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カルシウムイオン（Ca 2+ ）は、生物の細胞の生理機能と生化学に寄与しています。カルシウムイオンは、シグナル伝達経路において重要な役割を果たしており、セカンドメッセンジャーとして作用したり、ニューロンからの神経伝達物質の放出、すべての筋細胞型の収縮、受精に関与しています。多くの酵素は、いくつかの凝固因子を含め、補因子としてカルシウムイオンを必要とします。細胞外カルシウムは、興奮性細胞膜間の電位差の維持や、適切な骨形成にも重要です。
哺乳類の血漿カルシウム濃度は厳密に調節されており、[ 2 ] [ 3 ]骨が主要なミネラル貯蔵部位として機能しています。カルシウムイオン（Ca2 +）は、制御された条件下で骨から血流に放出されます。カルシウムは、溶解したイオンとして、または血清アルブミンなどのタンパク質に結合した状態で血流中を輸送されます。 副甲状腺から分泌される副甲状腺ホルモンは、骨からのCa2 +の再吸収、腎臓での循環への再吸収、およびビタミンD3のカルシトリオールへの活性化の増加を調節します。ビタミンD3の活性型であるカルシトリオールは、腸と骨からのカルシウムの吸収を促進します。カルシトリオールは細胞内カルシウム濃度の上昇にも重要な役割を果たしており、このイオンの高濃度は乳がんや前立腺がんに対する保護効果があると考えられています。食事中のカルシウムの過剰摂取によるカルシトリオールの抑制が、乳製品とがんの潜在的な関連性の主要なメカニズムであると考えられています。しかし、多くの乳製品に含まれるビタミンDは、血清カルシトリオール濃度を上昇させることで、高カルシウム食の有害な影響を相殺するのに役立つ可能性がある。 甲状腺の傍濾胞細胞から分泌されるカルシトニンも、副甲状腺ホルモンに拮抗することでカルシウム濃度に影響を与えるが、ヒトにおけるその生理学的意義については議論の余地がある。
細胞内カルシウムは、特定の細胞イベントに応じてCa2 +イオンを繰り返し放出および再蓄積する細胞小器官に貯蔵されます。貯蔵場所にはミトコンドリアと小胞体が含まれます。[ 4 ]
モデル生物におけるカルシウムの代表的な濃度は、大腸菌では3 mM（結合型）、100 nM（遊離型）、出芽酵母では2 mM（結合型）、哺乳類細胞では10～100 nM（遊離型）、血漿では2 mMである。[ 5 ]
2022年には、米国で277番目に多く処方された薬であり、70万件以上の処方箋があった。[ 8 ] [ 9 ]
米国医学研究所（IOM）は1997年にカルシウムの推奨栄養所要量（RDA）を設定し、2011年にその値を更新しました。 [ 6 ]表を参照してください。 欧州食品安全機関（EFSA）はRDAの代わりに人口参照摂取量（PRI）という用語を使用し、わずかに異なる数値を設定しています。4～10歳は800mg 、11～17歳は 1150mg、18～24歳は1000mg 、25歳以上は 950mgです。[ 10 ]
動脈の石灰化や腎結石などの長期的な有害な副作用への懸念から、IOMとEFSAはともに、食事とサプリメントによるカルシウム摂取量の合計に対する許容上限摂取量（UL）を設定しました。IOMによると、9～18歳は 1日3,000mgを超えないようにし、19～50歳は1日2,500mgを超えないようにし 、51歳以上は 1日2,000mgを超えないようにしています。[ 11 ] EFSAは 成人のULを1日2,500mgに設定しましたが、子供と青少年のULを決定するには情報が不十分であると判断しました。[ 12 ]
米国の食品および栄養補助食品の表示目的では、1食分に含まれる量は1日摂取量のパーセント（%DV）で表されます。カルシウムの表示目的では、1日摂取量の100%は1000mgでした が、2016年5月27日現在、 RDAに合わせるために1300mgに改訂されました。[ 13 ] [ 14 ]旧および新成人1日摂取量の表は、Reference Daily Intakeで提供されています。
一般的に、栄養補助食品の表示やマーケティングでは、疾病予防や治療の主張は認められていませんが、FDA は一部の食品や栄養補助食品について科学的根拠を検討し、食事性カルシウムが骨密度に有益な効果をもたらすという科学的合意が十分にあると結論付け（ビタミン D はカルシウムの吸収を促進する）、特定の文言で許可された健康強調表示を公表しています。カルシウム栄養補助食品と骨粗鬆症に関する健康強調表示を認める最初の裁定は、後にカルシウムとビタミン Dサプリメントを含むように修正され、2010 年 1 月 1 日に発効しました。許可された文言の例を以下に示します。カルシウムの健康強調表示の資格を得るには、栄養補助食品は参照食事摂取量の 20% 以上を含んでいなければなりません。カルシウムの場合、これは少なくとも 260 mg/食分を意味します。[ 15 ]
2005年、FDAは、当時入手可能な証拠に基づき、カルシウムと高血圧に関する適格健康強調表示を承認し、文言案として「いくつかの科学的証拠は、カルシウムサプリメントが高血圧のリスクを軽減する可能性があることを示唆している。しかし、FDAは、証拠は一貫性がなく、決定的ではないと判断した。」とした。妊娠誘発性高血圧と子癇前症に関する証拠は決定的ではないとみなされた。[ 16 ]同年、FDAは、カルシウムと結腸癌に関する適格健康強調表示を承認し、文言案として「いくつかの証拠は、カルシウムサプリメントが結腸/直腸癌のリスクを軽減する可能性があることを示唆しているが、FDAは、この証拠は限定的で決定的ではないと判断した。」とした。乳癌と前立腺癌に関する証拠は決定的ではないとみなされた。[ 17 ]腎結石や月経障害または痛みに対するカルシウムの予防効果に関する適格健康強調表示の提案は却下された。[ 18 ] [ 19 ]
欧州食品安全機関（EFSA）は、「カルシウムは骨の正常な発達に寄与する」と結論付けた。[ 20 ] EFSAは、カルシウムとカリウムの食事摂取と正常な酸塩基平衡の維持との間に因果関係が存在するという主張を却下した。[ 21 ] EFSAはまた、カルシウムと爪、髪、血中脂質、月経前症候群、体重維持に関する主張も却下した。[ 22 ]
米国農務省（USDA）のウェブサイトには、食品中のカルシウム含有量（ミリグラム単位）を、100グラムあたりや通常の1食分あたりなどの一般的な単位で検索できる非常に包括的な表があります。[ 23 ] [ 24 ]
血液中（より正確には血漿中）のカルシウム量は、総カルシウムとして測定することができ、これにはタンパク質結合カルシウムと遊離カルシウムの両方が含まれます。一方、イオン化カルシウムは遊離カルシウムの測定値です。血漿中のカルシウム濃度が異常に高い状態を高カルシウム血症、異常に低い状態を低カルシウム血症といい、「異常」とは一般的に基準範囲外の値を指します。
血清カルシウムを測定する主な方法は以下のとおりです。[ 32 ]
組織中に存在するCa2 +の総量は、組織を気化させて燃焼させる原子吸光分光法を用いて測定することができる。生体内または試験管内で細胞質内のCa2 +濃度または空間分布を測定するには、さまざまな蛍光レポーターを用いることができる。これらには、 Fura-2などの細胞透過性カルシウム結合蛍光色素や、 Cameleonと呼ばれる緑色蛍光タンパク質（GFP）の遺伝子操作変異体などが含まれる。
イオン化カルシウムへのアクセスが常に可能とは限らないため、代わりに補正カルシウムが使用されることがあります。補正カルシウムをmmol/Lで計算するには、総カルシウム（mmol/L）に（（40マイナス血清アルブミン（ g/L））0.02を乗じた値）を加えます。[ 33 ]ただし、補正カルシウムは総カルシウムよりも優れているとは限らないため、その有用性については議論があります。[ 34 ]総カルシウムをアルブミンとアニオンギャップの両方で補正する方が有用かもしれません。[ 35 ] [ 36 ]
脊椎動物では、カルシウムイオンは他の多くのイオンと同様に、多くの生理学的プロセスにとって非常に重要であるため、適切な恒常性を確保するためにその濃度は特定の範囲内に維持されています。これは、ヒトの血漿カルシウムによって証明されており、これは人体で最も厳密に制御されている生理学的変数の1つです。正常な血漿レベルは、任意の時間で1～2%の間で変動します。イオン化されたカルシウムの約半分は非結合型で循環し、残りの半分はアルブミンなどの血漿タンパク質や、重炭酸イオン、クエン酸イオン、リン酸イオン、硫酸イオンなどの陰イオンと複合体を形成しています。[ 37 ]
組織によってカルシウムの含有量は異なります。例えば、Ca2 +（主にリン酸カルシウムと一部硫酸カルシウム）は、骨や石灰化軟骨の最も重要な（そして特異的な）構成要素です。ヒトの場合、体内のカルシウム総量は主に骨ミネラル（約99%）の形で存在します。この状態では、カルシウムは交換や生体利用にほとんど利用できません。これを克服する方法は、骨吸収というプロセスです。このプロセスでは、骨吸収細胞の働きによってカルシウムが血流中に放出されます。残りのカルシウムは、細胞外液と細胞内液に存在します。
典型的な細胞内では、細胞内イオン化カルシウム濃度は約 100 nM ですが、さまざまな細胞機能中に 10 ～ 100 倍に増加します。細胞内カルシウム濃度は、細胞外液と比較して約 12,000 倍低い値に保たれています。この勾配は、ATP をエネルギーとして利用するさまざまな形質膜カルシウムポンプと、細胞内コンパートメント内の相当量の貯蔵によって維持されています。骨格筋、心筋、ニューロンなどの電気的に興奮する細胞では、膜脱分極により Ca 2+過渡現象が発生し、細胞質 Ca 2+濃度は約 1 μM に達します。[ 39 ]ミトコンドリアは、その Ca 2+の一部を隔離して貯蔵することができます。神経活動中、ミトコンドリアマトリックスの遊離カルシウム濃度は、その場で数十マイクロモルレベルまで上昇すると推定されています。[ 40 ]
カルシウムがヒト細胞に及ぼす影響は特異的であり、異なる種類の細胞は異なる反応を示す。しかし、特定の状況下では、その作用はより一般的である可能性がある。Ca 2+イオンは、シグナル伝達で使用される最も広く普及しているセカンドメッセンジャーの 1 つである。Ca 2+ イオンは、細胞膜を介して細胞外からカルシウムチャネル (カルシウム結合タンパク質や電位依存性カルシウムチャネルなど)を介して細胞質に流入するか、小胞体[ 4 ]やミトコンドリアなどの細胞内カルシウム貯蔵庫から流入する。細胞内カルシウム濃度は、細胞からカルシウムを除去する輸送タンパク質によって調節されている。たとえば、ナトリウム-カルシウム交換体は、ナトリウムの電気化学的勾配からエネルギーを得て、細胞内へのナトリウムの流入 (濃度勾配に沿って) と細胞外へのカルシウムの輸送を共役させる。さらに、形質膜 Ca 2+ ATPase (PMCA) は、アデノシン三リン酸(ATP) を加水分解することによって細胞外にカルシウムをポンプで送り出すエネルギーを得る。ニューロンでは、電圧依存性カルシウム選択性イオンチャネルが、シナプス小胞の融合によるシナプス間隙への神経伝達物質の放出を介したシナプス伝達に重要である。
カルシウムが筋肉収縮において果たす役割は、早くも1882年にリンガーによって発見された。その後の研究により、カルシウムがメッセンジャーとしての役割を担っていることが明らかになったのは、それから約1世紀後のことである。カルシウムの作用はcAMPと相互に関連しているため、両者はシナプリックメッセンジャーと呼ばれている。カルシウムは、トロポニンC（最初に同定されたもの）やカルモジュリンなど、筋肉の収縮を促進するために必要な複数のカルシウム調節タンパク質に結合することができる。
血管の内側を覆う内皮細胞では、Ca 2+イオンが血管周囲の平滑筋を弛緩させるいくつかのシグナル伝達経路を調節することができます。 これらの Ca 2+活性化経路には、一酸化窒素を産生する eNOS の刺激や、K caチャネルを刺激して K +を流出させ、細胞膜の過分極を引き起こすものなどがあります。一酸化窒素と過分極の両方が平滑筋を弛緩させ、血管の緊張を調節します。[ 41 ] しかし、これらの Ca 2+活性化経路の機能不全は、平滑筋の調節されない収縮によって引き起こされる緊張の増加につながる可能性があります。この種の機能不全は、心血管疾患、高血圧、糖尿病で見られます。[ 42 ]
カルシウム配位は、タンパク質の構造と機能を決定する上で重要な役割を果たします。カルシウム配位を持つタンパク質の例として、血液凝固過程において重要な役割を果たすフォン・ヴィルブランド因子（vWF）が挙げられます。単一分子光ピンセット測定により、カルシウム結合vWFが血液中でせん断力センサーとして機能することが発見されました。せん断力はvWFのA2ドメインの展開を引き起こし、カルシウムの存在下ではその再折りたたみ速度が劇的に向上します。[ 43 ]
Ca 2+イオンの流れは、視覚、聴覚、嗅覚系の神経適応におけるいくつかの二次メッセンジャーシステムを調節します。多くの場合、嗅覚系のようにカルモジュリンに結合してカチオンチャネルを増強または抑制します。 [ 44 ]また、光受容系のように、カルシウムレベルの変化によってグアニル酸シクラーゼの阻害が実際に解除される場合もあります。[ 45 ] Ca 2+イオンは、その時点で細胞内のカルシウム濃度が高い場合と低い場合にチャネルを開閉するためにカルシウムレベルを検出する親和性が異なる受容体とタンパク質に応じて、神経系の適応速度を決定することもできます。[ 46 ]
細胞外Ca2 +イオン濃度の著しい低下は、自発的な運動ニューロンの放電を特徴とする低カルシウム血症性テタニーと呼ばれる状態を引き起こす可能性がある。さらに、重度の低カルシウム血症は、血液凝固やシグナル伝達にも影響を及ぼし始める。
Ca 2+イオンは、過剰に細胞内に入り込むと細胞を損傷する可能性があります (たとえば、神経変性疾患で発生する興奮毒性、つまり神経回路の過剰興奮、または脳外傷や脳卒中などの障害の後など)。細胞へのカルシウムの過剰な流入は、細胞を損傷したり、アポトーシス、つまり壊死による細胞死を引き起こしたりする可能性があります。カルシウムはまた、浸透圧ストレス (浸透圧ショック)の主要な調節因子の 1 つとしても機能します。慢性的に血漿カルシウムが上昇している状態(高カルシウム血症) は、心臓不整脈や神経筋興奮性の低下と関連しています。高カルシウム血症の原因の 1 つは、副甲状腺機能亢進症として知られる状態です。
一部の無脊椎動物は、外骨格（殻や甲羅）や内骨格（棘皮動物の骨板や海綿動物の石灰質骨片）を構築するためにカルシウム化合物を使用する。
アブシジン酸が孔辺細胞にシグナルを送ると、遊離Ca2 +イオンが細胞外と細胞内貯蔵庫の両方から細胞質に入り込み、濃度勾配が逆転してK+イオンが細胞外に流出し始める。溶質の喪失により細胞は弛緩し、気孔が閉じる。[ 49 ]
カルシウムは有糸分裂紡錘体の形成に不可欠なイオンです。有糸分裂紡錘体がなければ、細胞分裂は起こりません。若い葉はカルシウムをより多く必要としますが、カルシウムは植物体内での移動性が比較的低いため、古い葉の方がカルシウム含有量が多くなります。カルシウムは他の栄養イオンと結合して液体溶液から沈殿する可能性があるため、師管を通って輸送されることはありません。
Ca 2+イオンは植物の細胞壁と細胞膜の必須成分であり、植物の液胞内の有機アニオンのバランスをとるための陽イオンとして使用されます。[ 50 ]液胞内の Ca 2+濃度はミリモルレベルに達することがあります。藻類における構造要素としての Ca 2+イオンの最も顕著な使用例は海洋ココリス藻類で、これらは Ca 2+を使用して炭酸カルシウム板を形成し、それで覆われています。
カルシウムは、新しく形成された細胞の中層におけるペクチンの形成に必要である。
カルシウムは細胞膜の透過性を安定させるために必要です。カルシウムがないと、細胞壁は安定せず、内容物を保持できません。これは特に果実の発育において重要です。カルシウムがないと、細胞壁は弱くなり、果実の内容物を保持できなくなります。
植物の中には、組織内にカルシウムを蓄積することで、組織をより硬くするものがある。カルシウムは、色素体内でシュウ酸カルシウム結晶として貯蔵される。
Ca 2+イオンは通常、植物細胞の細胞質内でナノモル濃度に保たれており、セカンドメッセンジャーとして多くのシグナル伝達経路で作用する。
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