Calcium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và đặc điểm hóa học của calcium

Calcium (canxi) là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại kiềm thổ, có ký hiệu hóa học là Ca và số hiệu nguyên tử là 20. Trong bảng tuần hoàn, calcium đứng thứ sáu về độ phổ biến trong cơ thể con người và thứ năm trong lớp vỏ Trái Đất. Dạng nguyên chất của calcium là kim loại màu xám bạc, mềm, có độ phản ứng cao với oxy và nước, vì vậy không tồn tại tự do trong tự nhiên mà chỉ ở dạng hợp chất như đá vôi (CaCO₃), thạch cao (CaSO₄·2H₂O), và fluorit (CaF₂).

Cấu hình electron của calcium là $\mathrm{[Ar]\,4s^2}$, cho thấy hai electron lớp ngoài cùng dễ mất để tạo thành ion Ca²⁺. Điều này giải thích tính chất hoạt động hóa học mạnh của calcium trong các phản ứng oxy hóa–khử. Calcium có vai trò trung gian trong các phản ứng sinh hóa và chuyển hóa nội bào vì khả năng tạo ion hóa trị hai ổn định.

Xem chi tiết dữ liệu nguyên tố calcium tại PubChem – Calcium.

Tính chất vật lý và hóa học

Calcium là kim loại nhẹ, tỷ trọng khoảng 1.55 g/cm³, mềm, dễ bị cắt bằng dao. Ở điều kiện tiêu chuẩn, calcium có điểm nóng chảy khoảng 842°C và điểm sôi 1,484°C. Kim loại này phản ứng mạnh với nước và không khí, nhanh chóng tạo ra một lớp oxy hóa mỏng bên ngoài. Lớp này không bảo vệ hoàn toàn, nên kim loại tiếp tục bị ăn mòn nếu tiếp xúc lâu dài với môi trường ẩm.

Trong không khí, calcium bị oxy hóa tạo thành calcium oxide (vôi sống):

$\mathrm{2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO}$

Khi phản ứng với nước, calcium tạo thành dung dịch calcium hydroxit và giải phóng khí hydro:

$\mathrm{Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow}$

Bảng sau mô tả một số tính chất đặc trưng:

Thuộc tính	Giá trị
Số hiệu nguyên tử	20
Nguyên tử khối	40.078 u
Độ âm điện (Pauling)	1.00
Nhiệt độ nóng chảy	842 °C
Nhiệt độ sôi	1,484 °C

Vai trò sinh học của calcium

Calcium là khoáng chất thiết yếu trong cơ thể sống, chiếm khoảng 1–2% trọng lượng cơ thể người. Khoảng 99% lượng calcium trong cơ thể tập trung ở xương và răng dưới dạng muối hydroxyapatite có công thức $\mathrm{Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2}$. Phần còn lại tồn tại trong dịch ngoại bào, nơi nó giữ vai trò điều hòa hoạt động tế bào và truyền tín hiệu.

Calcium tham gia vào nhiều quá trình sinh lý thiết yếu, bao gồm:

• Co cơ (muscle contraction) thông qua dòng ion Ca²⁺ trong sarcoplasmic reticulum.
• Dẫn truyền thần kinh (neurotransmission) ở synapse thông qua kênh calcium phụ thuộc điện thế.
• Đông máu (blood clotting) với vai trò là yếu tố IV trong chuỗi phản ứng đông máu.
• Kích hoạt enzyme như phospholipase C, protein kinase C và nhiều enzyme chuyển hóa khác.

Giá trị bình thường của nồng độ calcium toàn phần trong huyết tương người trưởng thành dao động từ $8.5 - 10.5\,\mathrm{mg/dL}$. Trong đó, khoảng 45% gắn với protein (chủ yếu là albumin), 10% ở dạng phức hợp, và 45% tồn tại dưới dạng ion hóa tự do – là dạng có hoạt tính sinh học.

Chuyển hóa calcium trong cơ thể

Calcium được hấp thu chủ yếu ở phần trên của ruột non thông qua hai cơ chế: vận chuyển chủ động (active transport) và khuếch tán thụ động (passive diffusion). Quá trình hấp thu phụ thuộc vào vitamin D hoạt hóa (calcitriol), độ pH dạ dày, tuổi tác và sự hiện diện của các yếu tố cản trở như oxalat, phytate hoặc chất xơ không hòa tan.

Sự cân bằng calcium trong cơ thể được điều hòa bởi ba cơ quan chính: ruột, xương và thận. Ruột là nơi hấp thu, xương là kho dự trữ chính và thận kiểm soát bài tiết. Toàn bộ quá trình được điều phối bởi các hormone điều hòa khoáng chất, cụ thể:

• Parathyroid hormone (PTH): Tăng calcium huyết bằng cách kích thích hủy xương và tái hấp thu ở thận.
• Calcitriol (vitamin D3 hoạt hóa): Tăng hấp thu calcium tại ruột non.
• Calcitonin: Làm giảm nồng độ calcium bằng cách ức chế hoạt động hủy xương.

Biểu đồ dưới đây minh họa cơ chế điều hòa nồng độ calcium máu:

Hormone	Tác động chính	Ảnh hưởng đến Ca2+ máu
PTH	Tăng tái hấp thu Ca2+, tăng hủy xương	Tăng
Calcitriol	Tăng hấp thu Ca2+ ở ruột	Tăng
Calcitonin	Giảm hủy xương, tăng tạo xương	Giảm

Nhu cầu calcium và các nguồn thực phẩm

Nhu cầu canxi hàng ngày (RDA – Recommended Dietary Allowance) thay đổi theo độ tuổi, giới tính và tình trạng sinh lý như mang thai hoặc cho con bú. Canxi không thể tự tổng hợp trong cơ thể nên phải được cung cấp qua chế độ ăn uống hoặc thực phẩm chức năng. Thiếu hụt kéo dài làm tăng nguy cơ mắc các bệnh về xương như loãng xương và còi xương.

Dưới đây là bảng khuyến nghị lượng calcium theo độ tuổi từ Viện Y học Hoa Kỳ (IOM):

Đối tượng	RDA (mg/ngày)
Trẻ 1–3 tuổi	700
Trẻ 4–8 tuổi	1,000
Trẻ vị thành niên 9–18 tuổi	1,300
Người trưởng thành 19–50 tuổi	1,000
Phụ nữ >50 tuổi và nam >70 tuổi	1,200
Phụ nữ mang thai hoặc cho con bú	1,000–1,300

Các nguồn thực phẩm giàu calcium bao gồm:

• Sữa và các sản phẩm từ sữa: sữa bò, phô mai, sữa chua
• Cá nhỏ ăn cả xương như cá mòi, cá trích
• Rau lá xanh như cải bó xôi, cải rổ, bông cải xanh
• Thực phẩm tăng cường calcium như nước cam, ngũ cốc, sữa đậu nành
• Hạt hạnh nhân, đậu nành, mè

Đọc thêm tại NIH – Calcium Consumer Fact Sheet

Thiếu hụt và thừa calcium

Thiếu calcium (hypocalcemia) có thể gây ra nhiều triệu chứng và biến chứng nghiêm trọng nếu kéo dài. Ở trẻ em, thiếu calcium ảnh hưởng đến sự phát triển xương, gây còi xương. Ở người lớn, nó làm tăng nguy cơ loãng xương, gãy xương, giảm mật độ khoáng xương (BMD), và gây đau cơ, co thắt cơ hoặc dị cảm.

Các nguyên nhân phổ biến gây thiếu calcium bao gồm:

• Thiếu vitamin D hoặc rối loạn chuyển hóa vitamin D
• Suy tuyến cận giáp (hypoparathyroidism)
• Bệnh thận mạn làm giảm tái hấp thu calcium
• Hội chứng kém hấp thu (celiac, Crohn)
• Chế độ ăn thiếu hoặc dùng thuốc ức chế axit kéo dài

Thừa calcium (hypercalcemia) cũng gây nhiều tác dụng phụ như buồn nôn, chán ăn, táo bón, rối loạn tâm thần, vôi hóa mô mềm, rối loạn nhịp tim và suy thận. Nồng độ calcium máu cao bất thường thường do cường cận giáp, ung thư di căn xương, hoặc bổ sung calcium/vitamin D quá mức. Mức giới hạn trên an toàn (UL) của calcium là:

• 1,000–2,000 mg/ngày với trẻ em
• 2,500 mg/ngày với người lớn

Ứng dụng trong y học và công nghiệp

Trong y học, calcium và các muối của nó được sử dụng rộng rãi trong điều trị và phòng ngừa bệnh lý liên quan đến thiếu hụt khoáng xương. Hai dạng bổ sung phổ biến nhất là calcium carbonate và calcium citrate. Calcium carbonate chứa khoảng 40% nguyên tố calcium, được hấp thu tốt khi uống cùng bữa ăn. Calcium citrate chứa 21% nguyên tố calcium, hấp thu không phụ thuộc pH dạ dày, phù hợp cho người lớn tuổi hoặc dùng thuốc kháng acid lâu dài.

Các ứng dụng y học bao gồm:

• Phòng ngừa và điều trị loãng xương (osteoporosis)
• Giảm triệu chứng hội chứng tiền kinh nguyệt (PMS)
• Hỗ trợ điều trị hạ calci máu (hypocalcemia)
• Ngăn ngừa tiền sản giật ở phụ nữ mang thai có nguy cơ cao

Trong công nghiệp, calcium có mặt trong nhiều quy trình sản xuất và xử lý vật liệu:

• Calcium oxide (vôi sống) dùng trong sản xuất xi măng, thủy tinh, thép
• Calcium carbide (CaC₂) tạo khí acetylene phục vụ hàn cắt kim loại
• Calcium chloride dùng làm chất hút ẩm, tan băng, xử lý nước

Phương pháp phân tích và định lượng calcium

Việc định lượng calcium trong mẫu sinh học, nước, thực phẩm hoặc vật liệu được thực hiện bằng nhiều kỹ thuật phân tích hiện đại, đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại cao. Các phương pháp thông dụng gồm:

• Quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS): Phân tích hàm lượng nguyên tố với độ chính xác cao.
• ICP-OES: Phát xạ plasma cảm ứng – dùng trong phân tích mẫu đa nguyên tố.
• Chuẩn độ complexon với EDTA: Đơn giản, phổ biến trong kiểm nghiệm thực phẩm.
• Điện cực chọn lọc ion (ISE): Phân tích calcium ion hóa trong máu.

Trong lâm sàng, tổng calcium và ionized calcium thường được đo bằng máy sinh hóa tự động hoặc thiết bị phân tích khí máu, đặc biệt trong hồi sức cấp cứu.

Calcium và các nguyên tố liên quan

Sự cân bằng khoáng chất trong cơ thể liên quan chặt chẽ giữa calcium, phospho, magnesium và natri. Các mối tương tác này ảnh hưởng đến chuyển hóa xương, dẫn truyền thần kinh và co cơ. Đặc biệt, tỷ lệ calcium/phospho không hợp lý có thể dẫn đến mất xương hoặc lắng đọng calci bất thường trong mô mềm.

Vitamin D giữ vai trò trung tâm trong chuyển hóa calcium. Không có vitamin D, khả năng hấp thu calcium ở ruột giảm xuống dưới 15%. Vì vậy, việc bổ sung calcium thường đi kèm với vitamin D3 (cholecalciferol) trong các chế phẩm thương mại.

Magnesium cũng ảnh hưởng đến chuyển hóa calcium thông qua vai trò điều hòa PTH. Thiếu magnesium kéo dài có thể dẫn đến kháng PTH và hạ calci máu thứ phát.

Tài liệu tham khảo

1. PubChem – Calcium Compound Summary
2. NIH Office of Dietary Supplements – Calcium
3. NCBI – Calcium Metabolism Overview
4. National Cancer Institute – Calcium
5. NutrientsReview – Calcium