i Vápník II. a 4 20Ca 40,08 1 g Ca ~ 25 mmol Ca © Biochemický ústav LF MU (V.P.) 2009 2 Calcium II. a 4 20Ca 40,08 1 g Ca ~ 25 mmol Ca Department of Biochemistry (V.P.), Faculty of Medicine, MU Brno 2009 3 Vápník v těle : celkový vápník 1,0 -1,3 kg tělesné tekutiny 1 % kosti 99 % ECT 0,1 % ICT 0,99 % krevní plasma 375 mg 2,5 mmol I l IST fyziologicky účinný je jen * volný ionizovaný vápník !! 50 % volný, ionizovaný Ca (1,25 mmol / l) 32 % Ca vázaný na albumin (0,8 mmol / l) 8 % Ca vázaný na globuliny (0,2 mmol / l) 10 % Ca v komplexech s anionty (0,25 mmol / l) I hydrogenuhličitan, 4 laktát, fosfát, ... Calcium in the body : the whole calcium 1,0 -1,3 kg body fluids 1 % bones 99 % ECF 0,1 % blood plasma 375 mg 2,5 mmol / l IST ICF 0,99 % Only free ionized calcium is physiologically effective !! 50 % free, ionized Ca (1,25 mmol / l) 32 % Ca binding to albumin (0,8 mmol / l) 8 % Ca binding to globulins (0,2 mmol / l) 10 % Ca in complexes with anions (0,25 mmol / l) 1 hydrogencarbonates, 5 lactate, phosphate, ... Apatit/e : Ca3(PO4)2 Ca3(PO4)2 Ca2+ Ca3(PO4)2 Ca10P6O242+ ó Karbonátapatit, hydroxyapatit : Ca3(P04)2 Ca3(PO4)2 Ca2+ Ca3(P04)2 3 Ca3(PO4)2 • Ca(OH)2 hydroxyapatit CO32-2 OH" ▼ hydroxyapatit je hlavní strukturální komponenta kosti ~ 65 % hmotnosti kosti 7 Carbonatapatite, hydroxyapatite : Ca3(P04)2 Ca3(PO4)2 Ca2+ Ca3(P04)2 3 Ca3(PO4)2 • Ca(OH)2 hydroxyapatite CO32-2 OH" ▼ hydroxyapatite is the main structural component of bone ~ 65 % of bone weight 8 Fluoroapatit/e r Ca3(PO4)2 Ca3(P04)2 Ca2+ 2 F- Ca3(P04)2 (dentin/e) 9 Nerozpustné vápenaté soli • • CaCO, - „rozpustný" je Ca(HCO3)2 existuje jen ve vodném roztoku Ca(COO)2 CaSO4 (velmi málo rozpustný - podmiňuje stálou tvrdost vody) Ca3(PO4)2 CaHPO4 - rozpustný je Ca(H2PO4)2 10 Insoluble calcium salts : CaCO, - Ca(HC03)2 is „soluble" J it exists in water solution only ! Ca(COO) CaS04 (only slightly soluble - it produces the permanent hardness of water) Ca3(PO4): CaHP04 - Ca(H2PO4)2 is soluble 11 Rozložení a pohyby kalcia v těle : Minerální depozita - - 25 mol Ca Denní příjem přibližně 25 - 30 mmol (fosfáty, oxaláty, fytáty) absorpce do 15 mmol / d sekrece až 7 mmol / d 17 -25 mmol /d (rychle směnitelných 100 mmol) remodelace kosti 7,5 mmol / d rychlá směna 500 mmol / d ECT 2,5 mmol / l celkem jen 35 mmol ICT signální funkce 0,1 Mmol / l filtrace 240 mmol / d i / h X tubulární resorpce 230 mmol / d :uje, kalcitonin a vysoká 5 - 6 mmol /d 0/ /o 12 Occurrence and movement of calcium in the body : Daily intake approximately 25 - 30 mmol (phosphate, oxalate, phytate) absorption up to 15 mmol / d secretion up to 7 mmol / d 17 -25 mmol /d Mineral deposit 25 mol Ca (rapidly exchangeable 100 mmol) remodeling of bone 7,5 mmol / d rapid exchange 500 mmol / d ECF 2,5 mmol / l total 35 mmol only ICF signal function 0,1 Mmol / l filtration 240 mmol / d i / h X tubular resorption 230 mmol / d Excretion fraction max. 5 % PTH decreases it, calcitonin and high supply ises it 5 - 6 mmol /d 13 Vápníková homeostáza : 1/ parathyrin (PTH, parathorm'on) *...........H 2 / kalcitonin (thyreokalcitonin) 3 / kalcitriol 4 / (osteokalcin) 14 Calcium homeostasis : 1/ parathyrin (PTH, parathyroid hormone) 2 / calcitonin (thyreocalcitonin) 3 / calcitriol 4 / (osteocalcin) 15 Parathyrin (PTH) (1) : prepro-PTH 115 AA pro-PTH 90 AA PTH 84 AA t1/2 ~ 3 - 5 min N-terminální sekvence (28 AA) ® biologická aktivita hypokalcemie ® zv. PTH hyperkalcemie, kalcitriol ® sn. PTH zv. = zvýšen/í sn = snížen/í 16 Parathyrin (PTH) (1) : prepro-PTH 115 AA pro-PTH 90 AA PTH 84 AA t1/2 ~ 3 - 5 min N-terminal sequence (28 AA) ® biological activity hypocalcemia ® incr. of PTH hypercalcemia, calcitriol ® decr. of PTH incr. = increase/d decr. = decrease/d 17 Parathyrin (PTH) (2): membránový receptor (kost, ledvina) adenylátcyklasa 1 zv. intracelulárního cAMP i zv. intracelulárního vápníku i fosforylace bílkovin kinasami aktivace enzymů/bílkovin s konečným biologickým účinkem hormonu 18 Parathyrin (PTH) (2): membrane receptor (bone, kidney) 1 adenylatcyclase 1 i incr. intracellular cAMP 1 incr. intracellular calcium 1 i phosphorylation of protein by kinases activation of enzymes/proteins with end biological effect of hormone 19 Senzor pro kalcemii : receptor ® Gq- protein ® vzestup P-Ca2+ zde má inhibiční vliv (rozdíl od ostatních buněk !!) senzor v příštítných tělíscích 20 Sensor for calcemia : receptor ® Gq- protein ® incr. in P-Ca2+ has hier inhibition influence (the difference from other cells !!) sensor in parathyroid gland 21 Účinek PTH : 1/ kost: ® osteoklast ® resopce kosti ® zv. kalcemie 2/ ledvina: • zv. resorpce Ca2+ ® zv. kalcemie, sn. kalciurie • sn. resorpce HPO42- ® zv. fosfaturii • zv. 1 a-hydroxylace kalcidiolu (prox. tubulus) ® kalcitriol ® zv. střevní resorpce 3/ střevo: zv. střevní resorpce (kalcitriol) ® zv. kalcemie 22 Effect of PTH : 1/ bone: ® osteoclast ® bone resorption ® incr. calcemia 2/ kidney: • incr. resorption of Ca2+ ® incr. calcemia, decr. calciuria • decr. resorption of HPO42- ® incr. phosphate- uria • incr. 1a-hydroxylation of calcidiol (prox. tubulus) ® calcitriol ® incr. gut resorption 3/ gut: incr. intestinal resorption (calcitriol) ® incr. calcemia 23 Kalcitonin : (thyreokalcitonin, 32 AA) • antagonista PTH, účinek stimulován estrogeny • omezený význam pro regulaci, ochrana před náhlým zv. kalcemie • sekrece řízená kalcemií (senzor obdobný příštítným tělískům) • tlumí kostní resorpci, podporuje novotvorbu matrix (léčba osteoporózy) • inhibuje resorpci Ca i fosfátů v ledvinovém tubulu ® ® zv. exkreci Ca i fosfátů • je druhově specifický (lososí kalcitonin má 50 % AA shodných s lidským) • analgetické působení u kostní bolesti 24 Calcitonin : (thyreocalcitonin, 32 AA) • antagonist of PTH, effect stimulated by estrogens • limited signification for regulation, protection against violent incr. of calcemia calcemia is in control of the calcitonin secretion (sensor similar to parathyroid gland) decr. bone resorption, incr. new production of matrix (treatment of osteoporosis) decr. reabsorption of Ca and phosphate in the kidney tubule ® incr. exkretion of Ca and phosphate • it is species-specific (salmon calcitonin has 50 % of AA identical with the human one) • analgesic effect in bone pain 25 Kalcioly : 7-dehydrocholesterol (játra) \ kalciol (kůže uv ) \ kalcidiol (játra 25a-OH) ® hl. metabolit kalciolu v plazmě ( < 10 mmol / l, sezónní rozdíly, t1/2 ~ 20-30 d, vazba na D-binding protein) kalcitriol (ledvina icc-oh) inhibice: zv. kalcitriol zv. kalcitonin nadbytek přijatéto Ca stimulace: PTH při hypokalcemii somatotropin 26 Calciols : 7-dehydrocholesterol (liver) calciol (skin uv ) calcidiol (liver 25oc-Oh) ® the main metabolite of calciol in plasma ( < 10 mmol / l, season differences, t1/2 ~ 20-30 d, bonding to D-binding protein) calcitriol (kidney i«-oh) inhibition: incr. calcitriol incr. calcitonin excess in intake of Ca stimulation: PTH at hypocalcemii somatotropin Kalcitriol : 1/ enterocyt: zv. resorpce Ca do ECT - mechanismus: • změna konformace cytosolového kalmodulinu ® účinnější vazba Ca2+ ® ® usnadnění přechodu Ca2+ membranou • kalbindin (= CaBP = calcium binding protein) indukce jeho syntézy ® zprostředkování transportu Ca buňkou • Ca2+-ATPasa, indukce její syntézy ® ® čerpání Ca z enterocytu do ECT 2/ kost: regulace resorpce i novotvorby kostní tkáně = protichůdné děje, mechanismus nejasný 28 Calcitriol : 1/ enterocyte: incr. resorption of Ca into ECF - mechanismus: • change of conformation of cytosol calmodulin ® more effective bonding of Ca2+ ® ® easier Ca2+ crossing of the membrane • calbindin (= CaBP = calcium binding protein) induction of its synthesis ® possibility of Ca transport in the cell • Ca2+-ATPase, ® induction of its synthesis ® draw Ca from enterocyte to ECF 2/ bone: regulation of resorption and new formation of bone tissue = the opposite actions, the mechanismus not understandable 29 Osteokalcin (1) : = BGP = bone Gla protein 49 AA t1/2 ~ 4 - 5 min • obsahuje 3 karboxyglutamáty (Gla) pro vazbu Ca2+ viz dále • reguluje mineralizaci kostí • marker remodelace kostí (aktivita osteoblastů v tvorbě organické matrix) 30 Osteocalcin (1) : = BGP = bone Gla protein 49 AA t1/2 ~ 4 - 5 min • contents 3 carboxyglutamate (Gla) for the bond of Ca2+ see next • regulates the deposit of bone mineral • marker of bone remodeling (osteoblast activity in forming of organic matrix) 31 Osteokalcin (2) • • c karboxylace Glu T í 2 c -C x XN C 2 0 \ — c n — (vitamin K) C g-karboxyglutámová kys. (Gla) C C C 2 C C ^ ([) a vazba Ca2+ c \ c —c -/\N l|l 0 u C 2 0 -C 32 Osteocalcin (2) i C carboxylation of Glu T C 2 C 2 — (vitamin K) f 0 í2 C g-carboxyglutamic acid (Gla) C /u\ C -C H -C X XN - ( C C ■ i ( ( H (b á + bonding of Ca2+ c —C i -C / rjí 0 n u C 2 0 C -C ' x N - 33 Vápník (1) : • v Česku má osteoporózu každá 3. žena a každý 5. muž • potřeba vápníku - 1 g / d (-25 mmol / d) starší muž + žena v menopauze - 1,5 g Ca / d • V g Ca - V l mléka - 65 g tvrdého sýra - Y4 l bílého jogurtu 34 Calcium (1) : • in the Czech Republic suffers from osteoporosis every 3rd woman and every 5th man • needed calcium - 1 g / d (-25 mmol / d) older man + woman in menopause - 1,5 g Ca / d • »Y g Ca - Y l milk - 65 g solid cheese - % l white yogurt 35 Vápník (2) : • v dětství a dospívání zužitkujeme - 50 % z podaného Ca • v dospělosti zužitkujeme jen - 20 - 25 % z podaného Ca !! • nejvíc Ca se vstřebává - z polotučných mléčných výrobků - z některé zeleniny (květák, růžičková kapusta, čekanka, brokolice) - z kysaných mléčných výrobků (kyselé mléko, jogurty, zákysy) vlivem kyselého prostředí se vstřebá více Ca než ze samotného mléka !! - z okrajových zdrojů: mák, ořechy, sardinky 36 Calcium (2) : in childhood and during adolescence we utilize ~ 50 % from given Ca in adulthood we utilize ~ 20 - 25 % from given Ca !! Ca is absorbed at most - from medium-fat dairy products - from some vegetable (cauliflower, Brussel sprout, chicory, broccoli) - from sour dairy products (sour milk, yogurt, ....) more Ca is absorbed from the acidic products than from milk alone !! - from marginal sources: poppy seed, walnut, sardines 37 Vápník (3) : • nevhodné zdroje vápníku - špenát - pro vysoký obsah šťavelanů ® vznik nerozpustného Ca(COO)2 - tavené sýry - obohaceny velkým množstvím fosforečnanů ® vznik nerozpustného Ca3(PO4)2 a CaHPO4 značný příjem kys. fosforečné představuje Coca Cola !! - listová zelenina s vysokým obsahem Mg (hořčíku má být o polovinu méně než vápníku) 38 Calcium (3) : • unsuitable sources of calcium - spinach - high content of oxalates ® formation of insoluble Ca(COO)2 - processed cheese - fortified with large amount of phosphates ® formation of insoluble Ca3(PO4)2 a CaHPO4 - Coca Cola comprises considerable amount of phosphoric acid !! - foliar vegetable with high content of Mg (magnesium should be taken one half less than calcium) 39 Roztok „ACD — R 110" ( příprava krevních konzerv, „citrátová krev" ) 1 Natrii citras dihydricus ( Na3C6H5O7 • 2 H2O ) 1,4 g Acidum citricum monohydricum ( C6H8O7 • H2O ) 0,5 Glucosum ( C6H12O6 ) 2,5 Aqua pro injectione ad 100,0 pH roztoku » 5,1 ± 0,1 100 ml roztoku + 350 až 450 ml krve 40 The solution „ACD - R 110" ( preparation of conserved blood, „citrate blood" ) 1 Natrii citras dihydricus ( Na3C6H5O7 • 2 H2O ) 1,4 g Acidum citricum monohydricum ( C6H8O7 • H2O ) 0,5 Glucosum ( C6H12O6 ) 2,5 Aqua pro injectione ad 100,0 pH of the solution » 5,1 ± 0,1 100 ml of the solution + 350 to 450 ml of blood 41 Roztok „ACD - R 110" ( příprava krevních konzerv, / „citrátová krev" ) 2 krev (400 ml) + ACD roztok (100 ml) ® krevní konzerva (500 ml) 1,4 g citrátu (Mr = 294,10) / 500 ml ® 2,8 g / l 2,8 / 294,10 = 9,52 mmol / l 0,5 g kys. citronové (Mr = 210,14) / 500 ml ® 1 g / l y^ l / 210,14 = 4,75 mmol / l ckřáíového aniontu celkem : 14,28 mmol / l 42 The solution „ACD - R 110" ( preparation of conserved blood, „citrate blood" ) 2 blood (400 ml) + ACD slution (100 ml) ® conserved blood (500 ml) 1,4 g of citrate (Mr = 294,10) / 500 ml ® 2,8 g / l 2,8 / 294,10 = 9,52 mmol / l 0,5 g of citric acid (Mr = 210,14) / 500 ml ® 1 g / l l / 210,14 = 4,75 mmol / l totafcitric anion: 14,28 mmol / l 43 Roztok „ACD - R 110" ( příprava krevních konzerv, „citrátová krev" 3 1 krevní konzerva (500 ml) ® » 7,14 mmol citrátového aniontu CH2-COO- Ca2+ HO-C COO- CH2-COO- CH2-COO- Ca2+ HO-C COO- Ca2+ CH2-COO- 3 Ca2+ + 2 citrát3" ® ® Ca3(citrát)2 Ca3(citrát)2 = calcii citras = citran vápenatý je NEDISOCIOVANÁ sůl, ve vodě rozpustná = výjimka: nedisociované soli jsou nerozpustné !! Na této výjimečné rozpustnosti nedisociované vápenaté soli je založena téměř celá transfúzni služba !! V krevních konzervách nelze připustit vznik nedisociované a současně nerozpustné soli, tj. vznik sraženiny (např. oxalát vápenatý) ! Citrátový anion je přidán ve značném nadbytku (viz dále), takže bezpečně vyváže (odstraní) z roztoku všechny vápenaté ionty, potřebné pro srážení krve. 44 The solution „ACD - R 110" ( preparation of conserved blood, „citrate blood" ) 3 1 conserved blood (500 ml) ® » 7,14 mmol of citrate anion CH2-COO-| Ca2+ 3 Ca2+ + 2 citrate3- ® HO-C-COO- ® Ca3(citrate)2 CH2-COON N Ca2+ ✓ ✓ CH2-COO- Ca3(citrate)2 = calcii citras = calcium citrate is UNDISSOCIATED salt, HO-C-COO-1 Ca2+ 1 ✓ soluble in water 1 CH2-COO- = the exception: undissociated salts are insoluble !! On this exceptional solubility of undissociated salt is based almost the whole blood transfusion service !! In the conserved blood must not be present any undissociated and concurrently insoluble salt, it is precipitate (e.g. calcium oxalate) ! The citrate anion is added in greate abundance (see next), so it bonds (removes) safely from the solution all calcium ions, needed for blood clotting. 45 Roztok „ACD - R 110" ( příprava krevních konzerv, „citrátová krev" ) 4 3 Ca2+ + 2 citrát3" ® Ca3(citrát)2 1,5 Ca2+ + 1 citrát3- 1 mmol citrátu váže cca 1,5 mmol volného Ca 7,14 mmol citrátu (z 500 ml transfundované krve) je schopno vázat 10,7 mmol (volného) Ca tj. (teoreticky) Ca z více než 4 l krve !! P-[tCa] » 2,5 mmol / l při větších objemech transfuzí krve je nutno myslet na vznik možné hypokalcemie ! (® aplikace calcii gluconas od 2. transfúze ?) 46 The solution „ACD - R 110" ( preparation conserved blood, „citrate blood" ) 4 3 Ca2+ + 2 citrate3" ® Ca3(citrate)2 1,5 Ca2+ + 1 citrate3" 1 mmol of citrate binds cca 1,5 mmol of free Ca 7,14 mmol of citrate (in 500 ml of conserved blood) are able to bind 10,7 mmol of (free) Ca it is {theoretically) Ca from more than 4 l of blood !! P-[tCa] » 2,5 mmol / l At big volumes of transfused blood we should think about origin of possible hypocalcemia ! (® administration of calcii gluconas from the 2nd transfusion ?) 47 ± 48