych 10% występuje w formie związków fosforanowych lub cytrynianowych [11].

Niedobór wapnia – objawy i skutki

Z kolei hipokalcemia, czyli niedobór wapnia w organizmie może stanowić wynik:

– niedoboru witaminy D3, w szczególności jej bioaktywnej formy-kalcytriolu
– niedoboru witaminy K
– niedoboru wapnia w diecie lub zaburzeń wchłaniania
nadczynności przytarczyc/nadmiaru parathormonu PTH, etc.

Do typowych objawów niedoborów wapnia w organizmie należą:

– bóle mięśni, słabość mięśni
– drętwienie lub mrowienie
– uczucie zmęczenia
– sucha skóra (u mężczyzn) [13]

Uogólniając możemy powiedzieć, że [17], [20]:

  1. Prawidłowa homeostaza wapnia to absolutny warunek konieczny zdrowia naszego organizmu oraz prawidłowego funkcjonowania mitochondriów
  2. Do utrzymania równowagi jonów wapnia niezbędne jest nam wystarczające zaopatrzenie organizmu w wapń per se oraz takie kofaktory metabolizmu wapnia, jak witamina D3, K2 czy selen.
  3. Gospodarka wapniem decyduje o zdolności mitochondriów do produkcji energii, z kolei wystarczająca ilość ATP na poziomie komórkowym jest absolutnie niezbędna do utrzymywania odpowiedniej równowagi między ilością wapnia w przestrzeni zewnątrzkomórkowej oraz wewnątrzkomórkowej. Tutaj mamy do czynienia z efektem błędnego koła, które w przypadku zaburzeń może przerwać jedynie kompleksowa terapia mitochondrialna.

Potoczne określenie „wapniaki“ nie wzięło się znikąd – tuż po śmierci jony wapnia dosłownie zalewają komórki, które przestają się ostatecznie bronić przed naporem tego pierwiastka, co na zewnątrz przejawia się w formie tak zwanego stężenia pośmiertnego.

Jednak dopóki żyjemy nasza walka trwa. Więcej nawet, nasz organizm próbuje oswoić „wroga“ i czerpać z niego konkretne korzyści, co dodatkowo ułatwia nam medycyna mitochondrialna oraz odpowiednie odżywianie (Mitodieta), które mają za zadanie przede wszystkim dostarczenie nam wszelkich niezbędnych kofaktorów dla mitochondrialnej produkcji energii jak również mikroskładników odżywczych, które współdecydują o prawidłowej gospodarce wapniowej w organizmie. 

1. Burgerstein U., Zimmermann, M., Handbuch Naehrstoffe, Trias, wyd.12

2. https://link.springer.com/chapter/10.1007/0-387-24990-7_18

3. http://web.mit.edu/7.61/restricted/readings/F05/calcium_signal_BerridgeReview.pdf

4. https://www.endokrinologie.net/pressemitteilung/cortisol-und-knochen.php

5. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4374060/

6. Gehlert, S. et al., Ca2+-Dependent Regulations and Signaling in Skeletal Muscle: From Electro-Mechanical Coupling to Adaptation , Int. J. Mol. Sci.2015 https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwiy54-v0cPtAhXEvKQKHRJLD0oQFjAQegQIHRAC&url=https%3A%2F%2Fwww.mdpi.com%2F1422-0067%2F16%2F1%2F1066%2Fpdf&usg=AOvVaw0_VsbEztJ6kM8PnDYySiVw

7. Levy, T. E., Death by calcium, Medfox Publishing, 2013

8. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3820141/

9. https://ods.od.nih.gov/factsheets/Calcium-HealthProfessional/

10. https://www.msdmanuals.com/en-gb/professional/endocrine-and-metabolic-disorders/electrolyte-disorders/overview-of-disorders-of-calcium-concentration

11. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4062673/

12. https://jasn.asnjournals.org/content/19/7/1257

13. https://academic.oup.com/ajcn/article/77/2/348/4689673

14. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/23121601/

15. https://www.medscape.com/answers/240681-153012/what-are-the-intracellular-and-extracellular-concentrations-of-calcium-in-the-human-body

16. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2270168/

17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2844952/

18. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32705143/

19. https://jcs.biologists.org/content/131/2/jcs201467

20. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11499879/

21. https://academic.oup.com/cdn/article/3/Supplement_1/nzz034.P10-100-19/5517871