Rola wapnia w organizmie: poznaj 8 najważniejszych funkcji!

Wapń to najczęściej występujący minerał w naszym organizmie. Pełni rolę budulca dla kości i zębów, uczestniczy w pracy mięśni, serca, neuronów, odporności i regulowaniu ciśnienia tętniczego, a także: steruje cyklem życia komórek i może wywoływać ich planową śmierci (apoptozę). A to tylko jego najważniejsze funkcje!

Z tego artykułu dowiesz się:

• Czym jest wapń
• Jakie role wapń pełni w:
  • komunikacji między neuronami;
  • krzepnięciu (koagulacji) krwi;
  • regulowaniu ciśnienia tętniczego krwi;
  • pracy serca;
  • działaniu układu odpornościowego;
  • funkcjonowaniu i apoptozie komórek;
  • kurczeniu się mięśni;
  • oraz budowie kości i zębów.

Skrót informacji znajdziesz w podsumowaniu.

Sprawdź też: Osteoporoza: przyczyny, objawy, leczenie i profilaktyka.

Co to jest wapń?

Wapń jest piątym najpowszechniejszym pierwiastkiem na Ziemi, trzecim najpowszechniejszym metalem i najpowszechniejszym minerałem w organizmie człowieka. Magazynujemy go w naprawdę dużych ilościach, bo około kilograma. A ponieważ nasze ciało jest niezdolne do produkcji wapnia, minerał ten jest również niezbędnym elementem naszej diety.

Czym jeszcze jest wapń? Przekaźnikiem pierwotnym i wtórnym. Przekaźniki pierwotne to związki służące jednym komórkom – wchodzącym np. w skład tarczycy – do wysyłania informacji drugim komórkom. W ten sposób działa choćby adrenalina, wydzielana przez nadnercza, a trafiająca do serca, co skutkuje zwiększeniem liczby jego uderzeń na minutę.

Przy czym: przekaźniki pierwotne zwykle kończą swoją podróż na powierzchni (błonie) komórki docelowej, gdy aktywują właściwy odbiornik, najczęściej receptor. W odpowiedzi na tę aktywację komórka wydziela przekaźniki wtórne, które modulują pracę jej narządów (organelli). Efektem modulacji może być zaś rozwój komórki, jej proliferacja tudzież namnożenie, planowa śmierć (apoptoza) i tak dalej.

Wreszcie, wapń jest budulcem. Nasze kości i zęby składają się w 1/3 z tkanki żywej, głównie kolagenu, a w 2/3 z minerałów właśnie, przede wszystkim wapnia i fosforu. Ta dwójka łączy się w pary, by następnie – jako mikrokryształy – osiąść na rozpościerających się w kościach, kolagenowych włóknach. Kolagen zapewnia im odporność na rozciąganie, a minerały: na ściskanie. Więcej o kościach (i zębach) na końcu 🙂

Może Cię zainteresować: 12 źródeł wapnia w diecie – od alg po mleko, zapotrzebowanie i suplementacja.

Role wapnia w organizmie

Jako najpowszechniejszy minerał w naszym ciele, wapń ma naprawdę sporo roboty. Do najważniejszych procesów, w których uczestniczy, należą: uwalnianie neuroprzekaźników, koagulacja krwi, regulowanie ciśnienia tętniczego i pracy serca, zwalczanie patogenów, funkcjonowanie i apoptoza komórek, kurczenie mięśni i mineralizacja kości. Każdemu z nich przyjrzymy się w szczegółach!

Wapń w pracy neuronów

Wyjaśnijmy może, tak na dobry początek, czym w ogóle są neurony i jaką rolę pełnią. Otóż: to inaczej komórki nerwowe, odpowiedzialne za przekazywanie informacji między naszymi tkankami – mięśniami, organami – a mózgiem. Informacje, czyli wszystko to, co czujemy (powiew letniej bryzy, klocek Lego pod stopą), robimy (uśmiechanie się), słyszymy (alarm) itd.

By zrozumieć, jak informacje krążą w ciele, i jaką rolę pełni w tym procesie wapń, musimy przyjrzeć się budowie neuronu. A ta jest podobna do budowy drzewa! U podstawy komórki mamy korzenie – fachowo zakończenia aksonu, wyżej znajduje się pień – akson, z kolei szczyt zajmuje korona – dendryty. Co ważne, między dendrytami a aksonem znajduje się jeszcze „mózg” neuronu, czyli jądro w somie.

Teraz omówimy funkcje elementów neuronu, a zaczniemy od dendrytów. Ich powierzchnię wypełniają receptory,wrażliwe na konkretne neuroprzekaźniki – np. adrenalinę, serotoninę czy dopaminę. Gdy te substancje przyłączą się do wspomnianych receptorów:

1. otworzą się kanały odpowiedzialne za przepuszczanie kationów (atomów o ładunku dodatnim) do środka neuronu, co doprowadzi do wygenerowania impulsu elektrycznego;

albo:

• otworzą się kanały odpowiedzialne za przepuszczanie anionów (atomów o ładunku ujemnym), uniemożliwiając powstanie impulsu i przekazanie go dalej.

My przyjrzymy się scenariuszowi a), bo jednym z czterech najważniejszych kationów jest… wapń. Gdy przenika on do neuronów, powiększa się nierównowaga między liczbą dodatnio naładowanych atomów na zewnątrz i wewnątrz komórki. Neuron zyskuje niższy ładunek od otoczenia.

O ile ta różnica osiągnie wartość co najmniej 15 miliwolt (-55 mv) względem otoczenia (-70 mv), informacja powędruje do jądra w somie. Stamtąd impuls biegnie przez akson, aż do zakończeń aksonów, co skutkuje wpuszczeniem wapnia do wnętrza komórki na końcu nerwu. Efekt? Kiedy wapń wchodzi, neuroprzekaźniki wychodzą, trafiając do kolejnych neuronów. I tak w kółko.

Podsumowując: wapń to jeden z ważniejszych (obok potasu, chloru i sodu) kationów wykorzystywanych przez neurony do przekazywania informacji. Służy im zarówno do generowania ładunku elektrycznego, jak i do uwalniania neuroprzekaźników. Jego rola w układzie nerwowym jest więc kluczowa – tym istotniejsza, jeśli brać pod uwagę fakt, że przeciętny mózg składa się z ponad 86 miliardów neuronów.

Wapń w krzepnięciu (koagulacji) krwi

Gdy naczynie krwionośnie ulega uszkodzeniu, ciało musi powstrzymać utratę krwi. Rozwiązanie wydaje się oczywiste: odtworzenie zniszczonych tkanek.Ale ten proces trwa – godziny, dni, czasem tygodnie – dlatego potrzebujemy błyskawicznego, a zarazem tymczasowego sposobu na zatamowanie krwawienia. I właśnie taką rolę pełnią zakrzepy krwi, powstające przy udziale wapnia.

Po kolei. We krwi człowieka krąży specjalna glikoproteina (połączenie cukru, gliko, z białkiem, proteiną), zwana Czynnikiem von Willebranda. Jej zadanie? Wiązanie się z włóknami kolagenowymi, odsłanianymi wskutek uszkodzenia, a następnie ściąganie na miejsce inne białka – płytek krwi. Przyłączają się one bądź do kolagenu, bądź do czynnika, uwalniając przy okazji ponad 300 różnych substancji.

Jedną z nich jest wapń, wydzielany w większości przez płytki krwi wiążące się z kolagenem. Minerał ten pełni wówczas rolę przekaźnika pierwotnego, bo sygnalizuje innym płytkom z krwioobiegu konieczność przyłączenia się do formowanego zakrzepu. Ponadto, do zadań wapnia należy także aktywacja czynnika koagulacyjnego FXIII, powstrzymującego ciało przed zbyt wczesnym usunięciem zakrzepu.

A skąd ta rzymska liczba na końcu? Proces krzepnięcia krwi nazywamy fachowo kaskadą koagulacyjną – „kaskadą”, bo przebiega on etapowo – w której uczestniczy co najmniej 20 różnych białek, receptorów, minerałów itd. Oznaczamy je liczbami (od I do XX) z przedrostkiem F (z ang. Factor, czyli czynnik). W tym systemie wapń występuje pod nazwą FIV, choć na wykresach bywa również oznaczany jako CA²⁺.

Wapń a ciśnienie tętnicze krwi

Tętnice to największe naczynia krwionośne, niosące krew z i do serca oraz z i do płuc. Otaczają je mięśnie, odpowiedzialne za regulację ciśnienia krwi. Gdy się kurczą: średnica tętnic ulega zmniejszeniu, co skutkuje wzrostem ciśnienia, a gdy się rozszerzają – światło tętnic ulega rozszerzeniu, zatem ciśnienie spada.

Mięśnie, podobnie jak inne tkanki naszego ciała, składają się z komórek, a komórki te wypełnia specjalny płyn, cytozol. Czym zaś większe stężenie wapnia w cytozolu, tym wrażliwsze stają się komórki na sygnały o konieczności rozluźnienia lub skurczenia mięśni. Minerał ten zwiększa także opór obwodowy naczyń, czyli, w ogromnym uproszczeniu, „usztywnia” naczynia, podnosząc ciśnienie krwi.

Czy to źle? Niekoniecznie. Jeśli znasz kogoś o zbyt niskim naturalnym ciśnieniu krwi, wiesz, że ono też może uprzykrzać życie – w równym stopniu, co nadciśnienie. O ile więc jesteśmy w pełni zdrowi, wapń umożliwia nam zachowanie ciśnienia optymalnego, potrzebnego do funkcjonowania na co dzień. Z założenia jest więc dobry (choć zbyt wielka koncentracja wapnia w cytozolu również może być szkodliwa!).

Wracając zaś do tematu… oprócz mięśni gładkich otaczających tętnice, wapń wpływa też na hormony, a mianowicie: reninę, angiotensynę i aldosteron. Układ ten – w skrócie RAAS – aktywuje się w odpowiedzi na spadającą objętość krwi i/lub brak dostatecznej ilości sodu w obiegu, np. wskutek odwodnienia. Jego rolą jest przywrócenie, względnie podniesienie ciśnienia tętniczego krwi do prawidłowego poziomu.

RAAS osiąga ten cel poprzez: zwężenie światła tętnic (by zatrzymać spadek ciśnienia), ograniczenie ilości wody wydalanej z organizmu i wysycanie nią krwi, oraz uwolnienie sodu do krwioobiegu. A jako że wapń – w optymalnych ilościach – ogranicza syntezę wymienionych hormonów, to zapobiega zwiększaniu ciśnienia krwi ponad miarę. Optymalnych ilościach, czyli takich zapewnianych przez przeciętną, europejską dietę.

Wapń w pracy serca

Serce dzielimy na pięć podstawowych elementów: przedsionek lewy i komorę lewą, przedsionek prawy i komorę prawą, oraz węzeł zatokowo przedsionkowy. Jego lewa strona – przedsionek i komora – zajmują się pompowaniem krwi zużytej, pozbawionej tlenu, z ciała do płuc. Jego prawa strona – znów, przedsionek i komora – przekazują świeżo natlenioną krew z płuc do ciała.

W węźle zatokowo-przedsionkowym powstają natomiast sygnały elektryczne, które zarządzają pracą obu komór, tj. prawej i lewej. Gdy sygnał przechodzi przez mięsień sercowy, sprawia, że komory się kurczą, wyrzucając krew do tętnic, zaś po przejściu sygnału – rozkurczają, wpuszczając do pustych komór krew z przedsionków. Cykl ten nazywamy cyklem sercowym, a wapń odgrywa w nim kluczową rolę.

Jaką? Otóż najmniejszą jednostką, komórką, które tworzą mięsień sercowy, jest kardiomiocyt, a pośrodku tej komórki pływa „magazyn” wapnia – retikulum sarkoplazmatyczne, w skrócie SR. I tak się składa, że w chwili dotarcia impulsu elektrycznego z węzła zatokowo-przedsionkowego do kardiomiocytu, SR wyrzuca duże ilości wapnia do cytozolu (przypomnijmy: płynu wypełniającego wnętrze komórek).

W efekcie, ładunek elektryczny komórki ulega zmianie z pozytywny na negatywny. Impuls przekazywany jest do kolejnych kardiomiocytów, ale co jeszcze ważniejsze: wyrzucony wapń łączy się ze specjalnym białkiem,troponiną, co prowadzi do skurczenia się mięśnia sercowego. Następnie wapń odłącza się od troponiny i wraca do SR, a serce na powrót się rozluźnia, wpuszczając nową krew do komór.

Wapń może też wydostawać się poza kardiomiocyty i do nich wracać – zależnie od tego, w jakich ilościach go potrzebujemy. Dla przykładu: to właśnie ilość jonów wapnia dostępnego w cytozolu kardiomiocytu determinuje moc, z jaką serce uderzy. Albo: populacja wapnia może regulować ilość sodu oraz potasu w kardiomiocytach (o roli tych elektrolitów w sercu napiszemy jednak innym razem).

Wapń a odporność

Limfocyty typu T to rodzina komórek wchodząca w skład naszego układu odpornościowego. Ich rola? To zależy – od rodzaju limfocytu. Istnieją limfocyty T dziewicze, których zadaniem jest 1) wykrycie oraz 2) zapamiętanie intruzów, z którymi jeszcze nie walczyliśmy. Albo: limfocyty T cytotoksyczne, wpuszczająca cytotoksyny do zainfekowanej komórki celem jej uśmiercenia… i tak dalej.

Wykrywanie i zapamiętywanie intruzów realizowane jest przy użyciu antygenów. To białka umieszczane przez organizm na powierzchni wrogich obiektów (wirusów, bakterii), a wykrywane przez limfocyty T – za pomocą specjalnego receptora. Gdy antygen wiąże się z receptorem,  dochodzi do opróżnienia magazynu wapnia komórki, retikulum endoplazmatycznego, a minerał trafia do cytoplazmy.

Równolegle limfocyty produkują gliceryd, diacyloglicerol, aktywujący enzym, kinazę proteinową C. Ten, ostatni, wspólnie z wapniem, prowadzą do przemodelowania cytoszkieletu (wewnętrznego szkieletu – komórki też go mają!). Efekty? Po pierwsze: limfocyty stają się bardziej mobilne. Po drugie: wykształcają synapsę immunologiczną, która pozwala im komunikować się z rozpoznanym antygenem.

Diacyloglicerol, dodajmy, pełni jeszcze jedną istotną funkcję. Do jego zadań należy bowiem sprowadzanie wapnia spoza komórki, co skutkuje aktywacją czynników transkrypcyjnych (m.in. AP-1 i NFAT). Jak sama nazwa wskazuje, są niezbędne do procesu transkrypcji, w którym fragment DNA – np. instrukcja produkcji konkretnego białka – jest przekładany na RNA. Tak przełożone informacje sterują pracą komórki.

Rola wapnia nie ogranicza się jednak do limfocytów. Wyrzut wapnia z retikulum endoplazmatycznego do cytoplazmy zachodzi bowiem m.in. w mastocytach. Efekt? Komórki te uwalniają do otoczenia substancje pośredniczące w rozwoju stany zapalnego. Co więcej, wapń uczestniczy też w produkcji cytokin, chemokin i… wciąż odkrywamy nowe, pełnione przez niego zadania.

Wapń w pracy i apoptozie komórek

Większość komórek naszego ciała pracuje w dobowych cyklach: godzinę poświęca na rozmnażanie przez podział, fachowo mitozę, a pozostałe 23 godziny na rozwój, fachowo interfazę. Samą interfazę dzielimy na trzy etapy, mianowicie G1 (Gap-1, z ang. Przerwa-1), S (Synthesis, z ang. Synteza) oraz G2 (Gap-2, z ang. Przerwa-2). A jako przekaźnik wtórny, wapń jest zaangażowany na każdym z tych etapów.

Pierwszy etap, Gap-1, następuje świeżo po zakończonym podziale. W jego trakcie komórka jest skupiona na wzroście, a więc rozwoju organelli, zwiększaniu populacji enzymów, białek etc. Jedenaście godzin później dociera zaś do punktu kontrolnego, gdy musi zdecydować, czy chce się podzielić – i dążyć do tego celu za wszelką cenę – czy zatrzymać się w „trybie czuwania”, G0.

Jeśli zapadnie decyzja o przejściu do następnej fazy, Synthesis,musi dojść do gwałtownego wzrostu ilości kalmoduliny – białka modulowanego przez wapń (Calcium-modulated protein, w skrócie Calmoduline) – w cytoplazmie komórki. Na ilości kalmoduliny, aktywnej tylko po związaniu się z jonami wapnia, polega kluczowy enzym: CaMKII. Badania sugerują, że przejście z fazy G1 do S jest bez niego niemożliwe.

Co więcej, wapń jest także potrzebny do odblokowania – fachowo fosforylacji – retinoblastomy, białka będącego zarazem czynnikiem transkrypcyjnym. Pisaliśmy o nich wcześniej. W każdym razie: czynnik ten uczestniczy w ekspresji genów niezbędnych do startu fazy S! A co jeszcze ciekawsze, stężenie wapnia w otoczeniu komórki determinuje tempo powielania DNA, realizowanego właśnie w fazie S.

Mniej więcej po ośmiu godzinach, gdy materiał genetyczny komórki zostanie podwojony, ta przechodzi do etapu Gap-2 – ponownie skupiając się na wzroście. Gdy miną kolejne cztery godziny, przychodzi czas na ostatnią fazę cyklu komórkowego: mejozę (lub mitozę – zależnie od rodzaju komórki). I tu powtarza się historia z kinazą białkową II zależną od kalmoduliny, CaMKII: bez niej rozpocząć podziału się nie da.

A gdzie cykl komórkowy się kończy? Otóż wraz z jej apoptozą, czyli planowaną śmiercią. Komórka może zrealizować samozagładę na szereg sposobów, a jednym z nich jest zaburzenie równowagi wapniowej w jej wnętrzu. Jest to możliwe np. wskutek wyrzucenia wapnia z retikulum (sarko- lub endoplazmatycznego) do wnętrza komórki – i ściągnięcia go z zewnątrz – w takiej jego ilości, by stał się toksyczny.

Wapń a praca (skurcze) mięśni

Nasze mięśnie składają się z pęczków włókien mięśniowych, pęczki z włókien, włókna z miofibryli, miofibryle z sarkomerów, a sarkomery – z ułożonych naprzemiennie białek, aktyny i miozyny. Otacza je, opisywany przez nas wyżej, magazyn wapnia, czyli retikulum sarkoplazmatyczne (SR), wraz z organellami: jądrami, mitochondriami, aparaty Golgiego etc. Pracą sarkomerów sterują zaś, przylegające do włókien, neurony motoryczne.

A jak przebiega proces kurczenia mięśni? Najpierw neuron motoryczny uwalnia neuroprzekaźniki, między innymi acetylocholinę, aktywujące receptory na powierzchni włókien mięśniowych. W konsekwencji, do wnętrza włókien wpuszczane są jony sodu i potasu – oba o dodatnim ładunku elektrycznym. To skutkuje zmianą ładunku wewnątrz włókna, co prowadzi do uwolnienia wapnia z SR.

Teraz do akacji wkraczają aktyna z miozyną: to dłuuugie białka, ułożone naprzemiennie (aktyna-miozyna-aktyna-miozyna…), wzdłuż siebie. Na powierzchni miozyny znajdują się drobne, odstające na boki rączki – fachowo filamenty – które mogą przyciągać aktynę. W stanie spoczynku, gdy stężenie wapnia jest małe, rączki przylegają do miozyny; zaś gdy to stężenie rośnie, rączki unoszą się, chwytając aktynę.

Filamenty miozyny chwytają aktynę, przyciągają ją do siebie – zmieniając po drodze własną strukturę molekularną – a następnie puszczają. Cały proces powtarza się do momentu, w którym aktyna nasunie się na miozynę, co skutkuje skróceniem długości całego sarkomeru. I to właśnie do skracania pojedynczych sarkomerów sprowadza się kurczenie mięśni!

Na marginesie: powyżej opisaliśmy udział wapnia w pracy mięśni poprzecznie prążkowanych. Między nimi – tj. sercem, mięśniami szkieletowymi – a mięśniami gładkimi występuje trochę różnic, ale co do zasady, wapń umożliwia „chwytanie” aktyn przez filamenty miozyn.

Wapń w budowie kości i zębów

Wbrew pozorom, nasze kości nie są ledwie „martwą materią”: to żywa tkanka, remodelowana – tudzież rozbierana i budowana – bez chwili wytchnienia. W ich wnętrzu biegną naczynia krwionośne, mieści się szpik kostny, a także rezerwuar minerałów, przede wszystkim fosforu i wapnia. Ba! Kości magazynują przeszło 99% (ok. 990 gram) wapnia, a ciało na bieżące potrzeby wykorzystuje tylko…1% ( 10 gram).

Strukturyzowaniem wnętrza kości zajmują się osteoblasty. Wydzielają one między innymi kolagen typu I, białka niekolagenowe – osteonektyny, osteopontyny – i proteoglikany, a wszystkie te elementy tworzą organiczną macierz kostną. Macierz poddawana jest zaś mineralizacji,  polegającej na łączeniu się fosforu i wapnia w mikrokryształy, a następnie osiadaniu kryształów na kolagenowych włóknach.

Ilość odłożonych w ten sposób minerałów determinuje gęstość mineralną kości. (W skrócie BMD, z ang. Bone Mineral Density). Co do zasady: im wyższa gęstość, tym wyższa wytrzymałość mechaniczna kości, a więc i niższe prawdopodobieństwo złamania. A także: większe zapasy, bo kości, jak już wspominaliśmy, są wielkim magazynem wapnia, opróżnianym, gdy tego brakuje w naszej diecie.

Minerał ten pełni równie istotną rolę w zębach, a raczej w szkliwie. Badania wskazują bowiem, że wapń jest głównym budulcem szkliwa, tworzącym – z niewielkim udziałem magnezu – ponad 87% jego objętości i 95% wagi(!). A im głębsze warstwy badamy, tym silniejsza ich mineralizacja. Nic dziwnego, jeśli weźmiemy pod uwagę, że to właśnie minerały stanowią o wytrzymałości szkliwa.

Podsumowanie

Od generowania impulsów elektrycznych w neuronach przez degranulację płytek krwi, łączenie miozyny z aktyną, proliferację i apoptozę komórek, sterowanie pracą limfocytów, aż po wytrzymałość mechaniczną kości czy regulację ciśnienia krwi… Trudno znaleźć minerał, który byłby równie szeroko wykorzystywany przez nasz organizm – i równie intensywnie przezeń magazynowany.