1

Wapń

BIOCHEMIA

WYKŁAD 14

2

- Jest pierwiastkiem występującym w największym 

stężeniu w organizmie człowieka:

99% zawarte jest w kośćcu
0,01% w osoczu
pozostały w przestrzeni międzykomórkowej i 

komórkowej

- Dzienne zapotrzebowanie (z diety) dla dorosłego 

człowieka – ok. 25 mmol/dobę

- Występuje w osoczu w 3 formach:

a) wolny (zjonizowany, jedyna aktywna 

biologicznie forma) – 

47%

b) związany z białkami – 

46%

 ( z tego 80% z 

albuminą i 20% z globulinami)
c) związany z innymi jonami (cytrynianem, 

fosforanem, siarczanem lub mleczanem ) – 

7%

3

Rola jonów Ca

2+

- Kofaktor wielu enzymów

- Bierze czynny udział w procesach krzepnięcia krwi

- Regulator aktywności ATP-az

- Bierze udział w regulacji przepuszczalności błon 

komórkowych

- Wymianie jonów

- Powstawaniu potencjałów czynnościowych

- W przewodzeniu bodźców nerwowych

- Warunkuje prawidłowy przebieg skurczu i 

rozkurczu mięśni

- Regulator uwalniania hormonów

- Tworzenie hydroksyapatytów w kości

4

Stężenie 

Ca

2+

 w przestrzeniach 

międzykomórkowych i otoczeniu komórki

• Poziom Ca

2+

 w komórce jest bardzo niski, 

rzędu 10

-7

mol/l

• W płynie międzykomórkowym 10

-3

mol/l

5

Mechanizmy kontroli stężenia 

Ca

2+

 w 

komórce

Drogi wnikania Ca

2+

 do komórki:

 

kanały wapniowe

 regulowane przez:

- potencjał błonowy
- neurotransmitery
- receptory nikotynowe (w płytce 

neuromięśniowej)
- receptory ATP (w mięśniach gładkich)

* ok. 1% Ca

2+

 przedostaje się do komórki poprzez 

kanał sodowy 

6

Kanały wapniowe regulowane przez 

potencjał błonowy

- wyst. w mięśniach, neuronach i komórkach 

wydzielniczych

- Jest bezwzględnie potrzebny do sprzężenia 

między pobudzeniem a skurczem w mięśniach 
szkieletowych, gładkich i mięśniu sercowym

- Antagoniści kanałów L – leki przeciw nadciśnieniu

7

Kanały wapniowe sterowane przez 

neurotransmitery

- Najbardziej znane są aktywowane przez kwas 

glutaminowy, a także przez jego analog – kwas 
metylo-asparaginowy (NMDA)

- jego aktywacja związana jest z 

uczeniem się i śmiercią neuronalną w wyniku 
niedotlenienia

8

Regulowan
e
napięciem

Regulowane przez
cząstkę sygnałową
(np. 
neurotransmiter

)

przeciekanie

Działający niefizjologicznie (odwrotnie)
Wymiennik Na

+

/Ca

2+

Wymiennik

Na

+

/Ca

2+

Pompa
wapienna

9

Usuwanie Ca

2+

 do przestrzeni 

międzykomórkowej

1) Pompa wapniowa (Ca

2+

-ATPaza)

-

Układ wykorzystujący swobodną energię 

uwolnioną w procesie hydrolizy ATP do transportu 

jonów wbrew gradientowi stężeń

-

Wysokie powinowactwo do Ca

2+

, ale stosunkowo 

małej pojemności (pracuje dokładnie, ale powoli)

-

Wymaga obecności Mg

2+

-

Hydroliza 1 ATP pozwala na przesunięcie 2 Ca

2+

-

W błonie erytrocytów jest związana z kalmoduliną

-

Zahamowany przez inhibitory metabolizmu 

tkankowego

-

Bardzo duża rola w siateczce sarkoplazmatycznej

10

2) Wymiennik sodowo-wapniowy

- Odpowiedzialny głównie za szybkie usuwanie Ca

2+

 

- Ma niższe powinowactwo do Ca

2+

, ale znacznie 

większą pojemność

- Nie występuje w erytrocytach

- Dominującą rolę w usuwaniu Ca

2+

 pełni w: 

miocytach serca, neuronach, komórkach nabłonka 

jelitowego i nerkowego

- Na 3 Na

+

 przenoszone do wnętrza komórki 

usuwany jest 1 Ca

2+

- W warunkach spoczynkowych w mięśniu sercowym 

jest głównym mechanizmem usuwającym Ca

2+

- Umiejscowiony w błonie plazmatycznej i 

wewnętrznej błonie mitochondrialnej

11

Regulowan
e
napięciem

Regulowane przez
cząstkę sygnałową
(np. 
neurotransmiter

)

przeciekanie

Działający niefizjologicznie (odwrotnie)
Wymiennik Na

+

/Ca

2+

Wymiennik

Na

+

/Ca

2+

Pompa
wapienna

12

Magazynowanie Ca

2+

 w organellach

Magazyny płytkie

 – o dużym powinowactwie, ale małej 

pojemności
- siateczka śródplazmatyczna (w komórkach 

mięśniowych  jest ładowana wapniem przy udziale 

ATPazy zależnej od Ca

2+

 i Mg

2+

; wewnatrz siateczki 

stężenie Ca

2+

 może dochodzić do 10 mmol/l, rola 

kalsekwestryny)
- elementy cytoszkieletu i lizosomy

Magazyny głębokie

 – małe powinowactwo, duża pojemność

- mitochondria (ładowane przy pomocy wymiennika 

protonowego, zaczynają akumulować Ca

2+

 gdy stężenie 

w cytozolu przekroczy 5-10 umol/l, a więc w stanach 

silnego pobudzenia lub patologii)
- jądro
- białka wiążące wapń

13

Białka wiążące wapń i ich rola

- rodzina białek z motywem dłoni EF: kalmodulina, 

parwalbumina, bialka z rodziny S-100, troponina C

- białka organelli: kalsekwestryna, kalretikulina

- Białka wiążące fosfolipidy zależne od Ca

2+

: kinaza 

proteinowa C, aneksyny

- pozakomórkowe: fibrynogen, α-laktalbumina, 

proteinazy serynowe

14

I.

 

Specyficzne białka receptorowe

a) Rozpuszczone w cytoplazmie

1. kalmodulina (wszystkie tkanki)
2. troponina C (mięsień szkieletowy i sercowy)
3. parwalbuminy
4. leki łańcuch miozyny
5. białko indukowane wit.D – CaBP (głównie jelito)

b)

 

Związane z błoną komórkową

1. kalmodulina

II. Enzymy aktywowane wapniem nie posiadajace specyficznej 

podjednostki regulatorowej

a)

 

W błonie mitochondrialnej

1. dehydrogenaza glicerolo-3-fosforanowa

b)

 

W macierzy mitochondrialnej

1. dehydrogenaza pirogronianowa
2. dehydrogenaza α-ketoglutaranowa

c) W cytoplazmie

1. aktywowana wapniem, zależna od fosfolipidów kinaza 

proteinowa (C-kinaza)

d) W błonie komórkowej

1. fosfolipaza C
2. fosfolipaza A

2

15

Kalmodulina:

- Białko występujące we wszystkich organizmach 

eukariotycznych

- Stężenie w cytoplazmie komórek wynosi aż 10 umol/l

- Posiada 4 miejsca wiązania jony wapnia (1 mol 

kalmoduliny wiąże 4 mole Ca

2+

)

- Po związaniu co najmniej 3 jonów Ca

2+

 następuje jej 

aktywacja

- Kompleks kalmodulina – Ca

2+

 reguluje:

* enzymy metabolizmu cyklicznych nukleotydów 

(fosfodiesterazy, cyklazy)
* enzymy transportu Ca

2+

* kinazy (np. kinaza lekkich łańcuchów miozyny) i    

  fosfataza białkowe
* białka wchodzące w skład cytoszkieletu
* fosfolipaza A

2

* uwalnianie neuroprzekaźników

16

Kalsekwestryna i kalretikulina

• Występuje wewnątrz 

cystern ER

• Posiada niezmiernie 

wysoka zdolność 
wiązania Ca

2+

 (1 mol 

białka – 45 moli Ca

2+

)

• Dominuje w błonach 

ER

• Posiada dwa regiony: o 

duzej pojemności i 
małym powinowactwie 
(1mol białka – 20 -25 
moli Ca

2+

) oraz o małej 

pojemności (1 mol 
bialka – 1 mol Ca

2+

)

17

Kinazy proteinowe C:

- Aktywność jest regulowana przez : Ca

2+

, fosfolipidy i 

diacyloglicerol (b. znacznie zwiększa powinowactwo 

kinazy do Ca

2+

)

- Uczestniczy w regulacji cytoplazmatycznego poziomu 

Ca

2+

Aneksyny:

- białka, które w sposób zależny od Ca

2+

 wiążą się z 

fosfolipidami

- Mają zdolność hamowania aktywności fosfolipazy A

2

- Mogą w zależności od typu : stymulować zależny od 

Ca

2+

 proces endocytozy, regulować kanały wapniowe

18

Cytotoksyczne efekty wywołane wysokimi 

stężeniami Ca

2+

19

Udział wtórnych przekźników w regulacji 

napływu Ca

2+

 do komórek

Uwalnia jony Ca2+
Ze zbiorniczkow 
siateczki 
śródplazmatycznej

Ma zdolność aktywacji 
Blonowych kanałów wapniowych  

20

Wapń osocza

• Stężenie wapnia w osoczu wynosi 2,3 – 2,74 mmol/l

• Stężenie wapnia w osoczu zależy od wieku – 

większe jest u noworodków

• Dorosły człowiek spożywa ok. 1g/24h

• Dobowe zapotrzebowanie 10-15mg/kg masy ciała

• Fosforany i kwasy tłuszczowe wiążą wapń w jelicie i 

uniemożliwiają jego wchłanianie

21

Wchłanianie wapnia

22

Za regulację stężenia wapnia 

odpowiedzialne są:

1) narządy:

- kości
- jelito cienkie
- nerki

2) Substancje regulacyjne:

- parathormon
- witamina D

3

- kalcytonina

23

W wyniku zmniejszonej podaży wapnia w diecie 

dochodzi do umiarkowanej 

hipokalcemii

, co 

powoduje:

- Uwalnianie parathormonu z przytarczyc
- Zwiększonego przeksztalcania 25(OH)

2

D

3

 w 

1,25(OH)

2

D

3

 w mitochondriach kanalików 

proksymalnych nerek

* 1,25(OH)

2

D

3

 i parathormon zwiększają wchłanianie 

wapnia w jelicie, jak i uwalnianie z kości

24

Przy zwiększonej podaży wapnia w diecie – 

hiperkalcemia:

- Zmniejsza się wydzielanie parathormonuz 

przytarczyc

- Zwiększa się wydzielanie kalcytoniny wytwarzanej 

w komórkach C tarczycy

- W nieobecności parathormonu maleje aktywność 

1α-hydroksylazy 25(OH)D

3

, a zwiększa się 

aktywność 24-hydroksylazy – prowadząc do 

zwiększonego wytwarzania 24,25(OH)

2

D

3

 

(pobudza wyłącznie wchłanianie wapnia w jelicie, 

nie ma wpływu na uwalnianie wapnia z kości)

25

Przemiany witaminy D

26

Działanie popprzez receptory jądrowe

27

Inne działania wit. D

28

Niedobór wit. D

- U dzieci wywołuje krzywicę

- U dorosłych osteomalację (rozmiękanie kości) i 

osteoporozę

- Bezpośrednim efektem niedoboru wit. D jest 

hipokalcemia, która jest kompensowana przez wzrost 

uwalniania parathormonu z przytarczyc, a ten szybko 

przywraca normalny poziom Ca

2+ 

w osoczu

- Prowadzi do ubytku zasobów kostnych wapnia i 

fosforanu, powoduje demineralizację tkanki kostnej

* Hiperwitaminoza D prowadzi do hiperkalcemii i 

hiperkalciurii i powstawania ognisk zwapnienia w 

tkankach miękkich

29

Parathormon (PTH)

-

Polipeptyd składający się z 84 aa

-

Wytwarzany przez komórki przytarczyc w formie 

prekursora

-

Główny regulator homeostazy wapniowej

-

Wykazano odwrotną zależność pomiędzy stężeniem 

tego hormonu a stężeniem jonów wapnia w osoczu
* wydzielanie PTH ustaje, gdy [Ca] wzrośnie do 3    

mmol/l

-

Okres półtrwania 20 min

-

Wpływa na czynność nerki (utrata jonów fosforanowych 

z moczem, doprowadza do zmniejszenia ich w osoczu)

-

Pobudza cyklazę adenylanową – rośnie cAMP (wpływ na 

transport bierny jonów wapniowych z płynu 

pozakomórkowego do komórki)

30

Mechanizm działania PTH i 

1,25(OH)

2

D

3

31

Główne działania witaminy D i 

parathormonu

32

Kalcytonina

- Wytwarzana przez komórki C tarczycy, przytarczycach 

i niekiedy w grasicy

- Jej stężenie we krwi jest tego samego rzędu co PTH 

(10

-10

mol)

- Okres półtrwania kilka minut

- Miejscem działania jest tkanka kostna i 

prawdopodobnie jelito, działanie przeciwstawne do 

działania PTH

- Hamuje resorpcję kości pobudzaną przez PTH

- Zapobiega rozpadowi kolagenu kości

- Zmniejsza ilość osteoklastów i ich aktywność 

resorpcyjną

- Znosi mobilizujące działanie PTH, blokując 

demineralizację kości spowodowaną przez cAMP

33

Mechanizm działania kalcytoniny

34

Homeostaza jonów wapnia

Zmniejszone stężenie Ca

2+

 w 

osoczu

35

Reakcja na niskie stężenie 

wapnia i fosforanu we krwi

36

37

Hormony regulujące przemiany wapnia

 

38

Regulacja stężenia wapnia w osoczu

39

Rola jonów wapnia jako drugi przekaźnik

40

Rola jonów wapnia w skurczu

-skurcz jest uruchamiany przez gwałtowny wzrost 

stężenia Ca

2+

-rozkurcz zależy od szybkiego usunięcia Ca

2+ 

z 

cytozolu

- białkiem pośredniczącym w oddziaływaniu Ca

2+

 na 

proces skurczu mięśni szkieletowych i mięśnia 
sercowego

41

42

Rola jonów wapnia w budowie kości

Tkanka kostna składa się z utkania organicznego 

(95% kolagen) i podłoża mineralnego (stanowi 65-

75%wagowych)

- W obrębie podłoża mineralnego wyróżnia się 2 

pule fosforanu wapniowego

* pulę bezpostaciową (amorficzną)-przeważa 

w kości mlodej

* krystaliczną podobną do hydroksyapatytu 

Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

- W niedoborze wit. D

3

 przeważa postać 

amorficzna, maleje pula krystaliczna (obecność D

3

 

warunkuje prawidłowe uwapnienie kości)

43

Resorpcja i tworzenie kości

- Między 20-30 rokiem życia te procesy są 

zrównoważone

- Po 40 – resorpcja  przeważa nad tworzeniem
- U podstaw przebudowy leży wymiana jonów Ca

2+

 i 

PO

43-

 między osoczem krwi a zmineralizowaną 

macierzą tkanki kostnej – szybkość tej wymiany 
podlega kontroli PTH, 1,25(OH)

2

D

3

 i kalcytoniny 

(hamuje ona resorpcję kości zarówno w obecności 
jak i niedoborze D3)