探析钙对人体的生理生化作用

2020年12月12日发(作者：霍安祥)
探析钙对人体的生理生化作用
作者：石建东
（单位：河南大学体育学院）

摘要 钙对骨骼的生长发育起着重要作用。孕妇缺钙，可使胎儿骨骼发育畸形；婴儿缺钙， 易患佝
偻病；儿童缺钙，影响骨骼的发育和长个子；老人缺钙，易形成骨质疏松，发生骨折钙是多种酶的 激活
剂，并调节人体的激素水平。钙对保持细胞膜的完整性、肌肉的兴奋及细胞的多种功能均有极为重要 的
作用。神经、肝、红细胞和心肌等的细胞膜上都有钙结合部位，当钙离子从这些部位释放时，膜的结构
和功能发生变化。钙调节细胞内信号的触发，改变细胞膜对钾、钠等阳离子的通透性。因此，有人称钙< br>为一些激素的细胞内信使。
关键词 钙 ；生理功能；钙的吸收；钙的排泄 ；补钙的误区
引言
钙不仅是构成骨骼的重要矿物质元素，支持机体，保护重要脏器，是机体完整性的一个 不可少的组
成部分，而且在机体各种生理学和生物化学的过程中起着重要作用。
钙是多种酶的 激活剂，并调节人体的激素水平。钙对保持细胞膜的完整性、肌肉的兴奋及细胞的多
种功能均有极为重要 的作用。神经、肝、红细胞和心肌等的细胞膜上都有钙结合部位，当钙离子从这些
部位释放时，膜的结构 和功能发生变化。钙调节细胞内信号的触发，改变细胞膜对钾、钠等阳离子的通
透性。因此，有人称钙为 一些激素的细胞内信使。
许多因素与骨质有关，如遗传、内分泌、生活方式、体育活动的强度和持 续时间，膳食以及妇
女妊娠的次数。在钙营养状态与骨质疏松关系的研究中，多数研究得出结论，钙摄人 量与骨质呈正相关，
而与骨丢失的速度呈负相关。生命初期的钙摄人量对成年人骨质是一个重要决定因素 ；而老年人骨质又
取决于中年时期相应的骨质；增加钙摄人和从事体力活动对超过20岁女性的骨质是重 要的决定因素，尤
其绝经前的妇女如能够摄人足够的钙，对预防骨质疏松将是十分有效的。
1. 钙的介绍
钙是第20号元素，原子量为40.08，在人体的各种元素中含量居第五位 ，仅次于碳、氧、氮、氢，也是
人体含量最多的金属元素，占人体总重量的1.5％-2％，达到120 0—1300克。在骨和牙齿中含钙最多，
达总钙量的99％，组成人体的支架，并作为机体内钙的储存 库。其余1％的钙存在于软组织、细胞外液
和血液中，统称为混合钙池，与骨骼钙保持动态平衡，为维持 所有细胞的正常状态所必需，在体内发挥
极为重要的作用。虽然钙和后文将要谈及的磷、钾、钠等都是人 体中含量较高的常量元素，而不是微量
元素。钙对骨骼的生长发育起着重要作用。孕妇缺钙，可使胎儿骨 骼发育畸形；婴儿缺钙，易患佝偻病；
儿童缺钙，影响骨骼的发育和长个子；老人缺钙，易形成骨质疏松 ，发生骨折。
人的骨骼发育经过婴儿、儿童和青少年等时期的漫长岁月，达到峰骨密度。骨质疏 松随年龄的增加而
加重，女性较男性多，且发生时间较早，如降低到一定程度就会发生小的或轻度的创伤 性骨折。骨密度
是骨折的主要决定因素，保证骨骼成熟时的高骨质被认为是防止与高龄相关骨丢失的最有 效措施。
2. 钙的缺乏与生理功能
就我国现有膳食结构的营养调查表明，居民钙摄人量普 遍偏低。仅达推荐摄入量的50％左右。因此钙
缺乏症是较常见的营养性疾病。主要表现为骨骼的病变， 即儿童时期的佝偻病(rickets)；成年人的骨质疏
松症(osteoporosis)。
2.1. 营养素缺乏的原因
钙缺乏的原因是多方面的， 膳食营养素的供给和组织需要之间的不平衡是造成钙缺乏病的原因， 可
能是一种或多种因素造成膳食营 养素供给不足或机体对营养素利用能力降低的结果。许多营养缺乏病是
由于膳食中长时间缺乏人体所需要 的营养物质，从而对人体的体格和(或)智力造成多种不司逆的损害。
2.1.1.食物供给不足
一些灾难性事件如旱灾、水灾、战争、地震和社会动乱等都会阻碍农业的发展，造成食物短缺。此
外，在一些发展中国家，人口众多，土地减少，经济落后等，均可造成食物的生产和供应不足。
2.1.2.食物中营养素缺乏
在食品供应量充足的情况下，因天然食物或加工食品中某些 营养素缺乏或不足，以及饮食习惯和方式的
不科学等也可引起钙缺乏病。
2.1.2.1天然食物营养缺乏
食物中矿物质含量与土壤中相应元素的含量有关，缺乏某种 矿物质的土壤所种植的作物能引起相应
矿物质的营养性缺乏病。我国在东北三省、陕西、四川等克山病流 行地区的水和粮食中硒含量极低；在
内蒙古、河北、新疆、甘肃、云南等内陆甲状腺肿流行地区粮食和土 壤中碘缺乏比较严重。
2.1.2.2饮食方式不科学
随着人们经济水平的提高，营养缺 乏病发生的原因不再局限于食物的贫乏，而更多的表现为营养知
识缺乏导致的一系列不良饮食习惯，从而 引起营养缺乏病的发生。
2.1.2.2.1．食品搭配不均衡 有些经济条件较好的人，他们每 天仅吃一些动物性或高能量的食物，如
肉类、牛奶、面包、咖啡和含酒精的饮料，会因为缺乏新鲜蔬菜和 水果而总上维生素C 缺乏症。因此，
营养缺乏病的患者并不一定局限于穷人。另外，禁食和忌食某些食 物或者从小养成不良的偏食习惯，如
不吃鸡蛋、鱼、肉、胡萝卜、葱等均能减少一些营养素来源而引起营 养缺乏病。
2.1.2.2.2．过度食用精制的食品 精制白糖和精白米面的矿物质和维生素的 含量比不精制的糖和面粉
含量少。米面过分的加工，可使其中所含的硫胺素损失达 90％，维生素 B2、烟酸和铁的损失可达 70％～
85％，这是因为这些营养物质集中分布于麸皮、米糠与胚芽中， 过分精细加工会使其大部分丢失。近年
来，我国居民生活水平提高了，许多城镇居民却因长期喜食精白米 面而引起维生素 B1缺乏症，应引起足
够的重视。
2.1.2.2.3．烹调过程中营养 素的破坏和损失在烹调过程中，由于温度过高，加热的时间过长，食物中
的维生素 A、维生素 C、维生素 E 和维生素 B1容易受到破坏。当水煮食物时，一些矿物质和水溶性维
生素常常被溶解 于水中而被倒掉，均造成营养素的破坏或损失，人为导致营养缺乏病的发生。
2.1.2.3营养素吸收利用障碍
一般健康个体对每一种营养素的吸收有一个正常的生理 性吸收范围，脂肪、蛋白质、碳水化合物、
碘、硒、钠、钾、维生素 C 和水的吸收大于 90％，铁和铬的吸收小于 10％。一些营养素的吸收也受个
体营养状态及生理情况的影响，如果某种 营养素缺乏时，机体吸收效率将提高，反之吸收降低，如铁、
锌等；妇女在妊娠和哺乳时营养素的吸收比 平时要大得多。
2.1.2.3.1食物因素
食物因素可影响营养素的正常吸收。天 然食物中存在干扰营养素吸收和利用的物质，如茶和咖啡中
的多酚限制了铁的吸收；草酸限制了钙的吸收 ；纤维素限制了维生素和维生素前体β-胡萝卜素的吸收；
树脂限制了脂肪和脂溶性维生素的吸收等。营 养素之间也存在相互拮抗作用，如过量钙可以限制铁和锌
的吸收，过量锌限制铜的吸收等。
2.1.2.3.2胃肠道功能
胃、胰腺、胆道等疾病或消化酶的分泌减少都将严重影响食 物的消化，使脂肪、碳水化合物、肽和
氨基酸甚至维生素和无机盐无法吸收。
2.1.2.3.3药物影响
药物可直接影响营养素的吸收利用，如磺胺类可对抗叶酸，并 抑制其吸收；新霉素、秋水仙碱造成
绒毛的结构缺陷和酶的损害，使脂肪、乳糖、维生素 B12 无机盐等吸收不良。
2.1.2.4营养素需要量增加
在人体生长发育旺盛期及妊娠、哺 乳等生理过程中，营养素需要量明显增加；高能量代谢如甲状腺
功能亢进和慢性阻塞性肺病对营养的需要 量增加； 慢性消耗性疾病如结核病及某些肿瘤患者对营养素的
需要量增加。
2.1.2.5.营养素的破坏或丢失增加
营养素的破坏增加，可发生在消化道吸收之前或吸收之后。维生素 B1 与维生素 C 在碱性溶液中不
稳定，在胃酸缺乏或用碱性药物治疗时可造成此类维生素的大量破坏。若将维生素B1 置于 pH1.5～3.0
的胃液中，在 37℃保温 16 小时，仍很稳定；若服用抗酸剂，则维生素B1 可完全被破坏。在口服维生
素 B1的同时，若给予碱性药物，则患者尿中维生素 B1的排出量也因破坏而减少。维生素 C 在 pH7.95
的胃液中，3 小时有 65％被破坏。因此胃酸不足的患者，虽然摄取大量的维生素 C，但仍有维生素 C 缺
乏的症状发生。
营养素的丢失增加有时是机体多方面损害的结果。 铁丢失的增加可因外伤或身体其他部位的出血，如胃和十二指肠溃疡、肿瘤、寄生虫、月经过多、分娩、肾外伤、血吸虫病等均可加速缺铁性贫血的发
生。血液中红细胞的快速溶血(药物介导、铜过量、损伤、发热、疟疾)导致了血红蛋白尿是另一个经肾丢失铁的途径。
2.2. 钙缺乏的临床表现
长期缺钙会造成人体钙代谢紊乱，首先引发 甲状旁腺机能亢进，造成人体“钙迁徙”，即硬组织中
的钙迁移到软组织和血液中，造成硬组织脱钙软化 、软组织多钙硬化的紊乱局面。中老年人的许多不适
症，诸如食欲不振、情感淡漠、心律紊乱、记忆衰退 、手足麻木、肌肉痉挛、多汗多尿、易疲劳、抽搐、
瘙痒等，大多起因于甲状旁腺功能亢进，与长期钙供 应不足有关。
钙和磷是构成牙齿的主要原料，不论是婴幼儿还是青少年，如果膳食中的钙不能满足需要 ，或摄人
人体内的钙因种种原因不能被机体吸收利用，都会影响牙齿的坚固。牙齿因缺钙变得疏松，容易 被口腔
中的细菌腐蚀而生成龋齿。
过去人们普遍认为，情绪变化主要是受外界环境刺激的结果 ，而现在事实证明，与人体内环境的改
变也有密切关系，特别是不合理的饮食习惯，造成体内的某些化学 物质的剧增骤减，从而也会引起情绪
波动。我们见到一些平时颇有修养的人有时一反常态，爱无缘无故地 发怒，与人争吵，他自己也明知不
对，但就是控制不住自己。研究指出这与体内缺钙有一定联系。据观察 ，长期缺钙的人，总是丧魂落魄，
精神不安，情绪不稳定；易发火、易动怒的人，也可能是慢性缺钙的表 现。
钙缺乏对人体的影响：（1）儿童时期的佝偻病（2）成人骨质软化症（3）老年人的骨质疏松症 ，其
他如骨质增长，抽搐等 。
2.3. 钙的生理功能
2.3.1. 构成机体的骨骼和牙齿 钙是构成骨骼的重要组分，骨骼中的钙占瘦体重的25％和总灰分的40％，
钙对保证骨骼的正常生长发育和维持骨健康起着至关重要的作用。
骨的结构：骨的结构包括两种类型， 外部的皮质骨和内部的松质骨。皮质骨为板层结构，特性坚韧；松质
骨为网状结构，既坚硬又有弹性。骨 骼组织由骨细胞(约占2％～3％的体积)和钙化的骨基质组成。 骨基质
中65％为矿物质， 35％为有机物质。 有机物中95％为胶原蛋白，其余为非胶原蛋白。骨矿物质决定骨的
硬度而有机基 质决定骨的韧性，被骨基质包围起来的是骨细胞(osteocytes)， 细胞之间有许多突起互相连接。
占骨重2／3的矿物质， 其中钙占39.9％。钙在矿物质中以两种形式存在，一为晶状的羟磷灰石< br>Ca10(PO4)6(OH)2，呈六角形管状，另一种为无定形的磷酸钙Ca3(P04)2，也是磷 灰石的前体。在成熟骨中，
晶状羟磷灰石含量较多，而新沉积的骨矿物质中，则无定形磷酸钙含量较多。
骨骼通过成骨作用(osteogenesis)即新骨不断生成和溶骨作用(osteolysis) 即旧骨不断吸收，使其各种组分与血
液间保持动态平衡，这一过程称为骨的重建(remodeling )。
这种骨钙的更新速率，因年龄而变化。妊娠早期，胎儿仅有少量钙沉积，以后钙浓度很 快升高至胎儿
体重的0.5％。妊娠后期，胎儿从母体约取得20g的钙，足月新生儿钙相当于其体重的 l％。1岁以前婴儿每
年转换100％，以后逐渐降低，每年可转换50％，即每2年骨钙可更新一次。 儿童阶段每年转换10％，由
于儿童时期生长发育旺盛，对钙需要量大，如长期摄钙不足，并常伴随蛋白 质和维生素D缺乏，可引起生
长迟缓，新骨结构异常，骨钙化不良，骨骼变形，发生佝偻病(ricke ts)。健康年轻成人骨吸收与形成维持平
衡，每年转变5％。40岁以后骨形成明显减弱，转换速率为 每年0.7％，绝经后妇女和老年男女其吸收更占
优势。人在20岁以前，主要为骨的生长阶段，其后的 10余年骨质继续增加，约在35～40岁左右，单位体
积内的骨质达到顶峰，称为峰值骨度。此后骨质 逐渐丢失。妇女绝经以后，骨质丢失速度加快，骨度(质)
降低到一定程度时，就不能保持骨骼结构的完 整，甚至压缩变形，以至在很小外力下即可发生骨折， 即为
骨质疏松症(osteoporosis)。 骨骼成熟时所达到的骨骼峰值，是防止骨质疏松危险性的主要因素。
牙齿的结构：牙本质是牙的主体 ，化学组成类似骨，但组织结构和骨差别很大，牙本质没有细胞、血
管和神经，因此牙齿中的矿物质则无 此更新转换过程。
2.3.2. 维持多种正常生理功能分布在体液和其他组织中的钙， 虽然还不到体内总钙量的1％，但在机
体内多方面的生理活动和生物化学过程中起着重要的调节作用。
细胞外液的钙约1g，占总钙的0.1％；细胞内的钙约7g，占总钙的0.6％。血钙较稳定，正常浓 度为
2.25～2.75mmol(90～110mg)／L，占总钙的0.03％。 血液中的钙可分 为扩散性和非扩散性钙两部分。非扩
散性钙是指与血浆蛋白(主要是白蛋白)结合的钙，它们不易透过毛 细血管壁，也不具有生理活性。在扩散性
钙中，一部分是与有机酸或无机酸结合的复合钙，另一部分则是 游离状态的钙离子。只有离子钙才具有生
理作用。
离子钙的生理功能涉及诸多方面：ca2+ 参与调节神经、肌肉兴奋性，并介导和调节肌肉以及细胞内微
丝、微管等的收缩；Ca2+影响毛细血管 通透性，并参与调节生物膜的完整性和质膜的通透性及其转换过程；
Ca2+参与调节多种激素和神经递 质的释放，ca2+的重要作用之一是作为细胞内第二信使，介导激素的调节
作用，ca2+能直接参与 脂肪酶、 ATP酶等的活性调节。还能激活多种酶(腺苷酸环化酶、 鸟苷酸环化酶及
钙调蛋白等)调 节代谢过程及一系列细胞内生命活动；Ca2+与细胞的吞噬、分泌、分裂等活动密切相关；Ca2+
是 血液凝固过程所必需的凝血因子，可使可溶性纤维蛋白原转变成纤维蛋白。
3. 钙的吸收与代谢 < br>存在于骨骼和牙齿中的钙，使机体具有坚硬的结构支架。尽管钙在各组织包括骨组织中的含量相对
稳定，但钙并不是静止不动的。在人体各组织之间，无时无刻不在进行钙的交换。骨组织与细胞外液也
时 时进行着钙的交换，新骨不断地形成，旧骨也不断地被吸收，这就是骨钙的新陈代谢过程。儿童和青
少年 时期，骨矿物质的形成率超过重吸收率。在人的生命后期，骨的重吸收则超过形成。因此，在正常
的衰老 过程中，骨质逐渐丢失。骨骼的生长需要钙的正平衡，直至到达骨质峰值为止。
3.1钙的吸收 3.1.1.吸收的途径与机制在食物的消化过程中，钙通常由复合物中游离出来，被释放成为一种可溶性的 和
离子化状态，以便于吸收，但是低分子量的复合物，可被原样完整吸收。钙的吸收有两种途径。吸收的
机制因摄入量多少与需要量的高低而有所不同。
主动吸收：当机体对钙的需要量高，或摄入 量较低时，肠道对钙的主动吸收机制最活跃。这是一个逆浓
度梯度的运载过程，所以是一个需要能量的主 动吸收过程。这一过程需要钙结合蛋白的参与，也需要 1，
25-(OH)2D3 作为调节剂。
3.1.2.影响钙吸收的因素影响钙吸收的因素很多，主要包括机体与膳食两个方面。
3. 1.2.1机体因素：因钙的吸收与机体的需要程度密切相关。故而生命周期的各个阶段钙的吸收情况不同。婴儿时期因需要量大，吸收率可高达 60％，儿童约为 40％。年轻成人保持在 25％上下，成年人仅为 20％
左右。钙吸收率随年龄增加而渐减。
3.1.2.2.膳 食因素：首先是膳食中钙的摄入量，摄人量高，吸收量相应也高，但吸收量与摄人量并不成正
比，摄人量 增加时，吸收率相对降低。其次，膳食中维生素 D 的存在与量的多少，对钙的吸收有明显影
响。乳糖 与钙形成可溶性低分子物质，以及在糖被肠道菌分解发酵产酸时，肠道 pH 降低，均有利于钙
吸收。 适量的蛋白质和一些氨基酸，如赖氨酸、精氨酸、色氨酸等可与钙结合成可溶性络合物，而有利
于钙吸收 ，但当蛋白质超过推荐摄人量时，则未见进一步的有利影响。高脂膳食可延长钙与肠粘膜接触
的时间，可 使钙吸收有所增加，但脂肪酸与钙结合形成脂肪酸钙，则影响钙吸收。低磷膳食可提高钙的
吸收率，而食 物中碱性磷酸盐可与钙形成不溶解的钙盐而影响钙吸收。 谷类中的植酸会在肠道中形成植
酸钙而影响吸 收。某些蔬菜如菠菜、苋菜、竹笋中的草酸与钙形成草酸钙亦可影响吸收。膳食纤维中的
糖醛酸残基与钙 螯合而干扰钙吸收。另报告一些药物如青霉素和新霉素能增加钙吸收，而一些碱性药物
如抗酸药、肝素等 可干扰钙吸收。
3.2.钙的排泄
钙的排泄主要通过肠道和泌尿系统，经汗液也有少量排出。人体每日摄人钙的 10％～20％从肾脏排
出，80％～90％经肠道排出。后者包括食物中及消化液中未被吸收的钙，上皮细胞脱落释出的钙，其 排
出量随食物含钙量及吸收状况的不同而有较大的波动。
4. 钙的过量危害和补钙误区
4.1. 钙的过量危害
4.1.1.肾结石钙摄入量增多，与肾结石患病率增加有直接关系 。肾结石病多见于西方社会居民，美国人约
12％的人患有肾结石，可能与钙摄人过多有关。 4.1.2.奶碱综合征奶碱综合征的典型症候群包括高血钙症(hypercalcemia)、碱中毒( alkalosis)和肾功能障碍
(renal dysfunction)。但症状表现可有很大 差异。其严重程度决定于钙和碱摄人量的多少和持续时间。急
性发作者呈现为高血钙和碱中毒的毒血症， 在钙和碱摄入后发展很快(2～30 天之内)，碳酸钙持续摄人量
为 20～60g／d，临床特征是 易兴奋、头疼、眩晕、恶心和呕吐，虚弱、肌痛和冷漠，如再继续摄入钙和
碱，则神经系统症状加重(记 忆丧失、嗜睡和昏迷)。
4.1.3.钙和其他矿物质的相互干扰作用 高钙摄人能影响这些必需矿物质的生物利用率。
(1)铁：钙可明显抑制铁的吸收，并存在剂量一反 应关系，只要增加过量的钙，就会对膳食铁的吸收产生
很大的抑制作用。
(2)锌：一些代谢显示，高钙膳食对锌的吸收率和锌平衡有影响。认为钙与锌相互有拮抗作用。
(3)镁：有报告提出，膳食的钙／镁克分子比大于 3.5(mg 比大于 5)，会导致镁缺乏。试验表明，高钙摄
入时，镁吸收低，而尿镁显著增加。
(4)磷：已 知醋酸钙和碳酸钙在肠腔中是有效的磷结合剂，高钙可减少膳食中磷的吸收，但尚未见有高钙
引起磷耗竭 或影响磷营养状况的证据。
5. 钙的营养状况评价
5.1.生化指标
总的认为钙的生化指标不是反映机体营养状况的合适指标。 因为血钙浓度受严格调控而
相对稳定。一般血钙浓度变化往往小于测定误差。
5.2.钙平衡测定
测定钙平衡的方法是目前实际用于评价人体钙营养状况，并据此制订人体钙需要量的方
法。钙的摄人量与排出量(粪钙+尿钙+汗液钙)的差值为 0时，则呈现平衡状态。为负值则为
负平衡，为正值则为正平衡。
5.3.骨质的测量
由于上述指标均受到某种局限，而骨骼是人体一个巨大的钙储备库，故测量骨质可直接
反映机体的钙营养状况。骨质测量一般采用两种指标：
5.3.1.骨矿物质含量(BMC) 指在一特定骨骼部位中矿物质的含量，例如股骨颈、腰椎、或
全身。
5.3.2.骨密度(BMD) 是BMC 除以扫描部位的骨面积。单位应为 g／cm。 。
5.4.流行病学方法
是采用流行病学方法，在人群中调查不同水平的钙摄入量，与骨质疏松和骨折发生率的关系。
6. 钙的需要量与膳食参考摄入量
中国营养学会 2000年对成年人钙的 DRIs的制订， 基本是参照国内外钙平衡试验及营养调查报告，
将中国居民成年男子钙的适宜摄人量(AI)定为 800mg／d。成年人及 1 岁以上儿童钙的可耐受最高摄入
量(UL)定为 2000mg／d。
7. 钙的食物来源
奶和奶制品应是钙的重要来源，因为奶中含钙量丰富吸收率也高。另外， 豆类、硬果类，可连骨吃
的小鱼小虾及一些绿色蔬菜类也是钙的较好来源。硬水中含有相当量的钙，也不 失为一种钙的来源。
8．参考文献
【1】张悟本 把吃出来的病吃回去 人民日报出版社出版 1990年10月
【2】中国营养师培训教材
【3】 陈竺 中国居民膳食指南 2007版
【4】帕特里克-霍尔福德 人体营养手册 花城出版社 2008年
【5】中国食物营养保健大全 中国美食丛书 中国旅游出版社

（收稿时间2010-10-12）