Als Calcium- und Phosphathaushalt werden die Regelkreise zusammengefasst, die die Konzentrationen frei gelöster Calcium- und Phosphationen in den unterschiedlichen Kompartimenten des menschlichen Körpers konstant halten.
Verteilung im Körper Knochengewebe erhält seine Festigkeit durch große Mengen eingelagerter Calcium-Phosphat-Kristalle (Hydroxylapatit). Neben ihrer Rolle im Stütz- und Bewegungsapparat stellen Knochen deshalb auch den größten Speicher von Calcium und Phosphat im menschlichen Körper dar. Ein durchschnittlicher Erwachsener enthält insgesamt etwa 1 kg Calcium, mehr als 99 % davon im Knochen. Im Rahmen des Knochenumbaus werden täglich etwa 20 g Calcium zwischen Knochen und extrazellulärer Flüssigkeit ausgetauscht. Die extrazelluläre Flüssigkeit enthält etwa 900 mg, von denen sich etwa 360 mg im Blutplasma befinden. Der Phosphor im Gesamtphosphat des Körpers hat eine Masse von etwa 0,7 kg; 86 % des Phosphats sind im Knochen verbaut, 13 % liegen intrazellulär (vorwiegend organisch gebunden), 1 % ist extrazellulär gelöst.
Die Konzentration des freien Calciums in der extrazellulären Flüssigkeit beträgt etwa 1,2 mmol/l; intrazellulär liegt sie mit etwa 0,1 µmol/l um den Faktor 10 000 niedriger. Die Gesamtcalciumkonzentration im Blut beträgt etwa 2,5 mmol/l, wovon 50 % frei vorliegt, während 40 % an Proteine (Albumin, Globuline) und 10 % an Phosphat, Citrat, Sulfat oder Hydrogencarbonat gebunden ist. Der Serumwert des Calciums bewegt sich in engen Grenzen bei einem normalen Gesamtcalcium von 2,2–2,6 mmol/L (9–10,5 mg/dl) und einem normalen ionisierten Calcium von 1,1–1,4 mmol/L (4,5–5,6 mg/dl). Das Gesamtcalcium ist einfacher zu messen, bei der Interpretation müssen aber ein Albuminmangel (bindet normalerweise Calcium) und der pH-Wert (H⁺ „verdrängt“ Calcium aus der Bindung) berücksichtigt werden, da das freie Calcium der eigentlich relevante Wert ist.
Funktion Membranpotential Calcium und Phosphat sind nicht nur Bestandteile der Knochenmatrix, sondern auch wichtige Elektrolyte zur Aufrechterhaltung von Zellmembranfunktionen. Calcium ist extrazellulär erheblich höher konzentriert als intrazellulär, was Voraussetzung für den schnellen Calciumeinstrom und die deutliche Konzentrationserhöhung bei Öffnung von Calciumkanälen ist. Aus dem Verhältnis der Konzentrationen ergibt sich ein stark positives Nernstpotential von etwa 120 mV; eine besondere Bedeutung für das Membranpotential kommt Calcium im Herzmuskel zu. Calcium interagiert daneben mit Kanälen für andere Ionen, wodurch deren Durchlässigkeit moduliert wird; eine zu niedrige Calcium-Konzentration kann so zu Muskelkrämpfen führen.
Signalstoff Calcium ist neben cAMP der verbreitetste second Messenger, d. h. Calcium leitet Informationen von der Zellmembran in die Zelle weiter. Auslöser für die Öffnung von Calciumkanälen können Spannungsänderungen über der Zellmembran oder Liganden wie IP3 sein. Calciumkanäle sitzen nicht nur in der Plasmamembran, sondern auch in der Membran zum Endoplasmatischen Retikulum, wo ganz ähnliche Konzentrationsverhältnisse wie extrazellulär herrschen. Die Erhöhung der intrazellulären Calciumkonzentration löst je nach Zelltyp sehr unterschiedliche Effekte aus (z. B. Kontraktion in allen Arten von Muskulatur oder Exozytose von Neurotransmittern oder Hormonen).
pH-Puffer Die Konzentration frei gelöster Phosphat-Ionen beträgt intrazellulär wie extrazellulär etwa 1 mmol/l. Intrazellulär existiert allerdings zusätzlich ein großer Bestand an organisch gebundenem Phosphat, etwa in Form von Nukleinsäuren, Nukleotiden (darunter ATP), Phospholipiden oder phosphorylierten Proteinen. Phosphat (egal ob frei oder gebunden) ist im pH-Bereich um 7,2 (pKS-Wert für den Übergang Dihydrogenphosphat/Hydrogenphosphat) ein guter Puffer. Intrazellulär ist Phosphat der bedeutendste Puffer, während ihm extrazellulär entsprechend seiner relativ niedrigen Konzentration eine untergeordnete Rolle zukommt. Eine Bedeutung als Puffer hat Phosphat daneben im Urin.
Regulation Die Löslichkeit von Calciumphosphatsalzen ist (insbesondere bei hohen pH-Werten) sehr gering, was Voraussetzung für die Mineralisierung des Knochens ist, aber auch zu Krankheiten wie Harnsteinen oder „echter“ Gefäßverkalkung führen kann, wenn das Löslichkeitsprodukt überschritten wird oder nicht ausreichend kristallisationshemmende Proteine exprimiert werden. Die Homöostasen (Konstanthaltung der Konzentrationen) von Calcium und Phosphat sind deshalb eng miteinander verknüpft.
Die für die Calcium- und Phosphathomöostase bedeutsamsten Hormone sind Parathormon (PTH), Calcitriol (aktiviertes Vitamin D) und fibroblast growth factor 23 (FGF23); sie fördern oder hemmen sich gegenseitig in ihrer Freisetzung und wirken an den Effektororganen teils synergistisch, teils antagonistisch. Reguliert wird die Aufnahme von Calcium und Phosphat im Darm, die Ausscheidung in der Niere und der Aufbau/Abbau von Knochenmatrix, bei dem Calcium und Phosphat stets gemeinsam gebunden/freigesetzt werden.
Hormone PTH CalcitriolFGF23 PTH ist ein in der Nebenschilddrüse produziertes Peptidhormon. Durch Verstärkung des Knochenabbaus kann es eine zu geringe Calciumkonzentration schnell ausgleichen. Calcitriol (1α,25(OH)2 Vitamin D3) ist ein in der Niere produziertes Steroidhormon. Es vermittelt die längerfristige Anpassung an ein geringes Calciumangebot und fördert (vorwiegend durch Bereitstellung von Calcium) den Knochenaufbau. FGF23 ist ein in den Osteozyten produziertes Proteohormon. Seine primäre Aufgabe ist die Steigerung der renalen Phosphatausscheidung. Stimuli niedriges Calcium (Rezeption über den calciumsensitiven Rezeptor) hohes Phosphat niedriges Calcium niedriges Phosphat hohes Phosphat hohes Calcium Interaktion stimuliert die Calcitriolbildung durch Steigerung der Transkription der 1α-Hydroxylase hemmt die Transkription des PTH-Gens. fördert die Freisetzung von FGF23 negative Rückkopplung durch Hemmung der Transkription der 1α-Hydroxylase. hemmt die Bildung und Freisetzung von PTH. hemmt die Calcitriolbildung durch Hemmung der Transkription der 1α-Hydroxylase.
Unter bestimmten Umständen sind zudem Calcitonin und PTH-related protein (PTHrP) von Bedeutung.
Wirkungen Knochen
Die Calciumbilanz der Knochen ist bei Erwachsenen mit normalem Calciumhaushalt fast ausgeglichen, der Abfluss überwiegt mit 20 mg täglich geringfügig.
Die Steigerung des Knochenabbaus durch Osteoklasten, der im Rahmen des Knochenumbaus ohnehin ständig stattfindet, ist ein schneller Mechanismus zur Steigerung der Calciumkonzentration und wird vorwiegend durch PTH induziert. Noch bedeutsamer für die akute Bereitstellung von Calcium ist womöglich die Osteozytenosteolyse, bei der Osteozyten die Knochenmatrix abbauen, die ihre Zellkörper und -fortsätze umgibt. Bei ausreichender Calciumversorgung entsteht durch den Knochenabbau langfristig kein Verlust von Knochensubstanz, da zu anderen Zeitpunkten der Knochenaufbau überwiegt.
Nieren Die Nieren scheiden täglich 800 Milligramm Calcium im Primärharn aus und resorbieren 790 mg zurück, woraus sich ein Nettoverlust von 10 mg ergibt. Bei einem Überschuss von Calcium im Blut wird dieser hauptsächlich über die Nieren ausgeschieden. Ein erhöhter Calciumspiegel mindert auch ohne Beteiligung von Hormonen die Rückresorption, indem er die Durchlässigkeit der Schlussleisten vermindert, wodurch vermehrt Calcium und Wasser ausgeschieden werden. Die gesteigerte Diurese bei Hypercalcämie kann ebenso wie die verminderte Citratrückresorption (und damit gesteigerte Calciumkomplexierung im Harn) bei Alkalose als körpereigener Schutzmechanismus gegen Harnsteine verstanden werden.
PTH senkt die Calciumausscheidung (durch erhöhte Rückresorption), während es die Phosphatausscheidung steigert. Calcitriol trägt zur Calciumretention bei, indem es die Biosynthese von Proteinen steigert, die für die Rückresorption wichtig sind; es senkt die Calciumausscheidung deshalb vor allem dann, wenn zugleich die Rückresorption durch PTH gesteigert ist; die Phosphatausscheidung wird ebenfalls gehemmt. FGF23 forciert die Phosphatausscheidung. Die Rückhaltefunktion der Nieren kann durch erhöhten Salzkonsum gestört werden, da sich mit der Natriumausscheidung auch die Calciumausscheidung erhöht. Schleifendiuretika hemmen, Thiaziddiuretika fördern die Rückresorption von Calcium.
Darm Etwa 800 Milligramm Calcium gelangen täglich mit der Nahrung in den Darm. Außerdem fängt der Darm etwa 130 mg Calcium im Dünndarm auf, das aus der extrazellulären Flüssigkeit stammt. Im Schnitt werden 270 mg wieder aufgenommen und 660 mg ausgeschieden. Um bei hohen Calciumkonzentrationen im Magendarmtrakt das Ausfallen von Calciumphosphat zu verhindern, wird durch direkte Wirkung des Calciums an Membranrezeptoren die H⁺-Sekretion im Magen verstärkt und die HCO₃⁻-Sekretion in der Bauchspeicheldrüse gehemmt, wobei die bessere Löslichkeit bei niedrigem pH ausgenutzt wird.
Die Calciumaufnahme im Darm findet teilweise mittels Diffusion und teils als aktiver Transport durch die Schleimhaut des Dünndarms statt. Der aktive Transport wird durch Calcitriol stimuliert, die beteiligten Transportproteine sind unbekannt. Er findet bei normaler und erniedrigter Calciumzufuhr statt, während passive parazelluläre Diffusion bei hoher Calciumzufuhr unabhängig von Calcitriol im Jejunum und im restlichen Dünndarm geschieht.B. S. Benn, D. Ajibade u. a.: Active intestinal calcium transport in the absence of transient receptor potential vanilloid type 6 and calbindin-D9k. In: Endocrinology Band 149, Nummer 6, Juni 2008, S. 3196–3205, . doi:10.1210/en.2007-1655. PMID 18325990. .G. D. Kutuzova, F. Sundersingh u. a.: TRPV6 is not required for 1alpha,25-dihydroxyvitamin D3-induced intestinal calcium absorption in vivo. In: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Band 105, Nummer 50, Dezember 2008, S. 19655–19659, . doi:10.1073/pnas.0810761105. PMID 19073913. . Calcitriol steigert zudem die Phosphataufnahme.
Interaktion von Calcium mit anderen Stoffen Bevor Calcium im Darm aufgenommen werden kann, ist es dort anderen Stoffen ausgesetzt, die in der Nahrung enthalten sein können und die meist die Calciumaufnahme im Darm verringern oder verhindern. Phytat in Vollkorn, Soja oder Mais bindet an Calcium und verhindert dessen Aufnahme. Dies ist die Hauptursache für unzureichende Calciumzufuhr in Entwicklungsländern.R. S. Gibson, K. B. Bailey u. a.: A review of phytate, iron, zinc, and calcium concentrations in plant-based complementary foods used in low-income countries and implications for bioavailability. In: Food Nutr Bull Band 31, Nummer 2 Suppl, Juni 2010, S. S134–S146, . PMID 20715598. (Review). Oxalat in oxalsäurehaltigen Nahrungsmitteln (Spinat, Rhabarber) bindet Calcium und verhindert dessen Aufnahme.A. Sotelo, L. González-Osnaya u. a.: Role of oxate, phytate, tannins and cooking on iron bioavailability from foods commonly consumed in Mexico. In: Int J Food Sci Nutr Band 61, Nummer 1, Februar 2010, S. 29–39, . doi:10.3109/09637480903213649. PMID 20001762. Andersherum bedeutet dies, dass viel freies Calcium im Darm die Aufnahme von Oxalat verhindert und damit vor Oxalatsteinen, den häufigsten Harnsteinen, schützt. Unveresterte langkettige gesättigte Fettsäuren (wie Palmitinsäure) bilden mit Calcium im Darmlumen unlösliche Calciumseifen,A. López-López, A. I. Castellote-Bargalló u. a.: The influence of dietary palmitic acid triacylglyceride position on the fatty acid, calcium and magnesium contents of at term newborn faeces. In: Early Hum. Dev. Band 65 Suppl, November 2001, S. S83–S94, . PMID 11755039. was den Calciummangel beim Kurzdarmsyndrom erklärt.
Resorptionsfördernd hingegen wirken folgende Substanzen: Vitamin D bewirkt durch Bildung eines Proteincarriers den aktiven Calciumtransport durch die Darmwand. Vitamin D kann die Calciumresorption am stärksten beeinflussen. Lactose beeinflusst positiv die Darmflora, daher erfolgt eine hohe Ausnutzung des Milchcalciums.