Кальций (Ca) — главный минерал для костей и здоровья организма

Когда мы слышим о кальции, то чаще всего воспринимаем его как некий биологический «бетон», скрепляющий скелет. Этот металл действительно отвечает за важнейшую функцию укрепления костей, однако его биохимический функционал гораздо шире, чем принято считать. Пятый по распространенности элемент в организме человека, составляющий 1,5% массы нашего тела, на клеточном уровне координирует работу мышц, сердечно-сосудистой и нервной систем. Из этой статьи вы узнаете, как был открыт кальций, какими свойствами он обладает и сколько этого макроэлемента нужно потреблять для поддержания оптимального здоровья.

История открытия и изучения кальция (Ca)

В древнем мире, когда до великих химических и биологических открытий было еще очень далеко, люди уже использовали кальций для своих нужд. Речь идет об извести — оксиде или гидроксиде кальция. Материал из обожженных известняковых пород более 9 000 лет назад начали массово применять для скрепления строительных блоков и оштукатуривания стен. Египтяне использовали известь при строительстве пирамид, китайцы не могли обойтись без нее при возведении Великой стены, а античные мастера создавали невероятно прочную смесь извести с вулканическим пеплом.

Однако лишь в 1808 году британский химик Гемфри Дэви выделил чистый кальций из гашеной извести. Название «calcium», как и обозначение элемента Ca в Периодической таблице Дмитрия Менделеева, было образовано от латинского слова «calx», означающего «известь». До открытия Дэви соединения кальция, такие как мел, гипс и мрамор, не считались сложносоставными веществами, содержащими металл. В начале XIX века кальций был идентифицирован как один из ключевых компонентов, составляющих кости и зубы.

В то время как Гемфри Дэви открыл кальций для химии, его соотечественник, врач и фармацевт Сидней Рингер, совершил одно из определяющих биологических открытий. В 1882 году он проводил эксперименты с изолированным сердцем лягушки, стремясь поддерживать его сокращения. В растворе хлорида натрия — обычной поваренной соли — сердце билось стабильно, и ученый полагал, что в этом заслуга хлорида. Но когда он повторил опыт еще раз, сокращений добиться не удалось. В результате выяснилось, что неопытный лаборант Рингера в первом случае использовал обычную водопроводную воду, содержащую соли кальция, которых нет в дистиллированной воде. Продолжая исследования, Сидней Рингер доказал, что кальций жизненно необходим для сокращения мышц и передачи внутриклеточных сигналов.

Химические свойства и особенности кальция (Ca)

В Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева кальций расположен под 20 атомным номером, во II группе. Будучи щелочноземельным металлом, он имеет валентность II, то есть легко отдает два своих электрона на внешней оболочке атома, образуя соединения. Высокая химическая активность кальция определяет его ключевые свойства.

• Взаимодействие с водой. Если кальций оказывается в воде, начинается бурная реакция с выделением пузырьков водорода (H) и образованием щелочи в виде гидроксида кальция (Ca(OH)₂) — гашеной извести. Также кальций является главным «виновником» образования накипи. В водопроводной воде он содержится в виде солей и, включая чайник, мы запускаем термическую реакцию, в результате которой образуется нерастворимый белый осадок — карбонат кальция (CaCO₃).
• Реакции с газами. На открытом воздухе кальций моментально вступает в реакцию с кислородом и тускнеет, трансформируясь в оксид кальция (CaO) — негашеную известь. Этот процесс происходит гораздо интенсивнее при горении. Высокие температуры, превышающие 450 ^оС, проявляют еще одно интересное свойство кальция. Очень инертный в химическом плане атмосферный азот вступает в реакцию с кальцием, что приводит к образованию его нитрида (Ca₃N₂) — вещества, распространенного в химических технологиях.

Биологическая роль и функции кальция в организме

Если бы в организме человека кальций содержался в виде обычных атомов металла, мы буквально кипели бы изнутри из-за многочисленных химических реакций. В костной ткани и зубной эмали он содержится совместно с фосфором в минеральной форме гидроксиапатита — вещества с химической формулой Ca₅(PO₄)₃OH. На гидроксиапатит приходится порядка 99% всего кальция в организме — он отвечает не только за структурную целостность скелета, но и за хранение ценного макроэлемента.

Оставшийся 1% кальция содержится в организме в биологически активной ионизированной форме Ca²⁺. Теряя 2 свободных электрона в результате многоэтапных процессов обмена веществ, кальций приобретает положительный заряд, что позволяет ему связываться с отрицательно заряженными анионами: белками, фосфатами и цитратами.

Внутри клеток содержится в 10 000 раз меньше ионов кальция, чем снаружи. Но как только клеточная мембрана получает импульс или взаимодействует с гормонами, она пропускает колоссальное количество кальция внутрь. Связываясь с внутриклеточными сенсорами, ионы выполняют сигнальную функцию, запуская самые разные биохимические процессы.

Кальций и здоровье костей, зубов и суставов

Интуитивно мы воспринимаем кости и зубы как нечто очень похожее, однако это разные ткани. И хотя в обеих из них кальций отвечает за поддержание целостности структуры, проявляет он себя по-разному. Попробуем разобраться, в чем же заключаются отличия.

• Кости — это не «застывшая» структура, а динамичная ткань, которая постоянно обновляется. За изменения отвечают специальные клетки: остеокласты разрушают старую поврежденную ткань, а остеобласты строят на ее месте новую, используя кальций. С возрастом разрушение происходит интенсивнее, чем восстановление, и потребность в кальции возрастает. Кроме того, если уровень кальция в крови падает, организм тут же забирает его из костей, жертвуя их прочностью.
• Зубы являются самой твердой частью человеческого тела только благодаря своей защитной оболочке — эмали. Эмаль почти полностью состоит из гидроксиапатита, тогда как в костях его доля составляет не более 70%. Когда мы едим что-то кислое или сладкое, кальций деминерализуется, однако богатая ионами слюна оперативно «ремонтирует» эти повреждения. Если же воздействие сахаров и кислот становится слишком интенсивным, эмаль не успевает восстанавливаться. Сначала она разрушается сама, а затем повреждаются и внутренние ткани зуба — начинается кариес. В отличие от костей, эмаль не может возвращать кальций в кровь, а при его дефиците она страдает одной из первых.

Кальций играет двоякую роль в поддержании здоровья суставов. В самих хрящевых тканях его содержится немного, однако здоровые крепкие кости, сформированные кальцием, являются надежной опорой суставов и поддерживают их правильную геометрию. Но если концентрация макроэлемента в организме становится слишком высокой, в самих тканях и суставной жидкости начинают образовываться микрокристаллы кальция, вызывающие сильные боли и воспаления.

Кальций и работа сердца, нервной системы и мышц

Мышцы являются одним из самых главных «потребителей» кальция. Внутри мышечных клеток расположены специальные белковые нити — актин и миозин, — которые «цепляются» друг за друга при каждом нашем движении, требующем сокращения мышц. Регулируют этот процесс вспомогательные белковые комплексы: тропомиозин и тропонин. В состоянии покоя тропомиозин закрывает собой места актиновой нити, за которые должен цепляться миозин. Но как только в мышцу поступает кальций, он воздействует на тропонин, отодвигающий тропомиозин и позволяющий белковым волокнам сцепляться друг с другом.

Сердце тоже представляет собой мышцу, но особенную. Оно нуждается в кальции не только для непрерывного запуска сокращений, но и для их регуляции. Чем больше кальция поступает в клетки, тем мощнее становится поток выбрасываемой крови. Организм использует эту особенность в стрессовых ситуациях и под нагрузками, с помощью кальция повышая интенсивность питания тканей. Кроме того, кальций напрямую участвует в создании электрических импульсов. В синусовом узле — нашем природном кардиостимуляторе — его периодические выбросы способствуют изменению заряда белков на клеточных мембранах. При деполяризации возникает электрический разряд, поддерживающий стабильность сердечного ритма.

В нервной системе кальций выполняет функцию универсального передатчика. Нервные клетки, также известные как нейроны, взаимодействуют друг с другом посредством импульсов. Однако нейроны не соприкасаются вплотную, между ними есть небольшой промежуток — синапс. Когда импульс достигает края одной клетки, ему необходимо перейти к следующей вместе со специальным веществом — нейромедиатором. На этом этапе в процесс вовлекается кальций — воздействуя на клетку, он будто заставляет ее выбросить нейромедиатор, который успешно преодолевает синапс и передает сигнал дальше по цепочке.

Основные источники кальция в продуктах питания

Так как кальций является химическим элементом, наш организм неспособен синтезировать его в результате метаболизма. Поэтому очень важно регулярно получать его из внешних источников — в основном из пищи. С детства мы знаем о том, что богатыми источниками макроэлемента являются молочные продукты, но по общей доле содержания их превосходят многие виды съедобной растительности. Рассмотрим некоторые продукты, лидирующие по содержанию кальция в мг на 100 г:

• Базилик сушеный — 2 240;
• укроп сушеный — 1 780;
• мята сушеная — 1 490;
• сыр пармезан — 1 180;
• петрушка сушеный — 1 140;
• сыры гауда, тильзитер и моцарелла — 700;
• черный перец молотый — 440;
• сгущенное молоко 8,5% жирности — 300;
• соевые бобы зеленые — 200;
• молоко 3,7% жирности — 119.

Как мы можем видеть, в абсолютных числах молоко уступает множеству других продуктов, однако утверждение о том, что его необходимо пить для восполнения кальция, вовсе не бессмысленно. Хотя в 100 г сушеного укропа и петрушки действительно содержится много этого макроэлемента, съесть такое количество высушенной зелени гораздо сложнее, чем выпить стакан молока. Кроме того, отличным источником кальция, который не так часто упоминают, является минеральная вода. Кальциевые воды содержат от 150 до 500 мг кальция на литр и являются разумной альтернативой для людей с непереносимостью лактозы.

Суточная норма потребления кальция для детей и взрослых

На основании многочисленных исследований метаболизма, проводимых как в XX, так и в XXI веке, национальные институты разных стран, ответственные за безопасность продуктов питания, определили рекомендуемы суточные нормы потребления кальция. Важно отметить, что они актуальны для большинства здоровых людей, не имеющих проблем с усвояемостью и сопутствующих патологий. Рекомендуемые нормы потребления рассчитаны в мг в зависимости от пола и возраста:

Прокомментируем ключевые моменты, которые можно вынести из этой таблицы.

• Резкий скачок суточной нормы у годовалых детей, начинающих ходить, обусловлен необходимостью увеличения плотности костей. Кроме того, биодоступность кальция в материнском молоке выше, чем в обычных продуктах, а как правило, именно в начале второго года жизни заканчивается грудное вскармливание ребенка.
• К 18 годам люди достигают пика своей костной массы, что отражается на снижении потребностей. Иными словами, организм перестраивается с активного наращивания костей на поддержание их структуры.
• Из-за возрастной гормональной перестройки — снижения уровня выработки эстрогена — женщины начинают испытывать потребность в повышенных дозах кальция заметно раньше, чем мужчины.
• Для беременных и кормящих женщин отдельные нормы не рассчитаны, так как их организм временно «заимствует» дополнительный кальций из скелета, и после окончания кормления костная ткань восстанавливается. То есть прием дополнительных доз кальция попросту не имеет смысла, однако нужно следить за тем, чтобы обычные возрастные нормы кальция поступали в организм регулярно.

Дефицит кальция: причины, симптомы и последствия

Дефицит кальция или, как его называют в медицине, гипокальциемия — это опасное состояние, при котором уровень минерала в тканях и крови падает так сильно, что его не хватает для обеспечения прочности костей и эмали, а также правильного функционирования систем и органов. В основных группах риска по дефициту находятся женщины в постменопаузе и люди, которые в силу разных обстоятельств не употребляют молочные продукты. Организму может не хватать кальция из-за неполноценного питания, но чаще люди испытывают проблемы с его всасыванием. Основными причинами недостаточного усвоения являются:

• дефицит витамина D;
• избыток соли, сахара, кофеина и алкоголя в рационе;
• заболевания желудочно-кишечного тракта;
• почечная недостаточность;
• гормональные сбои;
• длительный прием мочегонных средств.

Обнаружить дефицитное состояние бывает непросто, так как организм очень «дорожит» кальцием и может долго маскировать проблему, восполняя его уровень в крови за счет костных тканей. Первыми тревожными признаками нехватки являются разрушение эмали зубов, частый кариес и мышечные судороги. В дальнейшем могут проявляться повышенная усталость, онемения конечностей, хрупкость костей и нарушения сердечного ритма. При игнорировании симптомов дефицита среди возможных последствий выделяют остеопороз, гипертонию, тревожные расстройства и депрессивные состояния.

Избыток кальция: риски и осложнения

Хотя гиперкальциемия, то есть избыток кальция, встречается не столь же часто, как его дефицит, она все же остается серьезной и распространенной проблемой. При чрезмерном употреблении продуктов, например, сыров, заработать ее почти невозможно, так как кишечник попросту перестанет усваивать макроэлемент. Однако бесконтрольный прием биологически активных добавок и гормональные нарушения являются частыми причинами избытка кальция.

Во многих случаях первыми из-за гиперкальциемии страдают почки. Они не успевают выводить лишний кальций из организма, и его ионы вступают в реакции с различными веществами, образуя твердые кристаллы. Так развивается мочекаменная болезнь — камни в почках, вызывающие острую боль. Кроме того, на фоне нехватки витамина K избыток кальция часто приводит к кальцификации сосудов. Это опасный процесс, при котором минерал оседает на стенках сосудов, снижая их прочность и эластичность. Негативными последствиями кальцификации являются аритмия, гипертония, повышенные риски инфарктов и инсультов.

Лекарственные формы кальция и правила их приема

При выборе лекарственной формы кальция необходимо следовать назначениям врача и ни в коем случае не принимать препараты после самодиагностики. На фармацевтическом рынке кальций обычно встречается в форме таблеток и растворов, содержащих соли. Среди наиболее распространенных препаратов можно отметить.

• Карбонат кальция — недорогие препараты, содержащие около 40% кальция. Для полноценного растворения необходим нормальный уровень кислотности желудка. В ином случае кальций не усвоится.
• Цитрат кальция — соль лимонной кислоты содержит более 21% кальция. Усваивается в 2,5 раза лучше, чем карбонат, и не зависит от кислотности среды. Поэтому цитраты можно принимать натощак.
• Хелат кальция — препараты с аминокислотами содержат 10-20% кальция. Организм воспринимает хелаты как пищу, благодаря чему минерал быстро всасывается кишечником и не приводит к его расстройствам.
• Глюконат кальция — содержит всего 9% кальция, что предполагает его прием в высоких дозах. Врачи часто прописывают подобные препараты из-за мягкости их воздействия на сосуды, что особенно важно при внутривенном введении.

Кальций в спорте и при высоких нагрузках

Спортсмены и люди, деятельность которых связана с повышенными физическими нагрузками, теряют много кальция как в результате интенсивного сокращения мышц, так и при выходе через поры кожи вместе с потом. Поддержание высокого уровня минерала в крови позволяет сохранять мышечный тонус и стимулирует выносливость. При этом исследования показывают, что богатую кальцием пищу или биодобавки рекомендуется принимать не до, а после нагрузок и занятий спортом, чтобы восполнить потери и восстановить костную ткань, выполнявшую функцию «донора» макроэлемента.

Взаимодействие кальция с другими витаминами и минералами

Взаимодействия кальция с другими нутриентами — это важный аспект его приема, так как он может не проявлять своих полезных свойств в отсутствие одних элементов или при наличии других. В биологии подобные физиологические процессы называют синергией и антагонизмом, что означает «взаимопомощь» и «соперничество» соответственно. Давайте разберем основные особенности взаимного приема кальция с другими веществами.

• Синергия. Кальций не усваивается организмом без витамина D, в частности, его более стабильной формы D3. Чтобы кальций не только попал в кровь, но и направился к костям и зубам, ему необходим витамин K, активирующий белок остеокальцин. Обе вышеупомянутые функции также выполняет и магний, но помимо того, он играет важную роль в сокращении мышц, помогая им расслабляться.

• Антагонизм. Главным «конкурентом» кальция за усвоение организмом является железо, так как оба элемента всасываются при участии одного и того же белка — DMT1. Рекомендуемый перерыв между приемами продуктов, богатых кальцием и железом, составляет 3 часа. Резкое повышение уровня фосфора в крови, например, от сладкой газировки, приводит к тому, что организм стремится избавиться от его излишков, попутно выводя связанные с фосфором ионы кальция.

Кальций в вопросах и ответах

1. Что такое кальций и какую роль он играет в организме?

Кальций — это щелочноземельный металл, который содержится в организме в виде соединений или положительно заряженных ионов. Он отвечает за структурную целостность костей и зубной эмали, а также влияет на работу мышц, сердца и нервов.

2. Кто и когда впервые выделил кальций как элемент?

Кальций как химический элемент в 1808 году выделил британский ученый Гемфри Дэви.

3. Сколько кальция содержится в организме человека?

В организме здорового человека массой 80 кг содержится примерно 1,2 кг кальция.

4. Какие продукты являются лучшими источниками кальция?

В процентном соотношении больше всего кальция содержит зелень, однако для его эффективного восполнения рекомендуется употреблять в первую очередь молочные продукты.

5. Как правильно усваивается кальций из пищи?

Кальций из пищи лучше всего усваивается в сочетании с витамином D, магнием и протеинами.

6. Почему кальций важен для здоровья костей и зубов?

Кальций наряду с фосфором отвечает за крепость костей и зубной эмали. Кроме того, при его участии обновляется костная ткань.

7. Как проявляется дефицит кальция у взрослых?

Симптомами дефицита кальция могут быть частые проблемы с зубами, мышечные боли и судороги, а также повышенная утомляемость.

8. Какие признаки нехватки кальция у детей?

У детей нехватка кальция может привести к рахиту.

9. Может ли избыток кальция нанести вред организму?

Да, избыток кальция повышает риск развития мочекаменной болезни и кальцификации сосудов.

10. Как связаны кальций и витамин D?

Без витамина D кишечник человека не может полноценно всасывать кальций.

11. В каких формах выпускаются препараты кальция?

Препараты обычно выпускают в форме таблеток или растворов для инъекций, содержащих соли кальция.

12. Когда нужно принимать кальций в таблетках или порошках?

Принимать кальций в таблетках или порошках необходимо только после назначения врача.

13. Можно ли получить достаточное количество кальция только из пищи?

Да, при полноценном питании, а также отсутствии кишечных патологий или гормональных сбоев организм получает достаточное количество кальция.

14. Нужен ли кальций спортсменам и людям с активным образом жизни?

Спортсменам и людям с активным образом жизни рекомендуют принимать кальций после физических нагрузок, чтобы компенсировать его потери.

15. Какие минералы и витамины мешают усвоению кальция?

Усвоению кальция мешают железо и избыточное количество фосфора.

***

Подводя итоги, мы можем сказать, что кальций является незаменимым компонентом нашего организма. От него зависит не только крепость костей, но и множество биохимических процессов, без которых жизнь была бы невозможной. Кроме того, наука объясняет нам, насколько важно соблюдать баланс, чтобы не допускать дефицитных и избыточных состояний, а также принимать кальций осознанно — в сочетании с теми веществами, которые помогают ему выполнять свою невидимую, но очень важную работу.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Ai-generated

• #Минералы