В организме млекопитающих содержание кальция превышает содержание всех остальных минералов вместе взятых. В теле взрослого человека масса кальция составляет свыше 1 кг, и 99% этого количества входит в скелет, состоящий из 206 крупных и мелких костей. Эластичность костей обеспечивается коллагеном – белком, волокна которого прочнее стальной проволоки. Твердость костям придает гидроксиапатит – соединение кальция с фосфорным ангидридом, формула которого Са10 (Р04)6 (ОН)2.
Животные испытывают не только голод и жажду, но и потребность в хлористом натрии. Однако потребность в кальции, которого в организме животных намного больше, чем натрия, не обеспечивается физиологическими рефлексами. Наземным животным приходилось приспосабливаться не к дефициту, а к избытку кальция. Кальций играет важную роль и в растениях. Ион кальция Са2+ обеспечивает коллоидальную структуру цитоплазмы растительных клеток, принимает участие в расхождении хромосом при делениях клеток и в обмене ионов через мембраны. Ионы кальция входят в состав некоторых белков и ферментов. Кальций содержится в листьях растений, в их корнях, семенах и в некоторых плодах. Травоядные животные, и особенно приматы, питающиеся листьями кустов и деревьев, поглощают с растительной пищей большой избыток кальция, выходящий за пределы их физиологических потребностей. Между тем ион кальция присутствует в крови в очень низких концентрациях, не превышающих 5 мг на 100 мл крови. Это в сто с лишним раз ниже концентрации в крови ионов натрия. Соли кальция имеют низкую растворимость, и почки плохо справляются с выделением избытка кальция. С мочой в норме человек выделяет в сутки лишь около 100 мг кальция. Если в почки попадает больше кальция, то он может выпадать в осадок в почечных канальцах, создавая проблемы. С пищей человек потребляет значительно больше кальция, в среднем от 600 до 1 000 мг ежедневно. Большая часть этого кальция удаляется с желчью через кишечник.
Крупные приматы, при их растительной пище, потребляют в среднем от 4 000 до 5 000 мг кальция каждый день. Большая часть этого кальция не проходит через стенки кишечника и не поступает в кровь. Человек в первобытный период уменьшил потребление кальция за счет включения животных продуктов в свою диету. Но избыток кальция все же оставался. Для физиологического баланса кальция эволюция создала несколько способов его удаления из организма. Но главную роль в этом балансе играет неспособность солей кальция (в отличие от солей натрия) проникать в кровь из тонкого кишечника путем простой диффузии. Соляная кислота желудочного сока переводит фосфатные и карбонатные соединения кальция в пище в более растворимые хлористые. Однако ион кальция абсорбируется через стенку кишечника лишь в форме комплекса с особым белком-носителем, синтез которого регулируется гормональным производным витамина D – холекальцийферолом (нередко обозначаемым как витамин D3). Белок – носитель кальция синтезируется в почках и печени. Если уровень кальция в крови превышает норму, синтез холекальцийферола тормозится и кальций не усваивается в кишечнике, удаляясь с остатками непереваренной пищи. Образование холекальцийферола стимулируется у беременных и кормящих женщин. Если в крови все же оказался избыток кальция из-за несовершенства кишечных регуляторов, то лишние ионы кальция связываются уже в сыворотке крови также особым белком, который постепенно отправляет лишний кальций в желчеобразование в печени. Уровень связанного с белком кальция в крови может служить показателем избытка кальция в диете. Если все эти регуляторы все же не справляются с удалением лишнего кальция, то включается аварийная система выпадения кальция в осадок в мягких тканях и в стенках кровеносных сосудов. Кальцификация артерий и сердечных клапанов возникает как патология обмена кальция [1].
Кости тоже играют важную роль в регулировании баланса кальция. Избыток кальция в крови активирует особые клетки – остеобласты, локализованные в надкостнице. Они синтезируют костную ткань, используя для этого кальций из сыворотки крови. Скелет животных, помимо выполнения опорно- двигательных функций, является также резервуаром кальция. При снижении кальция в крови активируются другие клетки – остеокласты, которые, выделяя кислоту и фермент коллагеназу, переводят контактирующий с ними гидроксиапатит костей в растворенное состояние. Все эти процессы регулируются нейрогуморальными системами. Однако гормональные компоненты этих систем различны у мужчин и женщин. У мужчин активность остеобластов и синтез костной ткани активируются тестостеронами, у женщин эстрогенами. У женщин, кроме того, есть дополнительная гормональная система, которая стимулирует остеокласты при беременности и при кормлении ребенка, ускоряя мобилизацию кальция. Эволюция заботится о новом поколении. Выходя за пределы репродуктивного возраста, женщины не способны полностью погасить стимуляцию остеокластов. В то же время образование женских гормонов эстрогенов прекращается после менопаузы. Это снижает активность остеобластов. У мужчин синтез тестостерона хотя и замедляется после 50 лет, но не останавливается до глубокой старости. В пожилом возрасте женщины поэтому теряют кальций костей намного быстрее, чем мужчины.
Физиологическая потребность в кальции
Уровень обновления кальция в костях скелета взрослого человека является объективным показателем физиологического минимума потребностей в этом элементе. Ионы кальция, необходимые для множества других функций клеток и тканей, заимствуются из более надежного костного депо, а не из пищеварительной системы, которая не может обеспечить равномерность всех обменных процессов. Остеокласты нормируют объем ионов кальция, которые отправляются из костей в кровь. В среднем это около 300 мг кальция, вырабатываемого в миллионах мельчайших углублений-лакун, расположенных на поверхности костей. Губчатые кости конечностей, таза и суставов теряют кальций быстрее, чем монолитные, защитные, такие как ребра и череп. Пища должна компенсировать компенсацию этих потерь. В ранних исследованиях баланса кальция (1951 – 1952 гг.) предполагалось, что равновесие достигается при потреблении около 300 мг кальция в день [2]. В то время механизм использования кальция костей для поддержания баланса еще не был известен. Кальций в форме ионов необходим для регуляции работы сердца, мозга, нервных волокон и гормональной системы. Этому физиологическому кальцию отдается приоритет, и поэтому необходимый уровень ионов кальция в крови обеспечивается постоянной активностью остеокластов, а не диетой. К 1970 г. были проведены десятки исследований баланса кальция улюдей разного возраста. Было установлено, что у младенцев кальций в костях полностью обновляется в течение одного года. У подростков ежегодно обновляется 20% костной ткани, у взрослых – 10, а у старых людей – 7% [3]. В тот период появилась тенденция рекомендовать более высокие дневные дозы кальция, до 800 мг. Но это был предел. При еще более высоких дозах в организме мог накапливаться лишний кальций, что создавало опасность выпадения осадков кальция в тканях и почечных канальцах.
Результаты одного из экспериментов по установлению баланса кальция, проведенного в США в 1987 г., целесообразно привести в форме таблицы [4]. В ней указан баланс кальция (в миллиграммах) у мужчин со средним возрастом 54 года.
Дополнительный кальций участники исследования получали в форме глюконата кальция, который легче усваивается в кишечнике. Результаты показывают, что дневная доза кальция в 250 мг не обеспечивает баланс у пожилых мужчин. Выделение его, в основном через желчеобразование, больше, чем поступление с пищей. В этом случае кости начинают терять свой кальций. При 820 мг не весь поступивший в организм кальций выделяется из него. 30 мг оказываются лишними и фиксируются в основном в костной ткани. Однако при потреблении 1 250 мг количество лишнего кальция увеличивается в три раза, и возможности костной ткани депонировать этот избыток могут оказаться ограниченными. Это не исключает возможности кальцификации мягких тканей, стенок сосудов и почечных канальцев. Увеличение доз кальция от 800 до 2 060 мг не приводило к большему его выделению через почки. Основной избыток кальция просто не усваивался или выводился с желчью. При дальнейшем увеличении кальция в диете нагрузка на почки становилась слишком большой, что могло вести к образованию почечных камней. Ежедневную задержку в организме лишнего кальция в количествах 100 – 160 мг нельзя считать безопасной.
Эксперименты такого типа с людьми разного возраста и пола привели в США к установлению рекомендуемой дневной дозы (РДД) кальция для мужчин и женщин старше 25 лет на уровне 800 мг в сутки. Для молодых людей 17 – 24 лет, у которых происходит процесс уплотнения костей, РДД была повышена до 1 200 мг. Такая же норма потребления кальция была рекомендована беременным и кормящим женщинам.
