Metabolismo del calcio

L’importanza del calcio per l’organismo è giustificata dal fatto che è il metallo più abbondante nel corpo umano. In un uomo di 70 kg sono contenuti 1,2 kg di calcio e ogni giorno, per il corretto funzionamento dell’organismo, occorre assumerne minimo 0,8 g. Il 99% di questo calcio si trova nelle ossa e nei denti, e il rimanente 1% si trova nei liquidi intracellulari ed extracellulari. A seconda che il calcio si trovi all’esterno o all’interno delle cellule, esso assume diverse funzioni:

• Nelle ossa e nei denti, il calcio ha un’importante funzione strutturale e di sostegno in quanto, unito a fosfati, carbonati e fluoruri, forma i minerali che costituiscono lo scheletro. Questa quantità è costantemente in equilibrio con il calcio contenuto nel plasma sanguigno.
• Dentro le cellule il calcio ha una funzione regolativa e, in risposta a precisi segnali esterni, attiva cascate di reazioni biochimiche e importanti meccanismi come la contrazione muscolare.
• C’è poi una quota di calcio che ripetutamente entra ed esce dalle cellule, come nella trasmissione dei segnali tra due cellule nervose presso le sinapsi chimiche.

Le fonti di calcio, provenienti dal regno animale, sono quindi i latticini, le uova, la carne e i prodotti ittici. Nelle piante invece, il calcio assume un ruolo di sostegno, in quanto rinforza la struttura delle pareti cellulari appena formate, e perciò questo macroelemento abbonda particolarmente nelle verdure a foglia, nei carciofi, nelle noci e nei legumi.

Ciclo del calcio

Il calcio è anche il quinto elemento più abbondante della crosta terrestre. Come altri elementi chimici, il calcio si trova sul nostro pianeta in diverse forme: nelle rocce, disciolto nell’acqua, nel suolo e negli organismi viventi. Ogni forma rappresenta una fase del ciclo del calcio. Il composto chimico contenente calcio più comune sulla Terra è il carbonato di calcio, che forma le rocce calcaree (Fig. 1) e i resti fossili degli organismi marini. L’azione erosiva dell’acqua sulle rocce trasporta gli ioni calcio(2+) attraverso i fiumi e i mari fino agli oceani.

Alcuni organismi marini, come i coralli e i molluschi, sono in grado di combinare gli ioni calcio con gli ioni bicarbonato per costruire i loro scheletri o le loro conchiglie. Questo processo è influenzato negativamente dall’acidità dell’acqua, che priva gli organismi del calcio necessario alla loro crescita. A sua volta l’acidità dell’acqua è legata alla crescente quantità di anidride carbonica nell’atmosfera. Le conseguenze di questo fenomeno potrebbero avere delle ricadute disastrose per interi ecosistemi marini (Fig. 2).

Calcio nelle piante

Il carbonato di calcio presente nel suolo non può essere assorbito dalle radici delle piante, che non svolgono la fotosintesi clorofilliana e che invece respirano come gli animali, producendo anidride carbonica la quale reagisce con l’acqua formando l’acido carbonico. L’acido carbonico scioglie il calcare, rendendo disponibile il calcio, per la pianta. Il calcio assorbito raggiunge le foglie dove si combina con dei carboidrati complessi chiamati pectine, contribuendo alla rigidità delle pareti cellulari. Inoltre il flusso del calcio attraverso le membrane permette alle cellule di assorbire altri nutrienti necessari per compiere la divisione cellulare ed essenziali per la crescita, lo sviluppo e le funzioni dell’intera pianta.

Quindi nelle piante la maggior parte del calcio si trova nelle parti “più giovani”, quelle in cui è maggiormente attiva la divisione cellulare (germogli, foglioline, frutti), oppure quelle in cui è necessaria una riserva di calcio per affrontare le successive divisioni cellulari, come nei semi. Tutte queste fonti alimentari contribuiscono a fornire calcio agli animali.

Assorbimento del calcio

Il corpo umano assume calcio principalmente attraverso i latticini e l’acqua minerale. Il processo di digestione gastrica provvede a staccare il calcio dai complessi che esso forma negli alimenti. Successivamente il calcio viene assorbito dalle pareti dell’intestino tenue e raggiunge il circolo sanguigno. L’assorbimento del calcio è regolato attraverso la secrezione di due ormoni: il paratormone e la calcitonina (Fig.3). Il paratormone stimola i reni ad attivare la vitamina D, che è anch’essa un ormone e a sua volta stimola le cellule dell’intestino tenue a produrre una proteina legante calcio chiamata CaBP (Calcium Binding Protein). CaBP a livello di intestino lega il calcio e permette che sia così assorbito.

Fattori che influiscono sull’assorbimento di calcio

L’assorbimento intestinale del calcio è influenzato da diversi fattori:

• La quantità di calcio ingerita, che influenza l’assorbimento del calcio il quale aumenta quando l’organismo sente di non avere calcio a sufficienza.
• Il contenuto proteico degli alimenti, perché gli amminoacidi derivanti dalla digestione delle proteine si legano al calcio e ne facilitano l’assorbimento.
• L’acidità, perché un liquido acido scioglie i sali di calcio.
• L’apporto di fosfati contribuisce a migliorare l’assorbimento del calcio che raggiunge il suo livello ottimale quando la quantità di fosfati all’interno del tubo intestinale è pari a quella del calcio.
• L’uso di antibiotici, perché gli antibiotici uccidono i batteri della flora intestinale che aiutano l’organismo ad assorbire il calcio.
• La presenza degli acidi grassi, che legano il calcio formando dei saponi, i quali non si mescolano con l’acqua e impediscono quindi l’assorbimento del calcio.
• La motilità intestinale, che trasporta il calcio verso regioni dell’intestino in cui l’ambiente non è più acido, e lì il calcio forma dei sali che non si sciolgono in acqua.
• La presenza di sostanze chiamate chelanti (come l’acido fitico e l’acido ossalico), perché la loro struttura chimica ricorda le chele di un granchio che si chiudono afferrando gli ioni calcio. Queste sostanze sono note per essere dei fattori antinutrizionali e impediscono l’assorbimento intestinale del calcio.

Il calcio, che circola nel nostro sangue, ammonta a 9-11 mg/dl, per metà disciolto nel plasma e per metà legato alle proteine. Per il mantenimento della salute e della corretta funzionalità dell’organismo è importante che questo valore, noto come calcemia, rimanga costante.

L’importanza del calcio nelle ossa

Attraverso la circolazione la maggior parte del calcio raggiunge le ossa, dove grazie all’azione della vitamina D, viene legato al fosfato per formare dei cristalli. La deposizione dei cristalli non è casuale, ma segue la direzione delle fibre di collagene prodotte dalle cellule delle ossa in crescita, chiamate osteoblasti. Perciò l’azione degli osteoblasti è un’azione costruttiva per la struttura delle ossa. Invece un altro tipo di cellule, sono chiamate osteoclasti e hanno la funzione di demolire l’osso con la liberazione del calcio e del fosfato. L’azione degli osteoclasti, così come l’assorbimento intestinale del calcio, è stimolata dal paratormone.

Calcio nei muscoli

Una parte decisamente minore, ma comunque importante del calcio, entra all’interno delle cellule grazie ad appositi canali di membrana e svolge la sua funzione nel citoplasma. Generalmente si parla di calcio come di un secondo messaggero. Questo significa che le variazioni nel calcio nel citoplasma sono dovute alla ricezione di segnali esterni (i primi messaggeri) e che tali variazioni influenzano le varie attività della cellula. Il messaggio portato dal calcio è essenzialmente quello di consumare energia.

Con questa finalità, da una parte il calcio si lega con la calmodulina e attiva la liberazione degli zuccheri contenuti nel glicogeno, i quali forniscono l’energia necessaria alle varie attività cellulari. Dall’altra similmente il calcio si lega con la troponina C, realizzando un passaggio chiave per il meccanismo della contrazione muscolare, un’attività che richiede il consumo di energia (Fig. 4). Quando lo stimolo esterno smette di agire, le cellule, consumando energia, traferiscono ioni calcio nelle cisterne del reticolo endoplasmatico liscio, in attesa del prossimo segnale stimolatore. Nei muscoli, specialmente sotto sforzo, sono attive entrambe le vie, in modo che le riserve di glicogeno siano consumate per fornire l’energia necessaria alla contrazione delle fibre muscolari.

Calcio nella comunicazione tra cellule

Un altro effetto importante provocato dall’aumento del calcio all’interno delle cellule è la liberazione di alcune sostanze prodotte dalle cellule attraverso la fusione di speciali vescicole interne con la membrana cellulare attraverso un meccanismo chiamato esocitosi. Nelle terminazioni delle cellule nervose e nelle cellule che secernono ormoni ed enzimi, sulla membrana delle vescicole si trova una proteina, chiamata sinaptotagmina che lega ioni calcio, in modo da poter interagire con altre proteine facendo fondere la membrana della vescicola con la membrana cellulare e liberando il contenuto della vescicola. Anche in questo caso, quando cessa lo stimolo, il calcio viene riportato all’esterno della cellula in attesa di ulteriori segnali.

Nel caso in cui il contenuto della vescicola sia un ormone o un neurotrasmettitore, note molecole segnale, ecco che il calcio assume la funzione di responsabile della comunicazione tra le cellule. Questa funzione può essere realizzata anche attraverso delle giunzioni cellulari che mettono in comunicazione due cellule tra loro confinanti. Tuttavia, in questo caso l’aumento del calcio provoca la chiusura delle giunzioni cellulari e interrompe le comunicazioni tra le due cellule.

Calcio nella coagulazione del sangue

Infine il calcio è un importante fattore della coagulazione del sangue (Fig. 5). Le piastrine, stimolate dai tessuti danneggiati, si attivano attraverso l’aumento del calcio nel citoplasma, fenomeno che provoca l’esocitosi di vescicole chiamate granuli. Alcuni di questi granuli contengono calcio. Il calcio, rilasciato dalle piastrine facilita l’aggregazione grazie alla sua carica elettrica positiva, la quale attrae le cariche negative che si trovano sulle membrane cellulari e nelle proteine del plasma. In questo modo il calcio è indispensabile per formare un complesso proteico che porta all’attivazione della trombina, quindi alla trasformazione del fibrinogeno in fibrina, la proteina responsabile della coagulazione del sangue.

Pompe del calcio

Abbiamo compreso che il calcio è un’importante elemento con funzione di segnale per le nostre cellule, per questo motivo occorre che la sua quantità sia ben regolata. Le cellule espellono il calcio attraverso delle proteine di membrana chiamate pompe del calcio o anche Calcio-ATPasi. Si tratta di proteine che consumano l’ATP, cioè l’energia a disposizione della cellula, per trasportare gli ioni calcio all’esterno della membrana cellulare oppure anche all’interno delle cisterne del reticolo endoplasmatico liscio.

Eliminazione del calcio

Il calcio pompato all’esterno diffonde verso la circolazione sanguigna, e i suoi valori rimangono in equilibrio, anche perché il paratormone, la vitamina D e la calcitonina regolano l’escrezione renale del calcio. Il paratormone e la vitamina D aumentano il riassorbimento del calcio nei tubuli distali (Fig. 6), mentre la calcitonina svolge l’azione contraria, aumentando invece la quantità di calcio nelle urine. Il calcio eliminato dagli organismi ritorna al terreno e al mare per ricominciare da capo il suo ciclo.

Fonti:

• Patrizia Cappelli, Vanna Vannucchi. Chimica degli alimenti, Conservazione e trasformazioni – Terza edizione – 2005 Zanichelli – ISBN 978-88-08-075895.
• Ridgwell A, Zeebe RE. “The role of the global carbonate cycle in the regulation and evolution of the Earth system”. Earth Planet. Sci. Lett. 2005 Jun 15;234 (3–4): 299–315.
• Gerard J. Tortora, Bryan Derrickson. Conosciamo il corpo umano. Anatomia, fisiologia, educazione alla salute. Per le Scuole superiori. Con espansione online – 2009 Zanichelli – ISBN 978-8808068491.
• Scott Raisman, Daniel T. Murphy. Ocean acidification: Elements and Considerations – 2013 Nova Science Publishers, Inc. – ISBN 9781629482958.
• Ronald P. Rubin, George B. Weiss, James W. Jr. Putney. Calcium in Biological Systems – 2013 Springer Science & Business Media – ISBN 9781461323778.
• Winck FV, Páez Melo DO, González Barrios AF. Carbon acquisition and accumulation in microalgae Chlamydomonas: Insights from “omics” approaches. J Proteomics. 2013 Dec 6;94:207-18.
• Fantle MS., Tipper ET. “Calcium isotopes in the global biogeochemical Ca cycle: Implications for development of a Ca isotope proxy”. Earth-Sci. Rev. 2014;131:148–77.
• Zhang J, Li L, Qiu L, Wang X, Meng X, You Yu et al. “Effects of Climate Change on 2-Methylisoborneol Production in Two Cyanobacterial Species”. Water. 2017;9(11):859.
• Bird GS. Cell Calcium special issue: Preface. Cell Calcium. 2017 May;63:1-2.
• Sito web del Yale-New Haven teacher institute: https://teachersinstitute.yale.edu/curriculum/units/1985/7/85.07.08/8

Crediti Immagini

• Immagine in evidenza: https://www.microbiologiaitalia.it/wp-content/uploads/2023/09/alimenti-ricchi-di-calcio.jpg
• Figura 1: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7c/Red_Wharf_Limestone_Formation%2C_Red_Wharf_Bay%2C_Anglesey%2C_North_Wales%2C_UK.jpg
• Figura 2: https://images.pexels.com/photos/17952819/pexels-photo-17952819/free-photo-of-coral-reef-seascape.jpeg?auto=compress&cs=tinysrgb&w=1260&h=750&dpr=2
• Figura 3: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0b/625_Calcium_Homeostasis.jpg
• Figura 4: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/24/1008_Skeletal_Muscle_Contraction.jpg
• Figura 5: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Emocoagulazione.jpg
• Figura 6: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1c/Kidney_Nephron.svg