Calcio en biología

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El Instituto de Medicina de EE. UU. (IOM) estableció las cantidades dietéticas recomendadas (RDA) de calcio en 1997 y actualizó esos valores en 2011.^[5] Ver tabla. La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) utiliza el término Ingesta de referencia de la población (PRI) en lugar de RDA y establece números ligeramente diferentes: edades 4–10: 800 mg, edades 11-17: 1150 mg, de 18 a 24 años: 1000 mg, y >25 años: 950 mg.^[6]

Debido a la preocupación por los efectos secundarios adversos a largo plazo, como la calcificación de las arterias y los cálculos renales, el IOM y la EFSA establecen niveles máximos de ingesta tolerable (UL) para la combinación de calcio dietético y suplementario. Según el IOM, las personas de 9 a 18 años no deben exceder los 3000 mg/día; para las edades de 19 a 50 años no debe exceder los 2500 mg/día; para mayores de 51 años, no exceder los 2000 mg/día.^[7] La EFSA fijó UL en 2500 mg/día para adultos, pero decidió que la información para niños y adolescentes no era suficiente para determinar los UL.^[8]

Para propósitos de etiquetado de alimentos y suplementos dietéticos en EE. UU., la cantidad en una porción se expresa como un porcentaje del valor diario (% DV). Para fines de etiquetado de calcio, el 100% del valor diario fue 1000 mg, pero a partir del 27 de mayo de 2016 se revisó a 1300 mg para ponerlo de acuerdo con la RDA.^[9][10]

Recomendaciones diarias de calcio ajustadas por edad (RDA del Instituto de Medicina de EE. UU.)^[5]

Años	Calcio (mg/día)
1-3 años	700
4-8 años	1000
9-18 años	1300
19 a 50 años	1000
> 51 años	1000
Embarazo	1000
Lactancia	1000

Aunque, como regla general, el etiquetado y la comercialización de los suplementos dietéticos no pueden hacer afirmaciones sobre la prevención o el tratamiento de enfermedades, la FDA ha revisado la ciencia para algunos alimentos y suplementos dietéticos, ha llegado a la conclusión de que existe un acuerdo científico importante y ha publicado declaraciones de propiedades saludables permitidas específicamente redactadas. Un fallo inicial que permite una declaración de propiedades saludables para los suplementos dietéticos de calcio y la osteoporosis se modificó posteriormente para incluir suplementos de calcio y vitamina D, a partir del 1 de enero de 2010. A continuación se muestran ejemplos de redacción permitida. Para calificar para la declaración de propiedades saludables del calcio, un suplemento dietético debe contener al menos el 20% de la Ingesta Dietética de Referencia, que para calcio significa al menos 260 mg/ración.^[12]

• "El calcio adecuado durante toda la vida, como parte de una dieta bien equilibrada, puede reducir el riesgo de osteoporosis".
• "El calcio adecuado como parte de una dieta saludable, junto con la actividad física, puede reducir el riesgo de osteoporosis en el futuro".
• "Una cantidad adecuada de calcio y vitamina D durante toda la vida, como parte de una dieta bien balanceada, puede reducir el riesgo de osteoporosis".
• "El calcio y la vitamina D adecuados como parte de una dieta saludable, junto con la actividad física, pueden reducir el riesgo de osteoporosis en la edad adulta".

La Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) concluyó que "el calcio contribuye al desarrollo normal de los huesos".^[13]

El sitio web del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos (USDA) tiene una tabla de búsqueda muy completa del contenido de calcio (en miligramos) en los alimentos, por medidas comunes como por 100 gramos o por porción normal.^[14][15]

La cantidad de calcio en la sangre (más específicamente, en el plasma sanguíneo) se puede medir como calcio total, que incluye tanto el calcio unido a proteínas como el libre. Por el contrario, el calcio ionizado es una medida de calcio libre. Un nivel anormalmente alto de calcio en plasma se denomina hipercalcemia y un nivel anormalmente bajo se denomina hipocalcemia. El "anormal" generalmente se refiere a niveles fuera del rango de referencia.

Los principales métodos para medir el calcio sérico son:^[16]

• Método de O-Cresolfaleína Complexona: una desventaja de este método es que la naturaleza volátil del 2-amino-2-metil-1-propanol usado en este método hace necesario calibrarlo cada pocas horas en un laboratorio clínico.
• Método Arsenazo III: este método es más robusto, pero el arsénico en el reactivo es un peligro para la salud.

La cantidad total de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ presente en un tejido puede medirse usando espectroscopía de absorción atómica, en la que el tejido se vaporiza y se quema. Para medir la concentración de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ o la distribución espacial dentro del citoplasma celular in vivo o in vitro, se puede usar una variedad de indicadores fluorescentes. Estos incluyen tintes fluorescentes permeables a las células que se unen al calcio, como Fura-2, o variantes de proteína verde fluorescente (GFP) diseñadas genéticamente llamadas Cameleon.

Como el acceso a la medición de calcio ionizado no siempre está disponible, se puede utilizar en su lugar un calcio corregido. Para calcular el calcio corregido en mmol/L, se toma el calcio total en mmol/L y se le suma ((40 menos la albúmina sérica en g/L) multiplicado por 0.02).^[17] Sin embargo, existe controversia en torno a la utilidad del calcio corregido, ya que puede que no sea mejor que el calcio total.^[18] Puede ser más útil corregir el calcio total tanto para la albúmina como para la brecha aniónica.^[19]

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En los vertebrados, los iones de calcio, al igual que muchos otros iones, son de tal importancia vital para numerosos procesos fisiológicos que su concentración se mantiene dentro de límites específicos para asegurar una homeostasis adecuada. Esto se evidencia en el calcio plasmático humano, que es una de las variables fisiológicas más estrechamente reguladas en el cuerpo humano. Los niveles plasmáticos normales varían entre el 1 y el 2% en un momento dado. Aproximadamente la mitad de todo el calcio ionizado circula en su forma libre, y la otra mitad forma complejos con proteínas plasmáticas como la albúmina, así como con aniones que incluyen bicarbonato, citrato, fosfato y sulfato.^[1]

Los diferentes tejidos contienen calcio en diferentes concentraciones. Por ejemplo, ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ (principalmente fosfato de calcio y algo de sulfato de calcio) es el elemento mineral más importante del hueso y del cartílago calcificado. En los seres humanos, aproximadamente el 99% del contenido corporal total de calcio se encuentra en forma de mineral óseo. En este estado, está en gran medida no disponible para intercambio/biodisponibilidad. La forma de movilizarlo es mediante el proceso de resorción ósea, en el que el calcio se libera al torrente sanguíneo por la acción de los osteoclastos óseos. El resto del calcio se encuentra en los líquidos extracelular e intracelular.

Dentro de una célula típica, la concentración intracelular de calcio ionizado es de aproximadamente 100 nM, pero puede aumentar de 10 a 100 veces durante diversas funciones celulares. El nivel de calcio intracelular se mantiene relativamente bajo en comparación con el líquido extracelular, con una diferencia de aproximadamente 12,000 veces. Este gradiente se mantiene mediante varias bombas de calcio de membrana plasmática que utilizan ATP para obtener energía, así como mediante un considerable almacenamiento dentro de compartimentos intracelulares. En las células eléctricamente excitables, como los músculos esquelético y cardíaco, y las neuronas, la despolarización de la membrana conduce a un aumento transitorio de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ citosólico, alcanzando alrededor de 1 µM.^[21] Las mitocondrias son capaces de secuestrar y almacenar parte de ese ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$. Se ha estimado que la concentración de calcio libre en la matriz mitocondrial aumenta a decenas de micromolares in situ durante la actividad neuronal.^[22]

Los efectos del calcio en las células humanas son específicos, lo que significa que diferentes tipos de células responden de formas distintas. Los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ son uno de los segundos mensajeros más extendidos utilizados en la transducción de señales. Entran al citoplasma desde el exterior de la célula a través de la membrana celular mediante canales de calcio (como los canales de calcio activados por voltaje o por ligando), o desde depósitos internos de calcio como el retículo endoplásmico^[3] y las mitocondrias.

Los niveles de calcio intracelular están regulados por proteínas de transporte que lo eliminan de la célula. Por ejemplo, el intercambiador de sodio-calcio utiliza la energía del gradiente electroquímico del sodio para transportar calcio fuera de la célula mientras introduce sodio. Además, la ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ ATPasa de la membrana plasmática (PMCA) hidroliza ATP para bombear calcio activamente fuera de la célula.

En las neuronas, los canales de calcio dependientes de voltaje son esenciales para la transmisión sináptica: la entrada de calcio desencadena la fusión de las vesículas sinápticas y la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica.

La función del calcio en la contracción muscular fue descubierta ya en 1882 por Ringer. Investigaciones posteriores revelarían su papel como mensajero aproximadamente un siglo después. El calcio puede unirse a varias proteínas moduladas por calcio como la troponina-C (la primera en ser identificada) y la calmodulina, que son necesarias para promover la contracción del músculo esquelético y cardíaco, así como la contracción del músculo liso.

En las células endoteliales que recubren el interior de los vasos sanguíneos, los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ pueden regular varias vías de señalización que hacen que el músculo liso circundante se relaje. Algunas de estas vías activadas por ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ incluyen la estimulación de la óxido nítrico sintasa endotelial (eNOS) para producir óxido nítrico (vasodilatador), así como la estimulación de los canales de K_Ca para expulsar ${\displaystyle {\ce {K^+}}}$ y causar hiperpolarización de la membrana celular. Tanto el óxido nítrico como la hiperpolarización contribuyen a la relajación del músculo liso y a la regulación del tono vascular.^[23] La disfunción en estas vías activadas por ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ puede conducir a un aumento del tono vascular y está implicada en enfermedades como la hipertensión y la diabetes.^[24]

La coordinación del calcio juega un papel importante en la definición de la estructura y función de las proteínas. Un ejemplo es el factor von Willebrand (vWF), que tiene un papel esencial en la formación de coágulos sanguíneos. Mediante mediciones con pinzas ópticas de una sola molécula, se descubrió que el vWF unido al calcio actúa como un sensor de fuerza de corte en la sangre. La fuerza de cizallamiento conduce al despliegue del dominio A2 del vWF, cuya velocidad de replegamiento aumenta drásticamente en presencia de calcio.^[25]

El flujo de iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ regula varios sistemas de mensajeros secundarios en la adaptación neuronal para los sistemas visual, auditivo y olfativo. El calcio a menudo se une a la calmodulina, como en el sistema olfativo, para modular la actividad de canales iónicos.^[26] En el sistema de fotorrecepción, los cambios en los niveles de calcio pueden regular la actividad de la guanilil ciclasa.^[27] El ion ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ también puede determinar la velocidad de adaptación en un sistema neural dependiendo de la afinidad de los receptores y proteínas por el calcio.^[28]

Tipo de célula	Efecto del aumento de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ citosólico
Células endoteliales	↑ Vasodilatación (mediante óxido nítrico)
Células secretoras (exocrinas y endocrinas)	↑ Secreción (mediante fusión de vesículas)
Células yuxtaglomerulares	↓ Secreción de renina[29]
Células principales paratiroideas	↓ Secreción de PTH
Neuronas	Liberación de neurotransmisores (fusión de vesículas), adaptación neuronal
Células T	Activación en respuesta a la presentación de antígeno[30]
Miocitos (músculo esquelético, cardíaco, liso)	Contracción (mediante unión a troponina C o calmodulina)
Hepatocitos	Activación de glucógeno fosforilasa (glucogenólisis) Activación de la proteína quinasa C
Varios	Activación de la proteína quinasa C Véase también: Funciones de la proteína quinasa C

Las disminuciones sustanciales de las concentraciones extracelulares de iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ pueden dar lugar a una afección conocida como tetania hipocalcémica, que se caracteriza por la descarga espontánea de las neuronas motoras y espasmos musculares. Además, la hipocalcemia grave afecta la coagulación sanguínea y la transducción de señales.

Los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ pueden dañar las células si ingresan en cantidades excesivas (por ejemplo, en excitotoxicidad o sobreexcitación de circuitos neuronales, que puede ocurrir en enfermedades neurodegenerativas o después de traumatismos cerebrales o accidentes cerebrovasculares). La entrada masiva de calcio puede activar enzimas destructivas (proteasas, fosfolipasas) y desencadenar apoptosis o necrosis. El calcio también actúa como uno de los reguladores primarios del estrés osmótico.

El calcio plasmático crónicamente elevado (hipercalcemia) se asocia con arritmias cardíacas y disminución de la excitabilidad neuromuscular. Una causa común de hipercalcemia es el hiperparatiroidismo primario.

Muchos invertebrados utilizan compuestos de calcio para construir su exoesqueleto (conchas de moluscos, caparazones de crustáceos) o endoesqueleto (placas calcáreas de equinodermos y espículas calcáreas de esponjas). El calcio también es esencial para la contracción muscular y la señalización neuronal en estos grupos.

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Cuando la hormona ácido abscísico (ABA) señala estrés hídrico a las células oclusivas de los estomas, los iones de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ libres ingresan al citosol desde el exterior de la célula y desde las reservas internas (vacuola y retículo endoplásmico). El aumento de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ citosólico activa canales de aniones y canales de potasio de salida, causando la salida de iones K⁺ y aniones. La pérdida de solutos reduce la presión de turgencia, haciendo que la célula oclusiva se vuelva flácida y cerrando el poro estomático.

El calcio es necesario para la formación y funcionamiento del huso mitótico. Sin niveles adecuados de calcio, no puede ocurrir la división celular. Aunque las hojas jóvenes tienen una mayor necesidad de calcio, las hojas más viejas contienen mayores cantidades de calcio porque el calcio es relativamente inmóvil en la planta; no se transporta eficazmente a través del floema porque puede precipitar con otros iones o formar complejos insolubles.

Los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ son un componente esencial de las paredes celulares y membranas celulares de las plantas, y se utilizan como cationes para equilibrar aniones orgánicos en la vacuola vegetal.^[31] La concentración de ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ en la vacuola puede alcanzar niveles milimolares.

El calcio es necesario para la formación de la pectina en la laminilla media de las células recién formadas, lo que contribuye a la adhesión celular. También es necesario para estabilizar la permeabilidad de las membranas celulares. Sin calcio, las paredes celulares se debilitan y no pueden retener el contenido celular adecuadamente. Esto es particularmente importante en el desarrollo de frutos; la deficiencia de calcio causa trastornos como la "podredumbre apical" en tomates y pimientos.

Algunas plantas acumulan calcio en sus tejidos, lo que aumenta su rigidez. El calcio se almacena como cristales de Ca-oxalato en los plástidos (drusas o ráfidos). El uso más llamativo de los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ como elemento estructural en algas se da en los cocolitóforos marinos, que forman placas de carbonato cálcico (cocolitos) que los recubren.

Los iones ${\displaystyle {\ce {Ca^2+}}}$ generalmente se mantienen a niveles muy bajos (alrededor de 100 nM) en el citosol de las células vegetales en reposo, y actúan como segundos mensajeros en numerosas vías de transducción de señales, incluyendo respuestas a luz, hormonas (como la auxina y el ABA), estrés biótico (ataque de patógenos) y estrés abiótico (sequía, salinidad, temperatura).