생물학의 칼슘

칼슘 이온(Ca²⁺)은 유기체 세포의 생리학과 생화학에 기여한다. 그들은 신호 전달 경로에서 중요한 역할을 하는데,^[1][2] 거기서 그들은 제2의 전달자 역할을 하고, 신경세포로부터 신경전달물질을 방출하고, 모든 근육세포 유형의 수축과 수정에서 중요한 역할을 한다. 많은 효소는 응고 인자의 몇 가지를 포함하여 칼슘 이온을 공작용제로 필요로 한다. 세포외 칼슘은 또한 적절한 뼈 형성뿐만 아니라 흥분성 세포막에 걸쳐 전위차를 유지하는 데도 중요하다.

포유류의 플라즈마 칼슘 수치는 뼈가 주요 광물 저장장소로 작용하면서 ^[1][2]엄격하게 규제되고 있다. 칼슘 이온인 Ca는²⁺ 통제된 조건에서 뼈에서 혈류로 방출된다. 칼슘은 혈류를 통해 용해된 이온으로 운반되거나 혈청 알부민 같은 단백질과 결합된다. 부갑상선에 의해 분비되는 부갑상선 호르몬은 뼈에서 Ca의²⁺ 재흡수를 조절하고, 신장에서 다시 순환하는 재흡수하며, 비타민 D의₃ 활성도를 캘시트리올까지 증가시킨다. 비타민 D의₃ 활성 형태인 캘시트리올은 장과 뼈에서 칼슘의 흡수를 촉진한다. 갑상선의 파라폴릭 세포에서 분비되는 캘시토닌은 또한 부갑상선 호르몬을 반대함으로써 칼슘 수치에 영향을 미치지만, 인간에게 있어서 그것의 생리학적 의미는 의심스럽다.

세포내 칼슘은 세포 내 특정 사건에 반응하여 Ca²⁺ 이온을 반복적으로 방출한 다음 다시 축적하는 세포 내 칼슘에 저장된다: 저장 부지는 미토콘드리아와 소포체 망막이다.^[3]

모델 유기체에서 칼슘의 특성 농도는 대장균 3mM(경계), 100nM(자유), 싹이 트는 효모 2mM(경계), 포유류 세포 10-100nM(자유), 혈장 2mM이다.^[4]

인간

연령 조정 일일 칼슘 권장량(미국 의학연구소 RDA)^[5]

나이	칼슘(mg/일)
1~3년	700
4~8년	1000
9-18년	1300
19-50년	1000
>51년	1000
임신	1000
수유	1000

식이요법 권장사항

미국 의학연구소(IOM)는 1997년 칼슘 권장량(RDA)을 제정하고 2011년 이 값을 업데이트했다.^[5] 표를 참조하십시오. 유럽 식품안전청(EFSA)은 RDA 대신 PRORs(인구 기준 섭취)라는 용어를 사용하며 약간 다른 숫자를 설정한다: 4-10 800mg, 11-17 1150mg, 18-24 1000mg, 25년 950mg.^[7]

IOM과 EFSA는 동맥과 신장결석의 석회화와 같은 장기적 부작용의 우려 때문에, 식이 요법과 보충 칼슘의 조합에 대해 허용 가능한 상한 섭취량(ULs)을 설정했다. IOM에서 9~18세의 사람은 하루 3,000mg/day를 초과해서는 안 되며, 19~50세의 경우 하루 2,500mg/day를 초과해서는 안 되며, 51세 이상의 경우 하루 2,000mg/day를 초과하면 안 된다.^[8] EFSA는 성인 UL을 하루 2500mg/day로 설정했지만 어린이와 청소년의 정보가 UL을 결정하기에 충분하지 않다고 결정했다.^[9]

라벨링

미국 식품 및 식이요법 보충제 라벨링 목적상 1인분 당 양은 일일 가치(%DV)의 백분율로 표현된다. 칼슘 라벨링 목적의 경우, 일별 값의 100%가 1000mg이었으나, 2016년 5월 27일부로 1300mg으로 수정되어 RDA와 합의하였다.^[10][11] 참조 일일 섭취에서 구 및 신 성인 일일 값의 표가 제공된다.

건강 보험 청구

일반적인 규칙으로, 식이요법 보충제 라벨링과 마케팅은 질병 예방이나 치료 주장을 할 수 없지만, FDA는 과학을 검토한 일부 식품과 식이요법 보충제에 대해, 상당한 과학적 합의가 있다고 결론을 내리고, 특별히 허용된 건강 주장을 공표했다. 칼슘 보충제와 골다공증에 대한 건강상 클레임을 허용하는 초기 판결이 2010년 1월 1일부터 칼슘과 비타민 D 보충제를 포함하도록 수정되었다. 허용된 문구의 예는 아래와 같다. 칼슘 건강 청구 자격을 얻기 위해, 식이 보조제에는 기준 식이 섭취량의 20% 이상이 포함되어 있는데, 칼슘의 경우 최소 260mg/serving을 의미한다.^[12]

• "균형이 잘 잡힌 식단의 일부로서, 평생 동안 적절한 칼슘은 골다공증의 위험을 줄일 수 있다."
• "건강한 식단의 일부로서 적절한 칼슘은 신체 활동과 함께 노후에 골다공증의 위험을 줄일 수 있다."
• "균형이 잘 잡힌 식단의 일부로서, 평생 동안 칼슘과 비타민 D를 적절하게 섭취하면 골다공증의 위험을 줄일 수 있다."
• "건강한 식단의 일부로서 칼슘과 비타민 D를 적절히 섭취하면 신체 활동과 함께 노후에 골다공증의 위험을 줄일 수 있다."

2005년에 FDA는 칼슘과 고혈압에 대한 자격 있는 건강 클레임을 승인했고, "일부 과학적인 증거는 칼슘 보충제가 고혈압의 위험을 줄일 수 있다는 것을 암시한다. 하지만 FDA는 증거가 일관성이 없고 단정적이지 않다고 판단했다고 말했다. 임신에 의한 고혈압과 혈압증에 대한 증거는 결론에 이르지 못한 것으로 간주되었다.^[13] 같은 해 FDA는 칼슘과 대장암에 대한 QHC를 승인했고, "칼슘 보충제가 대장암/정립암의 위험을 줄일 수 있다는 일부 증거가 제시되지만, FDA는 이 증거가 제한적이고 결정적인 것이 아니라고 판단했다"고 제안했다. 유방암과 전립선암에 대한 증거는 결론에 이르지 못한 것으로 여겨졌다.^[14] 신장결석이나 생리장애나 통증에 대한 보호 차원에서 칼슘에 대한 QHC에 대한 제안은 거부되었다.^[15][16]

유럽식품안전청(EFSA)은 "칼슘이 뼈의 정상적인 발달에 기여한다"^[17]고 결론 내렸다. EFSA는 칼슘과 칼륨의 식이 섭취와 정상적인 산성 염기 균형 유지 사이에 인과관계가 존재한다는 주장을 거부했다.^[18] EFSA는 또한 칼슘과 손톱, 머리카락, 지질, 생리 전 증후군, 체중 유지에 대한 주장을 거부했다.^[19]

식량원

미국 농무부(USDA) 웹 사이트에는 100g당 또는 보통 1인분당 칼슘 함량(mg당)을 검색 가능한 매우 완전한 표가 있다.^[20][21]

혈액 내 측정

혈액 내 칼슘의 양(더 구체적으로는 혈장 내)은 단백질 결합 칼슘과 자유 칼슘을 모두 포함하는 총 칼슘으로 측정할 수 있다. 이와는 대조적으로, 이온화 칼슘은 자유 칼슘의 척도다. 혈장에서 비정상적으로 높은 칼슘 수치는 고칼슘혈증, 비정상적으로 낮은 칼슘은 저칼슘혈증이라고 하는데, 일반적으로 "비정상"은 기준 범위를 벗어난 수준을 가리킨다.

칼슘에 대한 혈액 검사의 기준 범위

대상	하한	상한	구성 단위
이온화 칼슘	1.03,[22] 1.10[23]	1.23,[22] 1.30[23]	mmol/L
	4.1,[24] 4.4[24]	4.9,[24] 5.2[24]	mg/dL
총칼슘	2.1,[25][26] 2.2[23]	2.5,[23][26] 2.6,[26] 2.8[25]	mmol/L
	8.4,[25] 8.5[27]	10.2,[25] 10.5[27]	mg/dL

혈청 칼슘을 측정하는 주요 방법은 다음과 같다.^[28]

• O-Cresolphalein Complexone Method; 이 방법의 단점은 이 방법에 사용된 2-amino-2-methyl-1-propanol의 휘발성 특성으로 인해 임상실 설정에서 몇 시간마다 방법을 보정할 필요가 있다는 것이다.
• Asenazo III 방법 이 방법은 더 튼튼하지만 시약에 들어 있는 비소는 건강에 해롭다.

조직에 존재하는 Ca의²⁺ 총량은 조직이 기화 및 연소되는 원자 흡수 분광법을 사용하여 측정할 수 있다. 체내 또는 체외 세포질 내의 Ca²⁺ 농도 또는 공간 분포를 측정하기 위해 다양한 형광 리포터를 사용할 수 있다. 여기에는 세포 투과성, 후라-2와 같은 칼슘을 결합하는 형광 염료 또는 케멜레온이라는 이름의 유전자 변형 녹색 형광 단백질(GFP)이 포함된다.

보정 칼슘

이온화 칼슘을 항상 이용할 수 있는 것은 아니기 때문에 교정된 칼슘을 대신 사용할 수 있다. 보정 칼슘을 mmol/L 단위로 계산하려면 총 칼슘을 mmol/L 단위로 취하여 (40 - g/L의 혈청 알부민에 0.02를 곱한 값)^[29]에 추가한다. 그러나 보정 칼슘이 총 칼슘보다 나을 수 없어 유용성을 둘러싼 논란이 일고 있다.^[30] 알부민 및 음이온 간격에 대한 총 칼슘을 교정하는 것이 더 유용할 수 있다. ^[31]

다른동물

척추동물

척추동물에서 칼슘 이온은 다른 많은 이온들과 마찬가지로 많은 생리적 과정에 있어서 매우 중요한 역할을 하므로 칼슘 이온의 농도가 적절한 동점선을 보장하기 위해 특정 한계 이내로 유지된다. 이것은 인체에서 가장 밀접하게 조절되는 생리학적 변수 중 하나인 인간의 혈장 칼슘에 의해 증명된다. 정상 혈장 수준은 특정 시간에 걸쳐 1에서 2% 사이에서 변화한다. 모든 이온화 칼슘의 약 절반은 결합되지 않은 형태로 순환하며, 나머지 절반은 알부민 등의 플라즈마 단백질과 중탄산염, 구연산염, 인산염, 황산염을 포함한 음이온이 복합적으로 작용한다.^[32]

다른 조직들은 다른 농도의 칼슘을 함유하고 있다. 예를 들어, Ca²⁺(대부분 인산칼슘과 일부 황산칼슘)는 뼈와 석회화된 연골의 가장 중요한 (그리고 특정한) 요소다. 인간의 경우 칼슘의 전체 체내 함량은 대부분 뼈 미네랄의 형태로 존재한다(거의 99%). 이 상태에서는 대체로 교환/바이오 이용이 불가능하다. 이를 극복하는 방법은 뼈 골격의 작용을 통해 칼슘이 혈류로 해방되는 뼈 재흡수 과정을 통해서다. 나머지 칼슘은 세포외 및 세포내 액체 내에 존재한다.

일반적인 세포 내에서 이온화 칼슘의 세포내 농도는 약 100nM이지만, 다양한 세포 기능 중 10배에서 100배까지 증가될 수 있다. 세포내 칼슘 농도는 세포외 액에 대해 약 12,000배의 크기만큼 상대적으로 낮게 유지된다. 이러한 구배는 에너지를 위해 ATP를 활용하는 다양한 플라즈마 막 칼슘 펌프와 세포내 구획 내의 상당한 저장 공간을 통해 유지된다. 골격과 심장근육, 뉴런과 같은 전기적으로 흥분하기 쉬운 세포에서, 막의 탈분극화는 세포질 Ca²⁺ 농도가 약 1 uM에 이르는 Ca²⁺ 과도현상을 초래한다.^[34] 미토콘드리아는 카의²⁺ 일부를 격리하고 저장할 수 있다. 미토콘드리아 매트릭스 자유 칼슘 농도는 뉴런 활동 중 현장에서 수십 마이크로몰라 수준까지 상승하는 것으로 추정됐다.^[35]

영향들

칼슘이 인간 세포에 미치는 영향은 구체적이며, 이는 다른 종류의 세포가 서로 다른 방식으로 반응한다는 것을 의미한다. 그러나, 어떤 상황에서는, 그 행동이 더 일반적일 수도 있다. ca²⁺ 이온은 신호 전도에 사용되는 가장 널리 사용되는 두 번째 메신저 중 하나이다. 그들은 칼슘 통로(칼슘 결합 단백질 또는 전압 감응 칼슘 통로 등)를 통해 세포막을 통해 세포 바깥에서 세포질 속으로 들어가거나, 소포체 망막과^[3] 미토콘드리아와 같은 내부 칼슘 저장고로부터 세포질 속으로 들어간다. 세포내 칼슘의 수준은 세포에서 그것을 제거하는 운반 단백질에 의해 조절된다. 예를 들어, 나트륨-칼슘 교환기는 나트륨이 세포로 유입되는 것(그리고 그 농도 구배를 감소시키는 것)과 세포 밖으로 칼슘이 운반되는 것을 결합하여 나트륨의 전기화학 구배에서 에너지를 사용한다. 또 플라즈마막 Ca²⁺ ATPase(PMCA)는 아데노신 3인산염(ATP)을 가수분해하여 세포에서 칼슘을 퍼낼 수 있는 에너지를 얻는다. 뉴런에서, 전압에 의존하는 칼슘 선택 이온 채널은 시냅스 vesicle 융합에 의한 시냅스 구획으로의 신경전달물질의 방출을 통해 시냅스 전달에 중요하다.

근육 수축에서 칼슘의 기능은 링거에 의해 1882년에 발견되었다. 후속 조사에서는 약 1세기 후 전령으로서의 역할을 밝혀낼 예정이었다. 그것의 작용은 cAMP와 상호 연결되기 때문에, 그들은 시너치 메신저라고 불린다. 칼슘은 근육의 수축을 촉진하는 데 필요한 단백질인 트로포닌-C(가장 먼저 식별되는 단백질)와 칼모듈린과 같은 여러 가지 칼슘 변형 단백질에 결합할 수 있다.

혈관 내부를 선회하는 내피세포에서, Ca²⁺ 이온은 혈관을 둘러싼 부드러운 근육을 이완시키는 몇 가지 신호 경로를 조절할 수 있다.^{[citation needed]} 이러한 Ca 활성화²⁺ 경로로는 질소산화물을 생성하기 위한 eNOS의 자극뿐만 아니라 K채널이_ca K를⁺ 유출시키고 세포막의 과극화를 유발하는 자극이 있다. 질소산화물과 초극화 모두 혈관의 음색을 조절하기 위해 평활근의 이완을 유발한다.^[36] 그러나 이러한 Ca 활성화²⁺ 경로 내의 기능장애는 조절되지 않은 부드러운 근육수축으로 인한 톤 증가를 초래할 수 있다. 이런 종류의 기능장애는 심혈관 질환, 고혈압, 당뇨 등에서 볼 수 있다.^[37]

칼슘 조정은 단백질의 구조와 기능을 규정하는 데 중요한 역할을 한다. 칼슘을 조절하는 단백질의 예로는 혈전 형성 과정에 필수적인 역할을 하는 폰 윌레브란트 인자(vWF)가 있다. 칼슘 결합형 vWF가 혈액 내 전단력 센서 역할을 하는 단일 분자 광학 핀셋 측정을 이용해 검출됐다. 전단력은 칼슘이 존재하는 상태에서 리폴딩 속도가 극적으로 향상되는 vWC의 A2 영역을 펼치게 한다.^[38]

적응

ca²⁺ 이온 흐름은 시각, 청각 및 후각 시스템을 위한 신경 적응에서 여러 2차 메신저 시스템을 조절한다. 후각계통에서와 같이 담금질을 하여 양이온 채널을 강화하거나 억제하는 경우가 종종 있다.^[39] 다른 때에는 칼슘 수치의 변화가 실제로 광자 감지 시스템처럼 구아닐 사이클라아제를 억제에서 방출할 수 있다.^[40] ca이온은²⁺ 또한 그 당시 세포 내 칼슘의 고농도 및 저농도로 채널을 열거나 닫기 위해 칼슘의 수치를 검출하는 수용체와 단백질에 따라 신경계에서의 적응 속도를 결정할 수 있다.^[41]

세포형	효과
내피세포	↑ Vasodiration
분비 세포(대부분)	↑ 분비(혈관융접)
헥타글로머세포	↓ 배설[42]
부갑상선장세포	↓ 배설[42]
뉴런	트랜스미션(혈관 융접), 신경 적응
T세포	T세포 수용체에[43] 대한 항원 발현 반응에 따른 활성화
미모세포	수축 단백질 키나아제 C의 활성화
다양한	단백질 키나아제 C의 활성화 자세한 내용: 단백질 키나제 C의 기능

부정적인 영향과 병리학

세포외 Ca²⁺ 이온 농도의 상당한 감소는 자발적 운동 뉴런 방전으로 표시되는 저칼로리성 테타니라고 알려진 상태를 초래할 수 있다. 게다가, 심각한 저칼슘혈증은 혈액 응고 및 신호 전달의 측면에 영향을 미치기 시작할 것이다.

ca²⁺ 이온은 과도한 숫자로 입력하면 세포에 손상을 줄 수 있다(예를 들어 신경퇴행성 질환에서 발생할 수 있는 흥분성이나 신경회로의 과다출혈의 경우, 뇌외상이나 뇌졸중과 같은 모욕 후에 발생할 수 있다). 칼슘이 세포에 과도하게 들어가면 칼슘이 손상되거나 심지어 폐사 또는 괴사에 의한 사망을 초래할 수 있다. 칼슘은 삼투압(삼투압 쇼크)의 일차적인 조절장치의 하나로 작용하기도 한다. 만성적으로 높아진 혈장 칼슘(고혈압)은 심장 부정맥과 관련이 있고 신경근육 흥분성이 감소한다. 고칼슘혈증의 원인 중 하나는 과대병증 항진증이라고 알려진 질환이다.

무척추동물

일부 무척추동물은 외골격(껍질과 캐러페이스)이나 내골격(에치노더름판과 다공성 석회석회)을 짓기 위해 칼슘 화합물을 사용한다.

식물

스토마타 클로징

압시산이 가드 셀에 신호를 보낼 때, 자유 Ca²⁺ 이온은 세포 외부와 내부 저장소에서 모두 사이토솔로 들어가 농도 구배를 역전시켜 K+ 이온이 세포 밖으로 나오기 시작한다. 용액을 잃으면 세포가 축 늘어지고 기공 모공이 닫힌다.

세포분할

칼슘은 미토틱 스핀들 형성에 필요한 이온이다. 유사분열축이 없으면 세포분열이 일어날 수 없다. 어린 잎은 칼슘의 필요량이 높지만, 나이 든 잎은 식물을 통해 칼슘이 상대적으로 움직이지 않기 때문에 칼슘의 함량이 높다. 그것은 다른 영양소 이온과 결합하여 액체 용액에서 침전될 수 있기 때문에, 이온을 통해 운반되지 않는다.

구조적 역할

ca²⁺ 이온은 식물 세포벽과 세포막의 필수 성분으로, 식물 vacuole에서 유기 음이온의 균형을 맞추기 위한 양이온으로 사용된다.^[44] Vacuole의 Ca²⁺ 농도는 밀리몰라 수준에 도달할 수 있다. 해조류에서 구조 원소로 Ca²⁺ 이온을 가장 두드러지게 사용하는 것은 해양의 coccolithopores에서 발생하는데, 이 ca를²⁺ 사용하여 탄산칼슘 판을 형성하는데, 이 판들은 이 판들을 덮고 있다.

새로 형성된 세포의 중간 라멜라에서 펙틴을 형성하기 위해서는 칼슘이 필요하다.

세포막의 투과성을 안정시키기 위해서는 칼슘이 필요하다. 칼슘이 없으면 세포벽이 안정되지 못하고 내용물을 지탱하지 못한다. 이것은 과일을 개발하는 데 특히 중요하다. 칼슘이 없으면 세포벽이 약해 과일의 내용물을 담을 수 없다.

어떤 식물은 조직에 Ca를 축적하여 더욱 단단하게 만든다. 칼슘은 플라스티드에 카옥살산염 결정체로 저장된다.

세포신호

ca²⁺ 이온은 보통 식물 세포의 세포질에 있는 나노극 수준으로 유지되며, 제2의 전령으로서 다수의 신호 전달 경로에 작용한다.

참고 항목

• 화학 원소의 생물학과 약리학
• 생물학에서 요오드 – 필수 미량 원소로서의 원소 기능에 대한 설명
• 생물학의 마그네슘
• 골다공증 – 골격 장애
• 생물학에서 칼륨 – 필수 미네랄 미크론트로서 원소의 기능에 대한 설명
• 셀레늄(Selenium in biology) – 동물을 위한 필수 마이크로 영양소
• 생물학의 나트륨
• 비타민 D – 지용성 세코스테로이드 그룹

참조

외부 링크

• 미국 농무부: 비타민 D와 칼슘
• 국립 골다공증 재단: 칼슘과 비타민 D