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Kompaktlexikon der Biologie: Calcium

Calcium, chemisches Symbol Ca, ein Erdalkalimetall, das in der Natur in anorganischen und organischen Verbindungen universell vorkommt.

1) Für die Pflanze gehört C. zu den Makronährelementen. Sein Gehalt in pflanzlichem Material liegt bei 5 g/kg Trockenmasse, wobei das C. in vielen Fällen in unlöslicher Form, z.B. als Calciumoxalat oder Calciumcarbonat in der Vakuole deponiert ist. Zusammen mit dem antagonistisch wirkenden Kalium beeinflusst C. den kolloidosmotischen Quellungszustand (kolloidosmotischer Druck) des Plasmas: C. vermindert die Quellung, Kalium fördert sie. Ferner sind Ca2+-Ionen neben K+-Ionen für die Vernetzung der Polygalacturonsäuremoleküle (Pektine) in der Mittellamelle verantwortlich und ein wichtiger Bestandteil für die Funktionstüchtigkeit der Biomembranen. Ebenso ist Ca2+ als Cofaktor bei verschiedenen Enzymen wirksam. Ein das Pflanzenwachstum limitierender C.-Mangel tritt lediglich in tropischen Böden auf oder durch Übersäuerung infolge von Kalkmangel.

2) Bei Tieren und dem Menschen ist C. ebenfalls vor allem an regulatorischen Aufgaben beteiligt. Die Hauptmenge an C. kommt bei Wirbeltieren in den Knochen vor, bei Wirbellosen z.B. im Exoskelett und den Kalkschalen der Mollusca und Echinodermata. Ca2+-Ionen erhöhen im Zellmilieu die Durchlässigkeit der Membranen für anorganische Anionen (z.B. Chlorid, Cl-) und verringern diejenige für Kationen (K+); sie stehen somit im Dienst der Osmoregulation. Für das Actomyosin-System des Muskels spielen Ca2+-Ionen eine wichtige Rolle als Vermittler zwischen Erregung und Kontraktion. Auch amöboide Bewegungen sowie Phagocytose, Pinocytose und Exocytose sind calciumabhängige Prozesse. Die zeitliche Koordination der Calciumwirkung, bei der Kontraktion und Entspannung miteinander abwechseln, wird häufig mit dem Modell des biologischen Oszillators beschrieben. Hierbei sind die intrazellulären Konzentrationen von C. und cAMP (Adenosinphosphate) über zwei gegenläufige Regelkreise gekoppelt. cAMP inhibiert die Calcium-Pumpe, die den intrazellulären C.-Spiegel senkt, während C. die Adenylat-Cyclase aktiviert, die die Bildung von cAMP katalysiert.

C. spielt auch beim Sehvorgang (Sehen) eine wichtige Rolle, indem es die Natrium-Permeabilität der Retinazellen beeinflusst (Hyperpolarisation). An den synaptischen Membranen (Synapse) schließlich werden mittels C. bei Einwirkung von Acetylcholin Ionenkanäle geöffnet. Außerdem ist C. ein wichtiger Cofaktor für die Aktivierung bzw. Umwandlung einiger Gerinnungsfaktoren (Blutgerinnung). Darüber hinaus fungiert C. als second messenger für Peptidhormone und Neurotransmitter, wobei die Information über Calcium bindende Proteine weitergegeben wird, zu deren wichtigsten das Calmodulin zählt. Der molekulare Mechanismus dieser intrazellulären, calciumabhängigen Regulation von Stoffwechselvorgängen ist in pflanzlichen und tierischen Zellen nahezu identisch.

Der Gesamtbestand an C. im menschlichen Körper beträgt 1100 g bei 70 kg Gewicht, die tägliche C.-Aufnahme ca. 0,8 g – eine Menge, die durch die normale Nahrungsaufnahme gewährleistet ist. Die Absorption erfolgt im Zwölffingerdarm und im oberen Jejunum (Darm) durch ein Calcium bindendes Protein der Schleimhaut, dessen Bildung durch Calcitriol induziert wird; daneben gibt es aber auch eine von Vitamin D unabhängige C.-Absorption. Die Ausscheidung von C. erfolgt über Niere und Darm. Die konstante Plasmakonzentration wird außer durch Vitamin D durch das Parathormon und durch Calcitonin reguliert.

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Dipl.-Biol. Elke Brechner (Projektleitung)
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Professor Dr. Helmut König, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Professor Dr. Siegbert Melzer, Institut für Pflanzenwissenschaften, ETH Zürich
Professor Dr. Walter Sudhaus, Institut für Zoologie, Freie Universität Berlin
Professor Dr. Wilfried Wichard, Institut für Biologie und ihre Didaktik, Universität zu Köln

Essayautoren:
Thomas Birus, Kulmbach (Der globale Mensch und seine Ernährung)
Dr. Daniel Dreesmann, Köln (Grün ist die Hoffnung - durch oder für Gentechpflanzen?)
Inke Drossé, Neubiberg (Tierquälerei in der Landwirtschaft)
Professor Manfred Dzieyk, Karlsruhe (Reproduktionsmedizin - Glück bringende Fortschritte oder unzulässige Eingriffe?)
Professor Dr. Gerhard Eisenbeis, Mainz (Lichtverschmutzung und ihre fatalen Folgen für Tiere)
Dr. Oliver Larbolette, Freiburg (Allergien auf dem Vormarsch)
Dr. Theres Lüthi, Zürich (Die Forschung an embryonalen Stammzellen)
Professor Dr. Wilfried Wichard, Köln (Bernsteinforschung)

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