Kalzium

Kalzium übernimmt wichtige Funktionen in den Knochen – den größten Kalziumspeichern -, wo es für Stabilität und Festigkeit verantwortlich ist. Weitere Aufgaben sind die Stabilisierung der Zellwände, die Signalübermittlung innerhalb der Zelle, die Reizübertragung im Nervensystem, die Muskelanspannung und die Blutgerinnung.

Chemie und Stoffwechsel

Das Element Kalzium wurde im Jahre 1808 von Sir Humphrey Davy in London entdeckt. Der von Davy gegebene Name leitete sich vom lateinischen Wort „calx“ ab, was soviel wie Kalkstein bedeutet. Kalzium ist ein für den Menschen unverzichtbarer Mineralstoff und gehört zu der Gruppe der Erdalkalimetalle.

Maximal 1/3 des täglichen alimentären Kalziums wird resorbiert, wobei die Resorptionsrate aus Nahrungsmitteln unterschiedlich ist:

  • Muttermilch 50 bis 70%
  • Milch, (Mineral-)Wasser 30%
  • Gemüse und Obst 15 bis 20%
  • Getreideprodukte 6 bis 7%
  • Fleisch, Fisch 5 bis 6%

Weitere Einflussfaktoren auf Resorptionsrate sind:

  • ausreichende Zufuhr an Vitamin D3
  • Transitzeit der Nahrung im Darm – u.U. auch bakterielle Flora
  • Fettanteil der Nahrung (geringer Fettgehalt geht mit geringer Resorptionsrate einher)
  • hohe Kaliumzufuhr (Verminderung der renalen Kalziumausscheidung)
  • hoher Obst- und Gemüseverzehr (Alkalisierung des Harns mit geringerer Kalziumausscheidung)
  • Prebiotika (Steigerung Kalziumresorption im Darm durch Produktion kurzkettiger Fettsäuren und Steigerung Rückresorption)

Kalzium wird mit Hilfe eines Carrier-Eiweißes, dessen Bildung durch Vitamin D induziert wird, zu 20 bis 40% resorbiert. Beeinflusst wird die Resorption durch die Art und Menge der Kalziumsalze, den pH-Wert und der Anwesenheit von Vitamin D. Vitamin D fördert die Resorption und die Einlagerung von Kalzium in die organische Matrix des Knochens, das Osteoid. Zwischen dem in den Knochen eingelagerten und gelösten Kalzium findet ein ständiger Austausch statt. Steigt der Blutkalziumspiegel, so wird das Schilddrüsenhormon Calcitonin ausgeschüttet, das eine verstärkte Kalziumeinlagerung in den Knochen und damit eine Senkung des Blutkalziumspiegels bewirkt. Sinkt der Blutkalziumspiegel, wird Parathormon aus der Nebenschilddrüse ausgeschüttet. Es aktiviert Vitamin D, das wiederum die Bildung eines Kalzium bindenden Carrier-Eiweißes in der Darmschleimhaut fördert und so die Kalziumresorption verstärkt. Zusätzlich bewirkt das Parathormon eine verstärkte Kalziumfreisetzung aus den Knochen, so dass die Kalziumreserven in den Knochen bis auf die Hälfte schrumpfen können. Es findet eine verstärkte Rückresorption statt und somit eine verminderte Kalziumausscheidung aus dem Harn. Der Kalziumspiegel wird erhöht. Parathormon wirkt dem Calcitonin entgegen. Es besteht eine enge Beziehung zwischen dem Kalzium- und Phosphatstoffwechsel. Das Parathormon der Nebenschilddrüse reguliert neben der Einlagerung und Mobilisierung von Kalzium im Skelett auch die Phosphatausscheidung über die Niere.

Kalzium ist der mengenmäßig wichtigste Mineralstoff. Mehr als 99% des Kalziumbestandes sind im Skelett und in den Zähnen. Kalziumionen liegen zusammen mit Phosphationen gespeichert als Hydroxylapatit vor. Das Knochengewebe ist für den menschlichen Organismus gleichzeitig wichtigster Kalziumspeicher. Bei Neugeborenen sind etwa 25 bis 30 g (0,8% des Körpergewichts), bei erwachsenen Männern 900 bis 1300 g und bei erwachsenen Frauen 750 bis 1100 g (1,7% des Körpergewichtes) Kalzium in Knochen und Zähnen eingelagert.

Etwa 99% des gesamten Kalziumbestandes im Körper befinden sich extrazellulär in den Knochen und Zähnen und stellen in etwa 39% des Gesamtmineralstoffgehaltes der Knochens. Nur zirka 1% des Körperkalziums ist in anderen Körpergeweben (etwa 7 Gramm) und Körperflüssigkeiten (etwa 1 Gramm) vorhanden. Der intrazelluläre Kalziumgehalt ist damit zehntausendfach niedriger als der extrazelluläre Kalziumanteil.

In Abhängigkeit vom pH-Wert lassen sich im Extrazellularraum drei verschiedene Kalziumfraktionen unterscheiden. Etwa die Hälfte des Gesamtkalziums im Serum findet sich in ionisierter, freier Form, 40 bis 45% des Plasmakalziums sind an Bluteiweiße (Albumin, Globulin)  und etwa 5 bis 10% an niedermolekulare Liganden (Zitrat, Phosphat, Sulfat oder Karbonat) gebunden. In den Knochen und Zähnen ist Kalzium überwiegend in der Form von ungelöstem Kalziumphosphat beziehungsweise Hydroxylapatit zu finden. Ionisiertes beziehungsweise freies Kalzium stellt die biologisch aktive Form dar und wird homöostatisch kontrolliert.

Funktionen und Aufgaben

Für die Aufrechterhaltung des Kalzium-Serumspiegels ist ein komplexes hormonelles Regelsystem zuständig. Zudem sind verschiedene Kalziumkompartimente und Organe wie Knochen, Niere und Darm, an der Kalziumhomöostase beteiligt.

Beteiligte hormonelle Faktoren:

  • Parathormon
  • Calcitriol beziehungsweise 1,25-Dihydroxycholecalciferol
  • Calcitonin

Parathormon, Calcitriol und Calcitonin beeinflussen die Kalziumresorption sowohl im Knochen als auch im Darm sowie die Kalziumausscheidung über die Nieren und regulieren Kalziumbewegungen zwischen den verschiedenen Kompartimenten, insbesondere dem Knochen und dem extrazellulären Milieu. Ein Versagen der Kalziumkompartimente und Organe führt zur Freisetzung von Kalzium aus dem Skelett und damit zu einem Verlust der Knochenmasse, der mit einer Schwächung der mechanischen Stabilität des Knochens einhergeht.

Bei niedriger Kalziumaufnahme mit der Nahrung kommt es zum Abfall der extrazellulären freien Kalziumkonzentration. In Folge dessen werden vor allem Parathormon und Calcitriol vermehrt frei gesetzt, um den Kalziumspiegel im Serum zu normalisieren. Eine dauerhaft unzureichende Kalziumzufuhr über die Nahrung kann zu einer negativen Kalziumbilanz führen, das heißt die Kalziummenge, die aus den Knochen transportiert und über den Darm sowie die Niere ausgeschieden wird, übersteigt die Kalziumaufnahme. Veränderungen der extrazellulären freien Kalziumkonzentration werden von den Nebenschilddrüsenzellen über spezifische Membranproteine, so genannte Kalziumsensoren, wahrgenommen.

Neben den Zellen der Nebenschilddrüse können Kalziumsensoren auch von den C-Zellen der Schilddrüse – kalziumabhängige Freisetzung von Calcitonin –, und Nierenzellen – kalziumabhängige Synthese des aktiven Calcitriols – sowie von Osteoklasten und Darmepithelien exprimiert werden.

Bei einem Abfall des Kalzium-Serumspiegels wird Parathormon (PTH) in den Nebenschilddrüsenzellen vermehrt ausgeschüttet. Es stimuliert an den Nieren die Expression der 1alpha-Hydroxylase und damit die Bildung des Calcitriols. 1,25-D3 wirkt synergistisch mit Parathormon. Beide Hormone entfalten ihre Wirkung am Knochen, am Darm und an den Nieren. Am Knochen stimulieren Parathormon und Calcitriol die Osteoklastenaktivität und damit den Abbau von Knochengewebe, wodurch Kalzium aus den Knochen in den Extrazellularraum mobilisiert wird. Da Kalzium in Form von Phosphatsalzen im Skelettsystem eingelagert ist, werden gleichzeitig auch Phosphationen aus den Knochen freigesetzt – enge Korrelation des Kalzium- und Phosphatstoffwechsels.

Im Dünndarm fördert Parathormon zusammen mit Calcitriol sowohl die aktive Aufnahme von Kalzium und Phosphat in die duodenale Bürstensaummembran als auch den Transport von Kalzium und Phosphat in den Extrazellularraum. 1,25-D3 reagiert mit dem Vitaminrezeptor der Zellen der Dünndarmschleimhaut und führt so zu einer vermehrten Synthese des kalziumtransportierenden Proteins Calbindin. Dieses befördert Kalzium mit Phosphat an die basolaterale Membran. Dort wird Kalziumphosphat durch eine Kalzium-ATPase und einen sekundär aktiven Natrium-Kalzium-Austauschcarrier aus dem Dünndarm in die Blutbahn abgegeben. Bei einem hohen Kalzium-Serumspiegel ist dieser Transportmechanismus gesättigt, damit die extrazelluläre freie Kalziumkonzentration nicht weiter ansteigt.

In den Nieren stimulieren die Hormone die tubuläre Kalziumrückresorption. Im Gegenzug hemmen Parathormon und Calcitriol die renale tubuläre Reabsorption von Phosphat. Schließlich wird die Ausscheidung des Phosphats erhöht, welches sich durch Mobilisation von Kalziumphosphat aus dem Knochen beziehungsweise durch Resorption aus dem Darm vermehrt angesammelt hat. Durch den Abfall der Phosphat-Serumkonzentration wird zum einen das Ausfallen von Kalziumphosphat im Gewebe verhindert und zum anderen die Kalziumfreisetzung aus dem Knochen stimuliert. Das Resultat der Effekte von Calcitriol und Parathormon auf die Kalziumbewegungen zwischen den einzelnen Kompartimenten bei geringem Kalzium-Serumspiegel ist eine Zunahme der extrazellulären freien Kalziumkonzentration.

Längerfristig erhöhte 1,25-D3-Plasmaspiegel hemmen die Parathormon-Synthese und -Ausschüttung sowie die Proliferation von Nebenschilddrüsenzellen, was zu einer raschen Normalisierung der Kalziumkonzentration im Serum führt. Dieser Mechanismus verläuft über die Vitamin D3-Rezeptoren der Nebenschilddrüsenzellen. Besetzt 1,25-D3 diese für sich spezifischen Rezeptoren, kann das Vitamin auf den Stoffwechsel des Zielorgans Einfluss nehmen.

Eine Zunahme des extrazellulären ionisierten Kalziums veranlasst die C-Zellen der Schilddrüse, welche eine Veränderung der Kalzium-Serumkonzentration über Kalziumsensoren wahrnehmen, vermehrt Calcitonin zu synthetisieren und frei zu setzen. Calcitonin hemmt am Knochen die Aktivität der Osteoklasten und damit den Abbau von Knochengewebe. Schließlich wird die Kalziumeinlagerung in das Skelett gefördert. Zugleich stimuliert Calcitonin die renale Kalziumausscheidung. Das Peptidhormon ist demnach bei erhöhtem Kalzium-Serumspiegel für die Senkung der extrazellulären Kalziumkonzentration zuständig. Calcitonin stellt einen direkten Antagonisten zum Parathormon dar.

Infolge einer hohen Kalzium-Serumkonzentration wird parallel zur Calcitoninausschüttung die Sekretion von Parathormon und die davon gesteuerte Produktion von Calcitriol verhindert. Das Ergebnis ist eine verminderte Freisetzung von Kalzium aus dem Knochen, eine reduzierte Kalziumresorption im Darm sowie Diffusion in den Extrazellularraum, eine gehemmte renale tubuläre Rückresorption und somit eine erhöhte Kalziumausscheidung über die Niere. Im Anschluss fällt die extrazelluläre freie Kalziumkonzentration ab und der Kalzium-Serumspiegel normalisiert sich.

Bei Erhöhung der intrazellulären freien Kalziumkonzentration von 10 bis 7 auf 10 bis 6 oder 10 bis 5 mol/ l kommt es zur Aufhebung der Hemmung der Aktin-Myosinbindung durch die Bindung an Troponin, was zur Kontraktion der glatten und quergestreiften Muskelzellen führt. Indem Kalzium durch eine Kalzium-ATPase und einen sekundär aktiven Natrium-Kalzium-Austauschcarrier schnell wieder aus der Zelle entfernt wird, erfolgt der rasche Wechsel zwischen Kontraktion und Entspannung der Muskelfasern.

Kalzium ist an der Freisetzung von Neurotransmittern wie beispielsweise von den Aminosäuren Glutamat, Gamma-Aminobuttersäure und Aspartat sowie von den Monoaminen Noradrenalin, Dopamin, Serotonin und Octopamin beteiligt.

Das Knochengewebe besteht aus knochenabbauenden Zellen (Osteoklasten) und knochenbildenden Zellen (Osteoblasten). Osteoklasten bilden so genannte „extrazelluläre Lysosome“, die Lakunen in den Knochenoberfläche bewirken, die wiederum von Osteoblasten durch Bildung einer neuen Knochenmatrix aus Kollagen und Osteocalcin aufgefüllt und neu mineralisiert werden. Demnach sind sowohl Osteoklasten, als auch Osteoblasten, für die Erneuerung, den Umbau und die Reparatur des Knochens unerlässlich.

Während der Wachstumsphase im Kindes- und Jugendalter überwiegt die Osteoblastenaktivität. Es findet ein ständiger Knochenaufbau statt. Dabei wird viel Kalzium in den Knochen eingelagert. Zudem werden hohe Mengen des Mineralstoffs im Darm resorbiert. Die gesteigerte Kalziumaufnahme und -speicherung in jungen Jahren ist, insbesondere für die Ausreifung des Knochens, von essenzieller Bedeutung. Aufgrund dessen ist im kindlichen Organismus, der in den Knochen sowie Darm aufgenommene Kalziumanteil signifikant höher, als die Kalziummenge, die über die Niere sowie den Darm ausgeschieden wird. Im Kindes- und Jugendalter liegt damit eine positive Kalziumbilanz vor, wenn die Kalziumzufuhr ausreichend ist. Etwa bis zum 30. Lebensjahr ist die maximale Knochenmineralstoffmasse beziehungsweise die höchste Knochendichte (peak bone mass) erreicht.

Ab dem 30. Lebensjahr besteht, über mehrere Lebensjahrzehnte hinweg, eine ausgeglichene Kalziumbilanz, wobei die Menge an Kalzium, die von den Knochen und vom Darm aufgenommen wird, etwa mit dem Kalziumanteil, der im Rahmen von Umbauvorgängen aus den Knochen freigesetzt und über die Niere und dem Darm ausgeschieden wird, korreliert. Damit die Kalziumbilanz nicht negativ wird sollte auf eine ausreichende Kalziumaufnahme über die Nahrung geachtet werden.

Ein Mangel an Vitamin D führt zur Beeinträchtigung des Kalzium- und Phosphatstoffwechsels (unzureichende intestinale Resorption und renale Reabsorption) und somit zu niedrigen extra- sowie intrazellulären Kalzium- und Phosphatkonzentrationen. Aus Vitamin D-, Kalzium- und Phosphatdefiziten resultieren Mineralisationsstörungen der Knochen. Zu den Folgen gehören Knochenerweichungen und entsprechende Skelettveränderungen (Rachitis bei Kindern und Osteomalazie bei Erwachsenen).

Neben der Kollagenmatrix stellen Kalziumsalze den stabilisierenden Faktor des Skelettsystems dar; Kalzium übt zusammen mit anorganischem Phosphat, in Form des Hydroxylapatits, in Knochen und Zähnen Stützfunktionen aus und verleiht dem Knochen Kraft zur Aufrechterhaltung der Körperform. Kalziumphosphat dient dem Skelettsystem als Reservoir für die Aufrechterhaltung einer konstanten Kalziumkonzentration im Serum von 2,5 mmol/ l (10 mg/ dl). Der Toleranzbereich wird 2,25 bis 2,75 mmol/ l beziffert. Bei unzureichender Zufuhr über die Nahrung oder starken renalen Verlusten von Kalzium und Phosphat werden die gespeicherten Mineralstoffe aus den Knochen frei gesetzt und in den Extrazellularraum zu Lasten der Knochenstabilität mobilisiert, um einen Abfall der Kalzium-Serumkonzentration zu verhindern.

Gelöstes sowie freies Kalzium sind an der Regulation zahlreicher intra- und extrazellulärer Prozesse beteiligt. Dabei sichert das extrazelluläre Kalzium den ständigen Nachschub für die kalziumabhängigen intrazellulären Vorgänge. Kalzium gelangt durch Diffusion, durch Aktivierung langsamer Kalziumkanäle und über einen Natrium-Kalzium-Austauschcarrier in die Zellen und wird dort von dem regulatorischen Protein Calmodulin gebunden. Als Kalzium-Calmodulinkomplex ist der Mineralstoff in der Lage, zellspezifische Antworten auszulösen. Im Vordergrund steht die Aktivierung von Kinasen, die ein oder mehrere Proteine beziehungsweise Enzyme phosphorylieren. Die von Kinasen aktivierten Enzyme sind wiederum für wichtige zelluläre Stoffwechselvorgänge unerlässlich. Kinasen können auch auf indirektem Wege von Kalzium aktiviert werden. Über kalziumsensible Rezeptoren an der Zelloberfläche verschiedener Organe, kann Kalzium die Stabilität oder Aktivität zahlreicher Enzyme beeinflussen.

Weitere Aufgaben:

  • Hormonsekretion
  • Drüsensekretion
  • Gewährleistung des Zellstoffwechsels
  • Zelldifferenzierung und -proliferation
  • Expression von Genen
  • Sehvorgang
  • Glykogenstoffwechsel

Mangelerscheinungen und Toxizität

Eine Hypokalzämie kann akut oder chronisch verlaufen und verschiedene Ursachen haben. Faktoren, die die Kalziumversorgung beeinträchtigen sind:

  • Unterernährung oder einseitige Kalziummangelernährung, Fehlen von Milch und Milchprodukten,
  • Vitamin D-Mangel
  • Phosphatüberschuss in der Nahrung.

Daneben spielen ein Hypoparathyreoidismus (Fehlen oder verminderte  Produktion des Parathormons), Parathormonresistenz und Vitamin D-Resistenz eine Rolle. Die akute Hypokalzämie geht mit einer Tetanie mit Muskelkrämpfen vor allem der Mittelhand- und der Mittelfußmuskulatur, Kribbeln oder taube Gefühle, Verwirrtheit und depressiven Stimmungsschwankungen einher. Liegt gleichzeitig ein Magnesium- oder Kaliummangel vor, kann sich die neuromuskuläre Erregbarkeit verstärken. Die Symptomatik bessert sich durch die Zufuhr von Kalzium und, falls erforderlich, mit einer Vitamin D-Substitution.

Die Ursachen einer Hyperkalzämie sind vielfältig. In den häufigsten Fällen liegt eine Tumorerkrankung oder ein sekundärer Hyperparathyreoidismus vor, die zusammen für etwa 90% der Hyperkalzämien verantwortlich sind. Die Symptome sind unspezifisch. Es treten allgemeine Schwäche, leichte Ermüdbarkeit, Appetitlosigkeit, depressive Verstimmung, Übelkeit und Erbrechen, Verstopfung, gesteigerter Durst und vermehrtes Wasserlassen, Gewichtsabnahme und Austrocknung auf. In schweren Fällen sind Bewusstseinsstörungen und Koma möglich.

Vorkommen und Zufuhrempfehlungen

Hohe Kalziumgehalte findet man in Milch und Milchprodukten, mittlere Gehalte in Getreideerzeugnissen, Obst, Gemüse und kalziumreichen Mineralwässern. Zusätzlich werden viele Produkte mit Kalzium angereichert wie Fruchtsäfte oder Sojadrinks. Einen positiven Einfluss auf die Verfügbarkeit von Kalzium haben Vitamin D und Lysin. Einen negativen Einfluss dagegen, zeigen Phytat, oxalsäurereiche Lebensmittel wie Rhabarber, schwarzer Tee oder Spinat, Ballaststoffe wie Uronsäuren und Lignin, große Mengen an Phosphat und gesättigte Fettsäuren, eine niedrige Eiweißzufuhr und Eiweiße mit geringer biologischer Wertigkeit.

Der Kalziumbedarf ist bei Schwangeren und Stillenden unter 19 Jahren erhöht. Er liegt bei 1200 mg täglich. Säuglinge, Kinder, Jugendliche und ältere Menschen müssen ebenfalls auf eine ausreichende Versorgung achten.

Die Kalziumzufuhr ist vor allem bei Kindern und Jugendlichen unter 19 Jahren im Durchschnitt unzureichend. Aber auch die älteren Altersgruppen nehmen nicht genügend Kalzium auf. Die durchschnittliche Aufnahme liegt in Deutschland bei 85,4% des Gesamtkalziumbedarfs.

Downloads

Unseren Mitgliedern stehen folgende Downloads zur Verfügung. Diese sind auch im Medienshop erhältlich.

Wirkstoffe Kalzium  Lebensmitteltabelle Kalzium
Bitte loggen Sie sich mit Ihren Zugangsdaten ein, um die Datei herunterzuladen.

Wirkstoffe Kalzium  Miniposter Kalzium
Bitte loggen Sie sich mit Ihren Zugangsdaten ein, um die Datei herunterzuladen.