Calcium

Synonym

  • Calcium [engl.], Kalzium

Übersicht

Medizin

Typ

  • Mineralstoff

Indikationen

Arzneimittelinteraktionen

Normbereich

  • 2,2 - 2,6 mmol/l

Stoffwechselstörungen

Bemerkungen

  • Für Frauen nach der Menopause wird eine tägliche Calciumaufnahme von 1.300 bis 1.500 mg empfohlen.
  • Die tägliche Aufnahme sollte 2.500 mg nicht überschreiten.

Physiologie

Intrazelluläres Calcium

  • Die intrazellulare Ca2+-Konzentration wird durch den Einstrom von Ca2+ aus Calciumspeichern in der Zelle und den Einstrom von Ca2+ aus dem Extrazellularraum erhöht.
  • Ca2+-Kanäle in der Zellmembran öffnen sich vermehrt durch z.B.
  • Ca2+-Kanäle an intrazellulären Speichern erhöhen ihre Offenwahrscheinlichkeit z.B. bei einer lokalen Erhöhung der Ca2+-Konzentration oder IP3.
    • Der von außen erfolgende Ca2+-Einstrom dient somit als Trigger für die weitere Erhöhung der Ca2+-Konzentration im Zellinneren durch intrazellular gespeichertes Ca2+.
  • Der Anstieg der intrazellularen Ca2+-Kontentration ist ein Signal für viele wichtige Zellfunktionen. So bewirkt er u.a.
    • Kontraktion von Muskelzellen und damit die Muskelkontraktion
    • Exozytose von Neurotransmittern in den präsynaptischen Nervenendigungen
    • Exozytose von Hormonen in endo- und neurokrinen Zellen
    • Schließung von Gap junctions in verschiedenen Zellen
    • Öffnung der Kanäle anderer Ionen
    • Migration in Leukozyten sowie pathologisch in Tumorzellen
    • Aktivierung von Thrombozyten
    • Motilität der Spermien
  • Ein Teil dieser Wirkungen wird von Calmodulin vermittelt.
    • Erhöht sich die intrazellulare Ca2+-Konzentration, so bindet ein Molekül Calmodulin bis zu 4 Ca2+-Ionen.
    • Der Ca2+-Calmodulin-Komplex aktiviert nun seinerseits verschiedene Enzyme wie z.B.
      • Calmodulin-abhängige Proteinkinase II (CaM-Kinase II)
        • Bei niedriger Frequenz (s.u.) wird die CaM-Kinase II nur kurz aktiviert, dann aber auch schnell wieder völlig deaktiviert. Es kommt nur zur Phosphorylierung der Zielproteine der CaM-Kinase II.
        • Bei hoher Frequenz phosphoryliert sich die CaM-Kinase II jedoch zunehmend selbst (Autophosphorylierung), was seine Deaktivierung mehr und mehr verlangsamt. Da die Enzymaktivität zwischen den einzelnen aktivierenden Signalen nicht vollständig auf den Ausgangswert absinken kann, kommt es zu einer Aufsummierung der Enzymaktivität.
      • Myosin-Leichtketten-Kinase (MLCK)
        • Als Effekt dieser Aktivierung ist die Kontraktion der (glatten) Muskulatur zu nennen.
  • Viele Zellen reagieren auf einen der oben angeführten Reize mit einer ganzen Serie von kurzzeitigen, regelmäßigen Anstiegen der intrazellularen Ca2+-Konzentration; man bezeichnet dies als [Ca2+]i-Oszillation.
    • In diesen Fällen ist nicht die absolute Höhe der intrazellularen Ca2+-Konzentration, sondern die Frequenz der Oszillation das entscheidende Signal für die Antwort der Zelle.
    • Diese Art der frequenzgetragenen, digitalen Alles-oder-Nichts-Informationsübertragung ist für die Zelle wesentlich eindeutiger, als die bloße Amplitude des intrazellulären Calciumspiegels, da dieser sich auch aus anderen Gründen ändern kann.

Extrazelluläres Calcium

  • Die extrazelluläre Ca2+-Konzentration ist von Bedeutung z.B. für
  • Sie wird durch verschiedene Hormone (PTH, Calcitriol, Calcitonin) geregelt und stellt auch selbst ein Rückkopplungssignal in diesem Regelkreis dar.
    • Die zugehörigen Ca2+-Sensoren sind Membranproteine, die bei hohen Ca2+-Konzentrationen im Extrazellularraum, über ein Gq-Protein vermittelt die intrazelluläre Konzentration der second messenger IP3 und DAG steigern.
    • IP3 führt in den parafollikulären C-Zellen zum Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration und darüber zur Freisetzung von Calcitonin.
    • In den Parathyroidzellen senkt DAG (zusammen mit der Proteinkinase C, ein Gi-Protein und die verminderte cAMP-Konzentration) die Freisetzung von PTH.
    • Ca2+-Sensoren finden sich auch in Osteoklasten, Nieren- und Darmepithelien sowie einigen anderen Zellen.

Mangelerscheinungen

  • Gesteigerte neuromuskuläre Erregbarkeit
    • Latente bis manifeste Tetanie
    • Tonischen Muskelkrämpfen (evtl. auch Angina pectoris)
    • Laryngospasmus
    • Parästhesien
  • EKG-Veränderungen
  • Hautveränderungen, brüchige Nägel
  • Erhöhte Neigung zu Allergien und Karies
  • Hypergie
  • Gerinnungsstörungen
  • Osteoporose

Chemie

Allgemeine Eigenschaften

Formelzeichen Ca
Ordnungszahl 20
Isotope [%] 40Ca - 96,941
41Ca - künstlich (103.000 a -> 41K)
42Ca - 0,647
43Ca - 0,135
44Ca - 2,086
45Ca - künstlich (162,61 d -> 45Sc)
46Ca - 0,004
47Ca - künstlich (4,536 d -> 47Sc)
48Ca - 0,187 (6 · 1018 a -> 48Ti)

Chemische Eigenschaften

Elektronegativität nach Pauling (Oxidationsstufe) 1,00 (II)
Elektronenkonfiguration 1s22s22p63s23p64s2
Oxidationszahlen +2
bevorzugt +2

Physikalische Eigenschaften

Mittlere Atommasse [u] 40,078 ± 4
Dichte [g/cm3] 1,55
Schmelztemperatur [°C] 839
Siedetemperatur [°C] 1484
Härte [Mohs] 1,5
Atomradius [pm] 197,4
Ionenradius [pm] (bei Ladung bzw. Oxidationszahl) 99 (2+)
1. Ionisierungsenergie [kJ/mol] (bei 25 °C) 596

Sonstige Eigenschaften

  • Calcium ist ein silberweißes, weiches, glänzendes Metall. Die frischen Schnittflächen oxidieren an der Luft relativ schnell.
  • Calcium ist ein guter elektrischer Leiter.
  • Beim Verbrennen von Calcium an der Luft entsteht eine ziegelrote Flamme, wobei sowohl Calciumoxid, als auch Calciumnitrid (Ca3N2) entstehen.
  • Mit Wasser reagiert Calcium unter Wasserstoffentwicklung zu Calciumhydroxid.

Geschichtliches

  • Calcium wurde 1808 entdeckt.
  • Der Name leitet sich vom lateinischen Wort calx ("Kalkstein") ab.

Vorkommen

Verwendung

  • In geringen Mengen als Zusatz zu Legierungen
  • Calciumverbindungen als Düngemittel in der Landwirtschaft
  • In Form seiner Minerale als Baustoffe (Kalkstein, Zement, Gips, etc.)

Herstellung

Analytik

Identität

Arzneibuchmethode A

Durchführung
  • 0,2 ml einer neutralen Lösung der Substanz, die etwa 0,2 mg Calcium je Milliliter enthält, oder 0,2 ml der vorgeschriebenen Lösung werden verwendet. 
  • Diese Lösung wird mit 0,5 ml einer Lösung von Glyoxalbishydroxyanil R (2 g/L) in Ethanol 96 % R, 0,2 ml verdünnter Natriumhydroxid-Lösung R und 0,2 ml Natriumcarbonat-Lösung R versetzt. 
  • Wird die Mischung mit 1 bis 2 ml Chloroform R geschüttelt und werden 1 bis 2 ml Wasser R zugesetzt, so färbt sich die Chloroformschicht rot.

Arzneibuchmethode B

Durchführung
  • Werden etwa 20 mg Substanz oder wird die vorgeschriebene Menge in 5 ml Essigsäure R gelöst und mit 0,5 ml Kaliumhexacyanoferrat(II)-Lösung R versetzt, so bleibt die Lösung klar. 
  • Nach Zusatz von etwa 50 mg Ammoniumchlorid R entsteht ein weißer, kristalliner Niederschlag.

Als Calciumoxalat

Reaktion

Ca2+ + C2O42- CaC2O4

Bemerkungen
  • Mit (NH4)2C2O4 fällt aus ammoniakalischer oder schwach essigsaurer Lösung, deren Acidität durch festes Acetat zusätzlich abgestumpft ist, ein weißer kristalliner Niederschlag.
  • Dieser ist in Essigsäure nur schwer, in starken Säuren jedoch relativ gut löslich.
  • Störungen können durch Barium und Strontium entstehen, die vorher als Sulfate gefällt werden müssen.

Als Calciumsulfat (Gips)

Reaktion

Ca2+ + SO42- + 2 H2O CaSO4 · 2 H2O

Bemerkungen
  • Durch Zugabe von Sulfationen kommt es zu einer - nicht quantitativen - Ausfällung von Calciumsulfat in Form charakteristischer langer Nadeln.
  • Barium und Strontium geben ebenfalls Niederschläge, zeigen dabei jedoch eine deutlich andere Kristallstruktur.

Atomabsorptionsspektrometrie

Atomemissionsspektrometrie

Wellenlängen
  • 647 nm (rot)
  • 622 nm (rot)
  • 618 nm (rot)
  • 580 - 570 nm (grün)
  • 554 nm (grün)
  • 422,7 nm (violett)

Grenzprüfung

Arzneibuchmethode

Reaktion

Ca2+ + C2O42- CaC2O4

Durchführung
Bedingung
  • Nach 15 min darf die zu prüfende Lösung nicht stärker getrübt sein als die Referenzlösung.
Bemerkungen
  • Der Einsatz der ethanolischen Lösung, statt einer wässrigen, steigert die Empfindlichkeit.
  • Calciumoxalat ist in Ethanol unlöslich. Durch das vorherige Mischen von Calcium- und Ammoniumoxalat-Lösung werden Impfkristalle gebildet.

Biologie

Bemerkungen

 

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