Elementi della Tavola Periodica. Calcio, Ca (2 parte)

Rinaldo Cervellati

il primo post di questa serie è qui

Ruolo biologico e patologie da carenza

Il calcio è un elemento essenziale. Lo ione Ca2+ agisce come elettrolita ed è vitale per la salute dei sistemi muscolare, circolatorio e digestivo; è indispensabile per la costruzione delle ossa; supporta la sintesi e la funzione delle cellule del sangue. Ad esempio, regola la contrazione dei muscoli, la conduzione nervosa e la coagulazione del sangue. Di conseguenza, i livelli di calcio intra ed extracellulare sono strettamente regolati dal corpo. Il calcio può svolgere questo ruolo perché lo ione Ca2+ forma complessi di coordinazione stabili con molti composti organici, in particolare le proteine; forma anche composti con un’ampia gamma di solubilità, consentendo la formazione dello scheletro.

Gli ioni calcio possono essere complessati dalle proteine ​​legando i gruppi carbossilici dell’acido glutammico o dei residui dell’acido aspartico; attraverso l’interazione con residui fosforilati di serina, tirosina o treonina; o essendo chelato da residui amminoacidici γ-carbossilati. La tripsina, un enzima digestivo, utilizza il primo metodo; l’osteocalcina, una proteina della matrice ossea, utilizza il terzo. Alcune altre proteine ​​della matrice ossea come l’osteopontina e la sialoproteina ossea utilizzano sia il primo sia il secondo. L’attivazione diretta degli enzimi leganti il calcio è comune; alcuni altri enzimi sono attivati ​​dall’associazione non covalente con enzimi leganti direttamente il ​​calcio. Si lega anche allo strato fosfolipidico della membrana cellulare, ancorando le proteine ​​associate alla superficie cellulare.

Come esempio dell’ampia gamma di solubilità dei composti di calcio, il fosfato monocalcico è molto solubile in acqua, l’85% del calcio extracellulare è come fosfato bicalcico con una solubilità di 2,0 mM e l’idrossiapatite delle ossa in una matrice organica è il fosfato tricalcico a 100 μM.

Nutrizione

Il calcio è un costituente comune degli integratori alimentari multivitaminici, ma la composizione dei complessi di calcio negli integratori può influire sulla sua biodisponibilità che varia secondo la solubilità del sale coinvolto: citrato di calcio, malato e lattato sono altamente biodisponibili, mentre l’ossalato lo è meno. Altre preparazioni includono carbonato di calcio, citrato malato di calcio e gluconato di calcio. L’intestino assorbe circa un terzo del calcio ingerito come ione libero e il suo livello nel plasma viene regolato dai reni.

Regolazione ormonale della formazione ossea e dei livelli sierici

L’ormone paratiroideo e la vitamina D promuovono la formazione delle ossa consentendo e migliorando la deposizione di ioni calcio, consentendo un rapido turnover osseo senza influenzare la massa ossea o il contenuto di minerali. Quando i livelli di calcio plasmatico diminuiscono, i recettori della superficie cellulare vengono attivati ​​e si verifica la secrezione dell’ormone paratiroideo; procede quindi a stimolare l’ingresso di calcio nel pool plasmatico prelevandolo da cellule renali, intestinali e ossee mirate, con l’azione di formazione ossea dell’ormone paratiroideo antagonizzata dalla calcitonina, la cui secrezione aumenta con l’aumentare dei livelli di calcio plasmatico.

Figura 6. Assunzione di calcio nella dieta globale tra gli adulti (mg/giorno).

<400, 400–500, 500–600, 600–700, 700–800, 800–900, 900−1000, >1000

rosso, rosso chiaro, più chiaro — giallo — verde, più chiaro, —–grigio

Livelli sierici anormali

Un consumo eccessivo di calcio può causare ipercalcemia. Tuttavia, poiché viene assorbito in modo piuttosto inefficiente dall’intestino, un alto livello di calcio sierico è più probabilmente causato da un’eccessiva secrezione di ormone paratiroideo (PTH) o forse da un’eccessiva assunzione di vitamina D, che facilitano l’assorbimento del calcio. Tutte queste condizioni provocano il deposito di sali di calcio in eccesso nel cuore, nei vasi sanguigni o nei reni. I sintomi includono anoressia, nausea, vomito, perdita di memoria, confusione, debolezza muscolare, aumento della minzione, disidratazione e malattia metabolica delle ossa. L’ipercalcemia cronica porta tipicamente alla calcificazione dei tessuti molli e alle sue gravi conseguenze: ad esempio, la calcificazione può causare la perdita di elasticità delle pareti vascolari e l’interruzione del flusso sanguigno laminare, e quindi la rottura della placca e la trombosi. Al contrario, un’assunzione inadeguata di calcio o vitamina D può provocare ipocalcemia, spesso causata anche da una secrezione inadeguata dell’ormone paratiroideo o da recettori PTH difettosi nelle cellule. I sintomi includono l’eccitabilità neuromuscolare, che potenzialmente causa tetania e interruzione della conduttività nel tessuto cardiaco.

Calcoli renali

Poiché il calcio è necessario per lo sviluppo osseo, molte malattie ossee possono essere ricondotte alla matrice organica o all’idrossiapatite nella struttura molecolare o nell’organizzazione dell’osso. L’osteoporosi è una riduzione del contenuto di minerali dell’osso per unità di volume e può essere trattata con l’integrazione di calcio, vitamina D e bisfosfonati. Quantità inadeguate di queste sostanze possono provocare un ammorbidimento delle ossa, chiamato osteomalacia.

Cibi ricchi di calcio

Gli alimenti ricchi di calcio includono latticini (come yogurt e formaggi), sardine, salmone, prodotti a base di soia, cavoli e cereali  da colazione fortificati.

Sia l’Istituto di medicina degli Stati Uniti (IOM) che l’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) hanno stabilito i livelli di assunzione superiore tollerabile (UL) per la dieta combinata e gli integratori di calcio. Lo IOM ha stabilito che persone di età compresa tra 9 e 18 anni non devono superare l’assunzione combinata di 3 g/giorno; per età 19–50 2,5 g/giorno; dai 51 anni in su 2 g/giorno. L’EFSA ha fissato l’UL per tutti gli adulti a 2,5 g/giorno, ma ha deciso che le informazioni per bambini e adolescenti non erano sufficienti per determinare l’UL.

Ciclo biogeochimico

Il ciclo del calcio fornisce un collegamento tra tettonica, clima e ciclo del carbonio (figura 7).

Figura 7. Ciclo del calcio e relazione con quello del carbonio

In termini semplici, il sollevamento delle montagne espone le rocce contenenti calcio agli agenti atmosferici chimici (CO2 gas e H2O) e rilascia Ca2+ nelle acque superficiali. Questi ioni vengono trasportati nell’oceano dove reagiscono con la CO2 disciolta per formare calcare (CaCO3), che a sua volta si deposita sul fondo del mare dove viene inglobato in nuove rocce. La CO2 disciolta, insieme agli ioni carbonato e bicarbonato, è definita “carbonio inorganico disciolto” (DIC).

La reazione effettiva è più complicata e coinvolge lo ione bicarbonato (HCO3) che si forma quando la CO2 reagisce con l’acqua al pH dell’acqua marina:

Ca2+ + 2HCO3− ⇌ CaCO3(s) + CO2 + H2O

Al pH dell’acqua di mare, la maggior parte della CO2 viene immediatamente riconvertita in HCO3e la reazione si traduce in un trasporto netto di una molecola di CO2 dall’oceano/atmosfera alla litosfera. Il risultato è che ogni ione Ca2+ rilasciato dagli agenti atmosferici chimici alla fine rimuove una molecola di CO2 dal sistema superficiale (atmosfera, oceano, suolo e organismi viventi), immagazzinandola nelle rocce carbonatiche dove è probabile che rimanga per centinaia di milioni di anni. L’erosione del calcio dalle rocce elimina quindi la CO2 dall’oceano e dall’atmosfera, esercitando un forte effetto a lungo termine sul clima.

Con l’acidificazione degli oceani, l’apporto di anidride carbonica promuove la dissoluzione del carbonato di calcio e danneggia gli organismi marini che dipendono dai loro gusci protettivi di calcite o aragonite. La solubilità del carbonato di calcio aumenta con la pressione e l’anidride carbonica e diminuisce con la temperatura. Pertanto, il carbonato di calcio è più solubile nelle acque profonde rispetto alle acque superficiali a causa della pressione più elevata e della temperatura inferiore. Di conseguenza, la precipitazione del carbonato di calcio è più comune negli oceani meno profondi. La profondità alla quale la velocità di dissoluzione della calcite è uguale alla velocità di precipitazione della calcite è nota come profondità di compensazione della calcite.

L’acidità degli oceani dovuta all’anidride carbonica è già aumentata del 25% dalla rivoluzione industriale. Poiché le emissioni di anidride carbonica aumentano e si accumulano continuamente, ciò influirà negativamente sulla vita di molti ecosistemi marini. Il carbonato di calcio utilizzato per formare gli esoscheletri di molti organismi marini inizierà a degradarsi, lasciando questi animali vulnerabili e incapaci di vivere nei loro habitat. Questo alla fine ha un effetto sui predatori, influenzando ulteriormente la funzione di molte catene alimentari a livello globale.

Data la sua stretta relazione con il ciclo del carbonio e gli effetti dei gas serra, si prevede che i cicli del calcio e del carbonio cambieranno nei prossimi anni. Il monitoraggio degli isotopi del calcio consente la previsione dei cambiamenti ambientali, con molte fonti che suggeriscono un aumento delle temperature sia nell’atmosfera sia nell’ambiente marino. Di conseguenza, questo altererà drasticamente la degradazione della roccia, il pH degli oceani e dei corsi d’acqua e quindi la sedimentazione del calcio, con una serie di implicazioni sul ciclo del calcio. A causa delle complesse interazioni del calcio con molti aspetti della vita, è improbabile che gli effetti delle condizioni ambientali alterate siano noti fino a quando non si verificano. Le previsioni possono tuttavia essere fatte provvisoriamente, sulla base di ricerche basate sull’evidenza [1,2].

Riciclaggio

Dato l’ampio uso dei composti del calcio in diversi settori industriali e agrari, molti articoli hanno proposto metodi per il riciclo di silicati, carbonati e cloruro di calcio. Qui riportiamo un brevetto statunitense per il recupero da prodotti di scarto o materiale calcico naturale contaminato [3]. In sintesi il calcio viene recuperato preparando una sospensione acquosa del materiale contenente calcio da recuperare e abbassando il pH della sospensione a pH <6, o preferibilmente <4, per fornire una sospensione che include una fase liquida acida contenente i composti di calcio in forma solubile. Successivamente il pH del liquido viene portato a pH> 6 o 7, mescolando in esso una base, per precipitare la porzione principale di alluminio; alla fase liquida neutra o basica viene aggiunto carbonato o bicarbonato di sodio (Na2CO3 o NaHCO3), per precipitare i composti di calcio come CaCO3.

Opere consultate

Handbook of Chemistry and Physics, 85th Ed. p. 4-7

https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbonate-silicate_cycle

Bibliografia

[1] https://www.pmel.noaa.gov/co2

[2] Ocean acidification, Smithsonian,

https://ocean.si.edu/ocean-life/invertebrates/ocean-acidification

[3] Method of recovering calcium from waste material or contaminated natural calcic material.

https://patents.google.com/patent/US6193945

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