1

Wapń

BIOCHEMIA

WYKŁAD 14

2

- Jest pierwiastkiem występującym w największym

stężeniu w organizmie człowieka:

99% zawarte jest w kośćcu
0,01% w osoczu
pozostały w przestrzeni międzykomórkowej i

komórkowej

- Dzienne zapotrzebowanie (z diety) dla dorosłego

człowieka – ok. 25 mmol/dobę

- Występuje w osoczu w 3 formach:

a) wolny (zjonizowany, jedyna aktywna

biologicznie forma) –

47%

b) związany z białkami –

46%

( z tego 80% z

albuminą i 20% z globulinami)
c) związany z innymi jonami (cytrynianem,

fosforanem, siarczanem lub mleczanem ) –

7%

3

Rola jonów Ca

2+

- Kofaktor wielu enzymów

- Bierze czynny udział w procesach krzepnięcia krwi

- Regulator aktywności ATP-az

- Bierze udział w regulacji przepuszczalności błon

komórkowych

- Wymianie jonów

- Powstawaniu potencjałów czynnościowych

- W przewodzeniu bodźców nerwowych

- Warunkuje prawidłowy przebieg skurczu i

rozkurczu mięśni

- Regulator uwalniania hormonów

- Tworzenie hydroksyapatytów w kości

4

Stężenie

Ca

2+

w przestrzeniach

międzykomórkowych i otoczeniu komórki

• Poziom Ca

2+

w komórce jest bardzo niski,

rzędu 10

-7

mol/l

• W płynie międzykomórkowym 10

-3

mol/l

5

Mechanizmy kontroli stężenia

Ca

2+

w

komórce

Drogi wnikania Ca

2+

do komórki:

kanały wapniowe

regulowane przez:

- potencjał błonowy
- neurotransmitery
- receptory nikotynowe (w płytce

neuromięśniowej)
- receptory ATP (w mięśniach gładkich)

* ok. 1% Ca

2+

przedostaje się do komórki poprzez

kanał sodowy

6

Kanały wapniowe regulowane przez

potencjał błonowy

- wyst. w mięśniach, neuronach i komórkach

wydzielniczych

- Jest bezwzględnie potrzebny do sprzężenia

między pobudzeniem a skurczem w mięśniach
szkieletowych, gładkich i mięśniu sercowym

- Antagoniści kanałów L – leki przeciw nadciśnieniu

7

Kanały wapniowe sterowane przez

neurotransmitery

- Najbardziej znane są aktywowane przez kwas

glutaminowy, a także przez jego analog – kwas
metylo-asparaginowy (NMDA)

- jego aktywacja związana jest z

uczeniem się i śmiercią neuronalną w wyniku
niedotlenienia

8

Regulowan
e
napięciem

Regulowane przez
cząstkę sygnałową
(np.
neurotransmiter

)

przeciekanie

Działający niefizjologicznie (odwrotnie)
Wymiennik Na

+

/Ca

2+

Wymiennik

Na

+

/Ca

2+

Pompa
wapienna

9

Usuwanie Ca

2+

do przestrzeni

międzykomórkowej

1) Pompa wapniowa (Ca

2+

-ATPaza)

-

Układ wykorzystujący swobodną energię

uwolnioną w procesie hydrolizy ATP do transportu

jonów wbrew gradientowi stężeń

-

Wysokie powinowactwo do Ca

2+

, ale stosunkowo

małej pojemności (pracuje dokładnie, ale powoli)

-

Wymaga obecności Mg

2+

-

Hydroliza 1 ATP pozwala na przesunięcie 2 Ca

2+

-

W błonie erytrocytów jest związana z kalmoduliną

-

Zahamowany przez inhibitory metabolizmu

tkankowego

-

Bardzo duża rola w siateczce sarkoplazmatycznej

10

2) Wymiennik sodowo-wapniowy

- Odpowiedzialny głównie za szybkie usuwanie Ca

2+

- Ma niższe powinowactwo do Ca

2+

, ale znacznie

większą pojemność

- Nie występuje w erytrocytach

- Dominującą rolę w usuwaniu Ca

2+

pełni w:

miocytach serca, neuronach, komórkach nabłonka

jelitowego i nerkowego

- Na 3 Na

+

przenoszone do wnętrza komórki

usuwany jest 1 Ca

2+

- W warunkach spoczynkowych w mięśniu sercowym

jest głównym mechanizmem usuwającym Ca

2+

- Umiejscowiony w błonie plazmatycznej i

wewnętrznej błonie mitochondrialnej

11

Regulowan
e
napięciem

Regulowane przez
cząstkę sygnałową
(np.
neurotransmiter

)

przeciekanie

Działający niefizjologicznie (odwrotnie)
Wymiennik Na

+

/Ca

2+

Wymiennik

Na

+

/Ca

2+

Pompa
wapienna

12

Magazynowanie Ca

2+

w organellach

Magazyny płytkie

– o dużym powinowactwie, ale małej

pojemności
- siateczka śródplazmatyczna (w komórkach

mięśniowych jest ładowana wapniem przy udziale

ATPazy zależnej od Ca

2+

i Mg

2+

; wewnatrz siateczki

stężenie Ca

2+

może dochodzić do 10 mmol/l, rola

kalsekwestryny)
- elementy cytoszkieletu i lizosomy

Magazyny głębokie

– małe powinowactwo, duża pojemność

- mitochondria (ładowane przy pomocy wymiennika

protonowego, zaczynają akumulować Ca

2+

gdy stężenie

w cytozolu przekroczy 5-10 umol/l, a więc w stanach

silnego pobudzenia lub patologii)
- jądro
- białka wiążące wapń

13

Białka wiążące wapń i ich rola

- rodzina białek z motywem dłoni EF: kalmodulina,

parwalbumina, bialka z rodziny S-100, troponina C

- białka organelli: kalsekwestryna, kalretikulina

- Białka wiążące fosfolipidy zależne od Ca

2+

: kinaza

proteinowa C, aneksyny

- pozakomórkowe: fibrynogen, α-laktalbumina,

proteinazy serynowe

14

I.

Specyficzne białka receptorowe

a) Rozpuszczone w cytoplazmie

1. kalmodulina (wszystkie tkanki)
2. troponina C (mięsień szkieletowy i sercowy)
3. parwalbuminy
4. leki łańcuch miozyny
5. białko indukowane wit.D – CaBP (głównie jelito)

b)

Związane z błoną komórkową

1. kalmodulina

II. Enzymy aktywowane wapniem nie posiadajace specyficznej

podjednostki regulatorowej

a)

W błonie mitochondrialnej

1. dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa

b)

W macierzy mitochondrialnej

1. dehydrogenaza pirogronianowa
2. dehydrogenaza α-ketoglutaranowa

c) W cytoplazmie

1. aktywowana wapniem, zależna od fosfolipidów kinaza

proteinowa (C-kinaza)

d) W błonie komórkowej

1. fosfolipaza C
2. fosfolipaza A

2

15

Kalmodulina:

- Białko występujące we wszystkich organizmach

eukariotycznych

- Stężenie w cytoplazmie komórek wynosi aż 10 umol/l

- Posiada 4 miejsca wiązania jony wapnia (1 mol

kalmoduliny wiąże 4 mole Ca

2+

)

- Po związaniu co najmniej 3 jonów Ca

2+

następuje jej

aktywacja

- Kompleks kalmodulina – Ca

2+

reguluje:

* enzymy metabolizmu cyklicznych nukleotydów

(fosfodiesterazy, cyklazy)
* enzymy transportu Ca

2+

* kinazy (np. kinaza lekkich łańcuchów miozyny) i

fosfataza białkowe
* białka wchodzące w skład cytoszkieletu
* fosfolipaza A

2

* uwalnianie neuroprzekaźników

16

Kalsekwestryna i kalretikulina

• Występuje wewnątrz

cystern ER

• Posiada niezmiernie

wysoka zdolność
wiązania Ca

2+

(1 mol

białka – 45 moli Ca

2+

)

• Dominuje w błonach

ER

• Posiada dwa regiony: o

duzej pojemności i
małym powinowactwie
(1mol białka – 20 -25
moli Ca

2+

) oraz o małej

pojemności (1 mol
bialka – 1 mol Ca

2+

)

17

Kinazy proteinowe C:

- Aktywność jest regulowana przez : Ca

2+

, fosfolipidy i

diacyloglicerol (b. znacznie zwiększa powinowactwo

kinazy do Ca

2+

)

- Uczestniczy w regulacji cytoplazmatycznego poziomu

Ca

2+

Aneksyny:

- białka, które w sposób zależny od Ca

2+

wiążą się z

fosfolipidami

- Mają zdolność hamowania aktywności fosfolipazy A

2

- Mogą w zależności od typu : stymulować zależny od

Ca

2+

proces endocytozy, regulować kanały wapniowe

18

Cytotoksyczne efekty wywołane wysokimi

stężeniami Ca

2+

19

Udział wtórnych przekźników w regulacji

napływu Ca

2+

do komórek

Uwalnia jony Ca2+
Ze zbiorniczkow
siateczki
śródplazmatycznej

Ma zdolność aktywacji
Blonowych kanałów wapniowych

20

Wapń osocza

• Stężenie wapnia w osoczu wynosi 2,3 – 2,74 mmol/l

• Stężenie wapnia w osoczu zależy od wieku –

większe jest u noworodków

• Dorosły człowiek spożywa ok. 1g/24h

• Dobowe zapotrzebowanie 10-15mg/kg masy ciała

• Fosforany i kwasy tłuszczowe wiążą wapń w jelicie i

uniemożliwiają jego wchłanianie

21

Wchłanianie wapnia

22

Za regulację stężenia wapnia

odpowiedzialne są:

1) narządy:

- kości
- jelito cienkie
- nerki

2) Substancje regulacyjne:

- parathormon
- witamina D

3

- kalcytonina

23

W wyniku zmniejszonej podaży wapnia w diecie

dochodzi do umiarkowanej

hipokalcemii

, co

powoduje:

- Uwalnianie parathormonu z przytarczyc
- Zwiększonego przeksztalcania 25(OH)

2

D

3

w

1,25(OH)

2

D

3

w mitochondriach kanalików

proksymalnych nerek

* 1,25(OH)

2

D

3

i parathormon zwiększają wchłanianie

wapnia w jelicie, jak i uwalnianie z kości

24

Przy zwiększonej podaży wapnia w diecie –

hiperkalcemia:

- Zmniejsza się wydzielanie parathormonuz

przytarczyc

- Zwiększa się wydzielanie kalcytoniny wytwarzanej

w komórkach C tarczycy

- W nieobecności parathormonu maleje aktywność

1α-hydroksylazy 25(OH)D

3

, a zwiększa się

aktywność 24-hydroksylazy – prowadząc do

zwiększonego wytwarzania 24,25(OH)

2

D

3

(pobudza wyłącznie wchłanianie wapnia w jelicie,

nie ma wpływu na uwalnianie wapnia z kości)

25

Przemiany witaminy D

26

Działanie popprzez receptory jądrowe

27

Inne działania wit. D

28

Niedobór wit. D

- U dzieci wywołuje krzywicę

- U dorosłych osteomalację (rozmiękanie kości) i

osteoporozę

- Bezpośrednim efektem niedoboru wit. D jest

hipokalcemia, która jest kompensowana przez wzrost

uwalniania parathormonu z przytarczyc, a ten szybko

przywraca normalny poziom Ca

2+

w osoczu

- Prowadzi do ubytku zasobów kostnych wapnia i

fosforanu, powoduje demineralizację tkanki kostnej

* Hiperwitaminoza D prowadzi do hiperkalcemii i

hiperkalciurii i powstawania ognisk zwapnienia w

tkankach miękkich

29

Parathormon (PTH)

-

Polipeptyd składający się z 84 aa

-

Wytwarzany przez komórki przytarczyc w formie

prekursora

-

Główny regulator homeostazy wapniowej

-

Wykazano odwrotną zależność pomiędzy stężeniem

tego hormonu a stężeniem jonów wapnia w osoczu
* wydzielanie PTH ustaje, gdy [Ca] wzrośnie do 3

mmol/l

-

Okres półtrwania 20 min

-

Wpływa na czynność nerki (utrata jonów fosforanowych

z moczem, doprowadza do zmniejszenia ich w osoczu)

-

Pobudza cyklazę adenylanową – rośnie cAMP (wpływ na

transport bierny jonów wapniowych z płynu

pozakomórkowego do komórki)

30

Mechanizm działania PTH i

1,25(OH)

2

D

3

31

Główne działania witaminy D i

parathormonu

32

Kalcytonina

- Wytwarzana przez komórki C tarczycy, przytarczycach

i niekiedy w grasicy

- Jej stężenie we krwi jest tego samego rzędu co PTH

(10

-10

mol)

- Okres półtrwania kilka minut

- Miejscem działania jest tkanka kostna i

prawdopodobnie jelito, działanie przeciwstawne do

działania PTH

- Hamuje resorpcję kości pobudzaną przez PTH

- Zapobiega rozpadowi kolagenu kości

- Zmniejsza ilość osteoklastów i ich aktywność

resorpcyjną

- Znosi mobilizujące działanie PTH, blokując

demineralizację kości spowodowaną przez cAMP

33

Mechanizm działania kalcytoniny

34

Homeostaza jonów wapnia

Zmniejszone stężenie Ca

2+

w

osoczu

35

Reakcja na niskie stężenie

wapnia i fosforanu we krwi

36

37

Hormony regulujące przemiany wapnia

38

Regulacja stężenia wapnia w osoczu

39

Rola jonów wapnia jako drugi przekaźnik

40

Rola jonów wapnia w skurczu

-skurcz jest uruchamiany przez gwałtowny wzrost

stężenia Ca

2+

-rozkurcz zależy od szybkiego usunięcia Ca

2+

z

cytozolu

- białkiem pośredniczącym w oddziaływaniu Ca

2+

na

proces skurczu mięśni szkieletowych i mięśnia
sercowego

41

42

Rola jonów wapnia w budowie kości

Tkanka kostna składa się z utkania organicznego

(95% kolagen) i podłoża mineralnego (stanowi 65-

75%wagowych)

- W obrębie podłoża mineralnego wyróżnia się 2

pule fosforanu wapniowego

* pulę bezpostaciową (amorficzną)-przeważa

w kości mlodej

* krystaliczną podobną do hydroksyapatytu

Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

- W niedoborze wit. D

3

przeważa postać

amorficzna, maleje pula krystaliczna (obecność D

3

warunkuje prawidłowe uwapnienie kości)

43

Resorpcja i tworzenie kości

- Między 20-30 rokiem życia te procesy są

zrównoważone

- Po 40 – resorpcja przeważa nad tworzeniem
- U podstaw przebudowy leży wymiana jonów Ca

2+

i

PO

43-

między osoczem krwi a zmineralizowaną

macierzą tkanki kostnej – szybkość tej wymiany
podlega kontroli PTH, 1,25(OH)

2

D

3

i kalcytoniny

(hamuje ona resorpcję kości zarówno w obecności
jak i niedoborze D3)