Питание и долголетие

Медведев Жорес Александрович

Глава 20

Неуправляемый кальций и непослушные кости. Можно ли избежать остеопороза?

Лишний кальций

В организме млекопитающих содержание кальция превышает содержание всех остальных минералов вместе взятых. В теле взрослого человека масса кальция составляет свыше 1 кг, и 99% этого количества входит в скелет, состоящий из 206 крупных и мелких костей. Эластичность костей обеспечивается коллагеном – белком, волокна которого прочнее стальной проволоки. Твердость костям придает гидроксиапатит – соединение кальция с фосфорным ангидридом, формула которого Са₁₀ (Р0₄)₆ (ОН)₂.

Животные испытывают не только голод и жажду, но и потребность в хлористом натрии. Однако потребность в кальции, которого в организме животных намного больше, чем натрия, не обеспечивается физиологическими рефлексами. Наземным животным приходилось приспосабливаться не к дефициту, а к избытку кальция. Кальций играет важную роль и в растениях. Ион кальция Са²⁺ обеспечивает коллоидальную структуру цитоплазмы растительных клеток, принимает участие в расхождении хромосом при делениях клеток и в обмене ионов через мембраны. Ионы кальция входят в состав некоторых белков и ферментов. Кальций содержится в листьях растений, в их корнях, семенах и в некоторых плодах. Травоядные животные, и особенно приматы, питающиеся листьями кустов и деревьев, поглощают с растительной пищей большой избыток кальция, выходящий за пределы их физиологических потребностей. Между тем ион кальция присутствует в крови в очень низких концентрациях, не превышающих 5 мг на 100 мл крови. Это в сто с лишним раз ниже концентрации в крови ионов натрия. Соли кальция имеют низкую растворимость, и почки плохо справляются с выделением избытка кальция. С мочой в норме человек выделяет в сутки лишь около 100 мг кальция. Если в почки попадает больше кальция, то он может выпадать в осадок в почечных канальцах, создавая проблемы. С пищей человек потребляет значительно больше кальция, в среднем от 600 до 1 000 мг ежедневно. Большая часть этого кальция удаляется с желчью через кишечник.

Крупные приматы, при их растительной пище, потребляют в среднем от 4 000 до 5 000 мг кальция каждый день. Большая часть этого кальция не проходит через стенки кишечника и не поступает в кровь. Человек в первобытный период уменьшил потребление кальция за счет включения животных продуктов в свою диету. Но избыток кальция все же оставался. Для физиологического баланса кальция эволюция создала несколько способов его удаления из организма. Но главную роль в этом балансе играет неспособность солей кальция (в отличие от солей натрия) проникать в кровь из тонкого кишечника путем простой диффузии. Соляная кислота желудочного сока переводит фосфатные и карбонатные соединения кальция в пище в более растворимые хлористые. Однако ион кальция абсорбируется через стенку кишечника лишь в форме комплекса с особым белком-носителем, синтез которого регулируется гормональным производным витамина D – холекальцийферолом (нередко обозначаемым как витамин D₃). Белок – носитель кальция синтезируется в почках и печени. Если уровень кальция в крови превышает норму, синтез холекальцийферола тормозится и кальций не усваивается в кишечнике, удаляясь с остатками непереваренной пищи. Образование холекальцийферола стимулируется у беременных и кормящих женщин. Если в крови все же оказался избыток кальция из-за несовершенства кишечных регуляторов, то лишние ионы кальция связываются уже в сыворотке крови также особым белком, который постепенно отправляет лишний кальций в желчеобразование в печени. Уровень связанного с белком кальция в крови может служить показателем избытка кальция в диете. Если все эти регуляторы все же не справляются с удалением лишнего кальция, то включается аварийная система выпадения кальция в осадок в мягких тканях и в стенках кровеносных сосудов. Кальцификация артерий и сердечных клапанов возникает как патология обмена кальция [1].

Кости тоже играют важную роль в регулировании баланса кальция. Избыток кальция в крови активирует особые клетки – остеобласты, локализованные в надкостнице. Они синтезируют костную ткань, используя для этого кальций из сыворотки крови. Скелет животных, помимо выполнения опорно-двигательных функций, является также резервуаром кальция. При снижении кальция в крови активируются другие клетки – остеокласты, которые, выделяя кислоту и фермент коллагеназу, переводят контактирующий с ними гидроксиапатит костей в растворенное состояние. Все эти процессы регулируются нейрогуморальными системами. Однако гормональные компоненты этих систем различны у мужчин и женщин. У мужчин активность остеобластов и синтез костной ткани активируются тестостеронами, у женщин эстрогенами. У женщин, кроме того, есть дополнительная гормональная система, которая стимулирует остеокласты при беременности и при кормлении ребенка, ускоряя мобилизацию кальция. Эволюция заботится о новом поколении. Выходя за пределы репродуктивного возраста, женщины не способны полностью погасить стимуляцию остеокластов. В то же время образование женских гормонов эстрогенов прекращается после менопаузы. Это снижает активность остеобластов. У мужчин синтез тестостерона хотя и замедляется после 50 лет, но не останавливается до глубокой старости. В пожилом возрасте женщины поэтому теряют кальций костей намного быстрее, чем мужчины.

Сильный остеопороз позвонка (4-я стадия)

Физиологическая потребность в кальции

Уровень обновления кальция в костях скелета взрослого человека является объективным показателем физиологического минимума потребностей в этом элементе. Ионы кальция, необходимые для множества других функций клеток и тканей, заимствуются из более надежного костного депо, а не из пищеварительной системы, которая не может обеспечить равномерность всех обменных процессов. Остеокласты нормируют объем ионов кальция, которые отправляются из костей в кровь. В среднем это около 300 мг кальция, вырабатываемого в миллионах мельчайших углублений-лакун, расположенных на поверхности костей. Губчатые кости конечностей, таза и суставов теряют кальций быстрее, чем монолитные, защитные, такие как ребра и череп. Пища должна компенсировать компенсацию этих потерь. В ранних исследованиях баланса кальция (1951 – 1952 гг.) предполагалось, что равновесие достигается при потреблении около 300 мг кальция в день [2]. В то время механизм использования кальция костей для поддержания баланса еще не был известен. Кальций в форме ионов необходим для регуляции работы сердца, мозга, нервных волокон и гормональной системы. Этому физиологическому кальцию отдается приоритет, и поэтому необходимый уровень ионов кальция в крови обеспечивается постоянной активностью остеокластов, а не диетой. К 1970 г. были проведены десятки исследований баланса кальция улюдей разного возраста. Было установлено, что у младенцев кальций в костях полностью обновляется в течение одного года. У подростков ежегодно обновляется 20% костной ткани, у взрослых – 10, а у старых людей – 7% [3]. В тот период появилась тенденция рекомендовать более высокие дневные дозы кальция, до 800 мг. Но это был предел. При еще более высоких дозах в организме мог накапливаться лишний кальций, что создавало опасность выпадения осадков кальция в тканях и почечных канальцах.

Результаты одного из экспериментов по установлению баланса кальция, проведенного в США в 1987 г., целесообразно привести в форме таблицы [4]. В ней указан баланс кальция (в миллиграммах) у мужчин со средним возрастом 54 года.

Дополнительный кальций участники исследования получали в форме глюконата кальция, который легче усваивается в кишечнике. Результаты показывают, что дневная доза кальция в 250 мг не обеспечивает баланс у пожилых мужчин. Выделение его, в основном через желчеобразование, больше, чем поступление с пищей. В этом случае кости начинают терять свой кальций. При 820 мг не весь поступивший в организм кальций выделяется из него. 30 мг оказываются лишними и фиксируются в основном в костной ткани. Однако при потреблении 1 250 мг количество лишнего кальция увеличивается в три раза, и возможности костной ткани депонировать этот избыток могут оказаться ограниченными. Это не исключает возможности кальцификации мягких тканей, стенок сосудов и почечных канальцев. Увеличение доз кальция от 800 до 2 060 мг не приводило к большему его выделению через почки. Основной избыток кальция просто не усваивался или выводился с желчью. При дальнейшем увеличении кальция в диете нагрузка на почки становилась слишком большой, что могло вести к образованию почечных камней. Ежедневную задержку в организме лишнего кальция в количествах 100 – 160 мг нельзя считать безопасной.

Эксперименты такого типа с людьми разного возраста и пола привели в США к установлению рекомендуемой дневной дозы (РДД) кальция для мужчин и женщин старше 25 лет на уровне 800 мг в сутки. Для молодых людей 17 – 24 лет, у которых происходит процесс уплотнения костей, РДД была повышена до 1 200 мг. Такая же норма потребления кальция была рекомендована беременным и кормящим женщинам. Вскоре эти нормы были приняты ВОЗ и для других стран. Однако в Великобритании установили более низкие РДД: 700 мг для взрослых людей и 800 мг для молодых в возрасте активного роста (11 – 18 лет). Беременным и кормящим женщинам рекомендации ВОЗ сохранялись.

Поступление в организм 800 мг кальция в день обеспечивается средней нормальной диетой. Как видно из следующей таблицы, такое количество кальция содержится в 100 г сыра.

Содержание кальция в пищевых продуктах (мг на 100 г)

Таблица показывает, что нормальная диета легко обеспечивает человека необходимым количеством кальция, практически при любых комбинациях продуктов. Принимать кальций дополнительно как «биологическую добавку», или БАД, нет необходимости. Продаваемые капсулы с кальцием обычно содержат те же 800 мг каждая, иногда и больше. Тем не менее реклама сделала капсулы с кальцием наиболее популярным БАДом. В США в 2004 г. было продано кальциевых добавок к диете на 993 млн долларов [5]. В продажу, особенно через Интернет, поступает и просто карбонат кальция, то есть мел. Этот дополнительный кальций не снизил риск заболеваний костной ткани, но увеличил риски по сердечно-сосудистым болезням. Недавно был завершен обобщенный анализ пятнадцати клинических испытаний добавок кальция (calcium supplements) к диете, который проводился в течение десяти лет. Он показал, что у пожилых людей, принимавших капсулы с кальцием (500 мг в день), частота инфарктов увеличивалась на 30%. В то же время эти добавки, рекомендованные как средство, предупреждающее остеопороз, не повлияли заметно на риск переломов костей [6].

Почему болезни обмена кальция встречаются только у людей?

Все болезни обмена кальция, прежде всего рахит у детей, остеомаляция у взрослых, остеопороз у пожилых, характерны для человеческого общества. В природных популяциях животных они не встречаются. Рахит и остеомаляция (эквивалент рахита у взрослых людей) появились в человеческих сообществах лишь после того, как произошло расселение людей далеко за пределы своего первобытного ареала в Африке и Южной Азии. Рахит и остеомаляция, сопровождающиеся потерей скелетом кальция, развиваются при недостатке солнечного облучения, под действием которого в коже образуются витамин D и его гормональные производные. Жизнь в пещерах, юртах и других жилищах в районах с продолжительной зимой и полярными ночами и появление одежды, защищающей тело от холода, создали условия для аномалий обмена веществ в коже и подкожных тканях. Человек постепенно утрачивал часть волосяного покрова и меланиновую пигментацию кожи, характерную для южных рас.

На раскопках древних поселений людей ученые изучают историю болезней человека прежде всего по сохранившимся скелетам и костям. Специалисты-палеопатологи сумели датировать появление в истории человечества не только рахита и остеомаляции, но и кариеса зубов. После 40 тыс. лет периода охоты и собирательства растений переход к земледелию сопровождался сменой разнообразной диеты, богатой животными жирами и белками, относительно бедным рационом питания, основанным на злаках и корнеплодах. Количество кальция в диете могло при этом увеличиваться, но появился дефицит витамина D, который присутствует лишь в животных жирах или образуется в коже человека под действием солнечных лучей. В Европе рахит и остеомаляция появились у людей около 5 000 лет до н. э. Эти болезни стали исчезать, прежде всего в северных районах, с развитием пастбищного скотоводства и потребления молока и молочных продуктов. Добыча рыбы и морских животных в арктических зонах также избавляла людей от болезней костей. Начальные признаки остеопороза обнаруживались лишь как результат старения и мужчин, и женщин. Более явные признаки остеопороза были найдены при изучении скелетов во время раскопок древних поселений людей в Центральной Америке. Исследования показали, что такое заболевание костей сопутствовало переходу от охоты и собирательства к возделыванию кукурузы. Дефицит по витамину D осложнялся белковой недостаточностью [7].