CALCIUM

Le calcium est l'élément chimique de numéro atomique 20, de symbole Ca.

C'est un métal alcalino-terreux gris-blanc et assez dur qui ne se trouve jamais à l'état de corps pur dans la nature. Il est le cinquième élément le plus abondant de la croûte terrestre (plus de 3 %) et est essentiel pour la matière organique : formation des os, des dents et des coquilles. Le calcium joue également un rôle très important en physiologie cellulaire.

Histoire du calcium

La chaux était déjà préparée par les Romains dès l’Ier siècle, mais ce n'est qu'en 1808 que le calcium fut découvert. En apprenant que Jöns Jacob Berzelius et Magnus Martin Pontin (de) avaient préparé un amalgame de calcium par électrolyse de la chaux dans du mercure, Humphry Davy fut capable d'isoler le métal impur.

Isotopes

Article détaillé : Isotopes du calcium.

Le calcium possède 24 isotopes connus de nombre de masse variant entre 34 et 57, mais aucun isomère nucléaire connu. Cinq de ces isotopes sont stables, ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴³Ca, ⁴⁴Ca et ⁴⁶Ca (mais ⁴⁰Ca et ⁴⁶Ca sont soupçonnés d'être des radioisotopes à vie extrêmement longue, mais aucune désintégration n'a pour l'instant été observée), et un radioisotope (⁴⁸Ca) a une demi-vie tellement longue (43×10¹⁸ années, soit presque 3 milliards de fois l'âge de l'univers) qu'il est considéré pour les cas pratiques comme stable. Le calcium 40 représente 97 % du calcium naturel.

Caractéristiques notables

Le calcium peut être produit par électrolyse du fluorure de calcium mais plus couramment par réduction sous vide de la chaux (CaO) par de la poudre d'aluminium.

Il brûle avec une flamme jaune-rouge ; exposé à l'air sec il forme une couche protectrice blanche d'oxyde et de nitrure. Il réagit violemment avec l'eau dont il déplace l'hydrogène et forme alors de l'hydroxyde de calcium Ca(OH) ₂.

Applications physiques du calcium métal

• agent réducteur dans l'extraction d'autres métaux tels que l'uranium, le zirconium, et le thorium ;
• désoxydant, désulfurant ou décarburant pour différents alliages ferreux et non ferreux ;
• utilisé, parfois en association avec le magnésium, pour éliminer le bismuth du plomb (débismuthage) ;
• agent d'alliage utilisé dans la production d'alliages de l'aluminium, du béryllium, du cuivre, du plomb et du magnésium.

Composés

Dans tous ses composés connus le calcium est présent sous la forme du cation Ca²⁺.

• Aluminate de calcium Ca₃(AlO₃)₂ ou (Al₂O₃, 3 CaO) : un des composants du clinker, et utilisé pour la confection de mortiers réfractaires ;
• Carbonate de calcium CaCO₃, très répandu dans la nature, car c'est le composant de base des roches calcaires ; c'est par calcination du calcaire que l'on obtient la chaux vive ; voir aussi : calcite, aragonite ;
• Carbure de calcium CaC₂ (communément appelé carbure ; son hydrolyse produit de l'acétylène) ;
• Halogénures :
  • Chlorure de calcium CaCl₂ parfois utilisé comme sel de déneigement en remplacement du chlorure de sodium ;
  • Fluorure de calcium CaF₂ (fluorine) ;
  • Iodure de calcium CaI₂ ;
  • Bromure de calcium CaBr₂ ;
• Hypochlorite de calcium Ca(ClO)₂ ;
• Nitrure de calcium Ca₃N₂ ;
• Oxydes et hydroxyde :
  • Oxyde de calcium CaO (chaux vive),
  • Hydroxyde de calcium Ca(OH)₂ (chaux éteinte),
  • Peroxyde de calcium CaO₂ ;
• Phosphates :
  • Phosphate de calcium Ca₃(PO₄)₂,
  • Hydroxyapatite Ca₁₀(PO₄)₆(OH) ₂ Composant des dents et os ;
• Phosphure de calcium Ca₃P₂ (son hydrolyse génère de la phosphine PH₃) ;
• Sulfate :
  • Anhydrite sulfate de calcium anhydre CaSO₄, déhydratant,
  • Bassanite sulfate de calcium semi-hydraté 2CaSO₄ H₂O principal constituant de la poudre à plâtre avant usage,
  • Gypse sulfate de calcium hydraté CaSO₄ 2H₂O, principal constituant du plâtre après durcissement ;
• Sulfure de calcium CaS.

Le calcium peut aussi s'allier à différents autres métaux. L'alliage calcium-silicium, appelé silico-calcium, est un adjuvant de la préparation de certains aciers.

Dans l'alimentation

Le calcium est de loin le métal le plus abondant dans le corps. Il est majoritairement entreposé dans les os, dont il fait partie intégrante. Il contribue à la formation de ces derniers, ainsi qu'à celle des dents, et au maintien de leur santé. Les mécanismes de maintien d'une concentration plasmatique normale en calcium ionisé se font si nécessaire aux dépens du squelette et une diminution trop importante de l'apport calcique aussi bien qu'une augmentation des excrétions entraîne un risque pour la solidité du squelette

Le calcium joue aussi un rôle essentiel dans la coagulation sanguine, le maintien de la pression sanguine et la contraction des muscles, dont le cœur, via son importance dans les fonctions neuromusculaires. Il intervient dans le fonctionnement de nombreux processus enzymatiques.

Importance physiologique

Le calcium intervient dans la formation des os et des dents ; son déficit va donc les affecter (ostéoporose, problèmes de croissance). Son excès provoque l'apparition de calculs rénaux et une probable augmentation du risque cardiovasculaire.

De plus, il intervient dans les échanges cellulaires et est, de ce fait, vital. Son taux sanguin (calcémie) est extrêmement régulé, pour éviter des variations fatales à l'organisme. Les hormones impliquées dans cette régulation sont la parathormone et la calcitonine, bien que le rôle « hormonal » de la calcitonine soit discuté étant donné que son augmentation n'entraîne pas de modification sur le métabolisme phospho-calcique. Il serait plus juste de considérer la parathormone et le calcitriol (dérivé de la vitamine D) comme les deux principales hormones du métabolisme phospho-calcique. Voir aussi métabolisme du calcium. Le calcium sert aussi à réguler le pH corporel, il est relargué des os lorsqu'il y a une acidification du milieu interne provoquée par une consommation de produit acidifiant (protéines, laits…) et une faible consommation de végétaux, qui ont un effet alcalinisant.

Le risque de cancer du côlon semble diminué par un régime riche en calcium. La majorité des études épidémiologiques indiquent que les gens dont l'alimentation contient le plus de calcium ont moins fréquemment un cancer colorectal. Plus de 25 publications scientifiques montrent que le calcium diminue la cancérogenèse colique chez les rongeurs. Enfin, trois essais cliniques contrôlés montrent que la prise d'un supplément de carbonate de calcium (1 à 2 g/j) diminue la récurrence des polypes de 15 à 30 % chez des volontaires : il semble donc que le calcium prévienne le cancer colorectal.

Le calcium intervient aussi dans la contraction musculaire par l'intermédiaire de l'ion calcium Ca²⁺. Le calcium est stocké dans le muscle dans des citernes et est libéré sous l'influx nerveux pour activer les molécules d'actine qui vont permettre la contraction musculaire (voir myocyte).

Équilibre calcique

L'équilibre calcique est déterminé par la relation entre les apports calciques d'une part, et l’absorption et l'excrétion du calcium d'autre part. Des variations relativement faibles dans l'absorption et l'excrétion du calcium peuvent neutraliser un apport élevé ou compenser un apport faible.

Les besoins nutritionnels en calcium sont ainsi essentiellement déterminés par la balance entre l'efficacité de l'absorption et le taux d'excrétion –– l'excrétion se produisant par les voies intestinale (fèces) et rénale (urine), par la desquamation, par la perte des cheveux et celle des ongles. Chez l'adulte le taux d'absorption du calcium via le système digestif doit correspondre à l'ensemble des pertes quotidiennes afin d'assurer la préservation du squelette ; chez l'enfant et l'adolescent un apport supplémentaire est nécessaire pour couvrir les besoins de l'accroissement du squelette.

Le métabolisme du calcium est sujet à de considérables variations inter-individuelles, à la fois en ce qui concerne l'absorption et l'excrétion du calcium, pour des raisons qui ne sont pas encore complètement connues mais qui incluent la vitamine D, l'apport en sodium et en protéines, l'âge, la ménopause chez la femme. Voir infra certains de ces facteurs.

Absorption

À de bas niveaux d'apport calcique le calcium est principalement absorbé par transport actif transcellulaire, tandis qu'à de plus hauts niveaux d'apport une proportion de plus en plus importante du calcium est absorbée par simple diffusion paracellulaire. L'absorption varie ainsi en fonction inverse de l'apport calcique, variant de 70 % pour de très bas niveaux d'apport à 35 % environ pour des apports calciques importants.

En tenant compte des pertes calciques incompressibles (selles, urines, desquamation, sueur) le pourcentage net d'absorption (apports moins pertes) est négatif pour de bas niveaux d'apport, devient positif avec l'augmentation des apports, atteint un pic à environ 30 % d'absorption pour un apport quotidien d'environ 400 mg, puis recommence à diminuer pour des apports allant au-delà de ce taux.

Excrétion

La part non absorbée du calcium se retrouve principalement dans les selles, accompagnée de la part non absorbée du calcium contenu dans les sucs digestifs.

L'excrétion urinaire de calcium est extrêmement sensible aux modifications du taux plasmique de calcium : des diminutions à peine détectables de moins de 2 mg de calcium par litre de plasma sanguin suffisent pour induire une diminution trente fois supérieure de l'excrétion urinaire de calcium. Cette réponse rénale très sensible à la privation de calcium se combine avec la relation inverse entre apport calcique et taux d'absorption pour stabiliser la concentration plasmatique de calcium ionisé (en cohérence avec son importance physiologique) et pour préserver l'équilibre entre les entrées et les pertes calciques. Cependant il existe un niveau incompressible de pertes calciques dans les urines, qui dans le contexte du niveau de consommation en sel et en protéines des pays développés se situent à environ 140 mg/j.

En plus des pertes calciques urinaires et fécales, il existe des pertes à travers la desquamation, la chute de cheveux, les ongles. Ces pertes insensibles, difficiles à mesurer, seraient de l'ordre de 40 à 60 mg par jour et ne varient pas avec le niveau d'apport calcique dans l'alimentation.

Facteurs nutritionnels affectant les besoins en calcium

Il s'agit principalement du sodium et des protéines animales (qui tous deux augmentent les pertes calciques urinaires), et de la vitamine D du fait de son rôle dans l'homéostasie et l'absorption du calcium.

Au bilan, les facteurs alimentaires qui influencent les pertes urinaires de calcium ont une influence majeure sur la balance calcique et pourraient même être de plus grande importance que ceux qui influencent la disponibilité intestinale du calcium ; les pertes urinaires en calcium sont plus importantes dans les alimentations qui contiennent des apports élevés en protéines animales, sulfates, sodium, café, thé et alcool, que dans les régimes alimentaires qui en intègrent des quantités plus faibles.

Vitamine D

Article détaillé : Vitamine D.

Sodium

Le taux urinaire de calcium (calciurie) est relié à celui du sodium (natriurie) et l'administration de sodium augmente l'excrétion urinaire de calcium, possiblement parce que le sodium entrerait en compétition avec le calcium pour la réabsorption au niveau des tubules rénaux. Les restrictions en sel diminuent la calciurie, donc les besoins nutritionnels en calcium, et inversement la consommation alimentaire de sel augmentent ces besoins. S'il est cependant difficile d'en déduire des recommandations nutritionnelles au niveau mondial du fait du manque de données pour beaucoup de pays, les études existantes montrent que chaque apport supplémentaire de deux grammes de sel alimentaire entraîne une excrétion urinaire de calcium de 30 à 40 mg en moyenne.

Protéines

Il est connu depuis les années 1960 que l'apport alimentaire de protéines –- et particulièrement de protéines animales – augmente l'excrétion urinaire de calcium. Cela est cohérent avec la constatation faite par ailleurs que la prévalence des fractures de la hanche est liée aux apports en protéines animales. Il a été trouvé dans une population japonaise que l'excrétion de calcium est significativement corrélée positivement avec l'apport alimentaire de protéines animales, mais pas avec celui de protéines végétales. Inversement, diminuer l'apport en protéines animales diminue les pertes urinaires en calcium.

Le mécanisme par lequel les protéines animales influent sur l'excrétion du calcium n'est pas complètement compris. Une augmentation du taux de filtration glomérulaire en réponse aux apports protéiques a été suggérée, mais ne semble pas pouvoir en l'état actuel des connaissances expliquer à lui seul cette constatation. Le mécanisme considéré comme le plus important par la majorité des études est l'effet de la charge acide contenue dans les aliments d'origine animale (due notamment aux acides aminés sulfurés contenus en quantité plus importante dans les protéines animales, et à la concentration plus importante en ions phosphates), du fait qu'une charge acide est, sur le long terme, compensée entre autres par la fixation des ions H⁺ par les phosphates acides libérés par le métabolisme phosphocalcique osseux, ceci entraînant la libération conjointe de carbonate de calcium osseux. La complexation dans les tubules rénaux du calcium par les ions sulfates et phosphates relargués par le métabolisme des protéines jouerait également un rôle. Le taux urinaire de calcium est significativement relié à celui du phosphate urinaire et la plus grande partie du phosphore contenu dans les urines des personnes adoptant un mode d'alimentation occidental provient des aliments d'origine animale ingérés. Cela est également observé pour le sulfate urinaire, même si l'effet est probablement moins important que celui des ions phosphates.

Quoi qu'il en soit, aucune conclusion définitive ne peut encore se dégager de la lecture de la littérature scientifique pour expliquer la corrélation positive entre l'apport en protéines d'origine animale et l'augmentation de la calciurie et de la prévalence des fractures. Nombreux d'ailleurs sont les auteurs à insister sur le besoin d'études complémentaires, malgré des décennies de recherche sur ce point.

Régimes riches en produits végétaux

Des études ont montré que les pertes urinaires en calcium sont plus faibles dans les régimes alimentaires alcalins, riches en légumes et fruits ou en bicarbonates.

Bien qu'il soit considéré dans certaines études que les produits à base de soja ont un taux de phytates élevé pouvant réduire l'absorption du calcium, d'autres études n'ont pas constaté de différence clinique selon que l'alimentation comprenne du lait de vache ou de soja.

Les phytates, présents dans l'enveloppe de nombreuses céréales ainsi que dans certaines noix, certaines graines, certains légumes, peuvent former des sels de calcium insolubles dans l'intestinal.

Les oxalates (que l'on peut trouver par exemple dans les épinards, la rhubarbe, les noix, l'oseille) en excès peuvent précipiter le calcium dans l'intestin ; ainsi, s'il a été démontré que la biodisponibilité du calcium des légumes verts pauvres en oxalates (par exemple chou ou brocoli) est supérieure à celle du lait de vache, à l'inverse le calcium des épinards ou du cresson est moins bien absorbé.

Si ces facteurs ont généralement une faible importance dans les régimes alimentaires, leur importance dans un régime végétarien strict pourrait équilibrer les effets bénéfiques d'une baisse de l'excrétion urinaire du calcium due à un faible apport en protéines animales.

Les tanins (tels que ceux du thé) peuvent également former des complexes réduisant l'absorption du calcium.

Lait animal

Le lactose du lait, pris séparément, favorise l'absorption du calcium ; cependant son effet est contrebalancé par celui des protéines animales également contenues dans le lait. Finalement, le lactose du lait contribue peu à l'amélioration de l'absorption en calcium et aucune étude ne montre que le calcium du lait est plus efficacement absorbé que celui de n'importe quel sel de calcium. La proportion absorbée de calcium du lait dépasse rarement 40%.

Eaux minérales

Il n'a pas été démontré que le calcium des eaux minérales, sous forme de bicarbonate ou de sulfate, est mieux absorbé que d'autres sources de calcium.

Apports recommandés

Les recommandations nutritionnelles de la FAO se basent sur les relations entre l'apport calcique et l'absorption et l'excrétion du calcium, déterminées par une analyse des études existantes. L'équilibre, selon la FAO, est atteint avec un apport quotidien de 520 mg en tenant compte des pertes fécales incompressibles, qui montent à 840 mg en tenant compte des pertes urinaires et celles liées à la desquamation, et à 1 100 mg lorsque les pertes liées à la ménopause sont incluses.

La prise en compte des apports alimentaires en protéines animales a un effet majeur sur les besoins nutritionnels en calcium, les deux étant positivement corrélés. Elle contribue également à rapprocher les apports recommandés en calcium des apports calciques réels observés dans une grande partie des populations au niveau mondial. En ce qui concerne le sodium, si les apports en sel dans le régime alimentaire étaient réduits, les besoins en calcium pourraient diminuer à un niveau aussi bas que 450 mg/j. Une meilleure attention portée au taux de vitamine D (par une exposition suffisante au soleil ou par des apports suffisants) pourrait encore diminuer les besoins nutritionnels en calcium.

Les apports nutritionnels conseillés sont finalement de 900 mg par jour chez l'adulte qui consomme une alimentation occidentale. Une étude de l'OMS montre que les ANC varient sensiblement entre les pays développés. Parallèlement, les apports journaliers recommandés sont de 800 mg par jour (pour une femme adulte)²².

Selon l'OMS et la FAO, un besoin de calcium beaucoup plus bas (500 mg/jour) est observé chez les personnes ayant une alimentation beaucoup plus végétarienne, qui s'exposent suffisamment au soleil (vitamine D) et qui ont une activité physique non sédentaire. En effet, l'ingestion d'acides aminés soufrés (comme la méthionine) en grandes quantités augmenterait la déperdition de calcium dans les urines. Ces acides aminés soufrés se trouvent en grande quantité dans les viandes, les poissons, les œufs, les charcuteries.

Conséquences d'un excès de calcium

Une étude portant sur une cohorte de population en Suède a mis en évidence une mortalité plus élevée pour les femmes ingérant plus de 1 400 mg de calcium par jour, en particulier sous forme de supplément. Par ailleurs, plusieurs études établissent une corrélation entre une forte ingestion de calcium et une incidence élevée de cancer de la prostate.

Présence dans les aliments

Article détaillé : Teneur en calcium des aliments.

Le calcium est présent dans de nombreux aliments de consommation courante.

Les produits laitiers constituent actuellement la principale source de calcium alimentaire (plus des deux tiers des aliments consommés) des pays occidentaux. Le calcium y est présent sous une forme permettant une absorption intestinale de l'ordre de 30 %, mais augmentant l'excrétion urinaire de calcium. Les produits très riches en calcium et en phosphore entraînent une hypercalcémie et hyperphosphatémie temporaires, avec une inhibition de la synthèse de vitamine D^[ .

D'autres aliments contiennent du calcium : eau du robinet, amandes, pistaches, dattes, persil, figues, cresson, cacao, pissenlit, oranges, haricots secs, jaune d'œuf, graines de sésame (tahini), graines de pavot, brocoli, choux, épinard (les légumes à feuilles vertes en général), certains poissons…

Selon la plupart des sources, le calcium du lait est absorbé à environ 30 %.

Pour l'évaluation de la biodisponibilité réelle, il faut aussi tenir compte des facteurs alimentaires qui influencent la perte urinaire du calcium absorbé. Ainsi, l'absorption simultanée de phosphore diminue l'excrétion urinaire de calcium. À l'inverse, les composants « acidogènes » du régime, comme les sulfates (en particulier dans les eaux minérales sulfatées calciques), augmentent la calciurie (élimination de calcium par voie urinaire).

Enfin, la fixation du calcium absorbé dans le tissu osseux (prévenant l'ostéoporose) dépend de nombreux autres facteurs, en particulier hormonaux (voir ci-dessus).

En tant que médicament

L'absorption de calcium sous forme de comprimés permet d'augmenter son apport journalier si ce dernier n'est pas optimal. Il est parfois associé à la prise de vitamine D. L’intérêt d'une supplémentation en calcium chez une personne non dénutrie n'est cependant pas établi : la densité minérale osseuse n'augmente que peu, même si le calcium est associée à la prise de vitamine D et ne progresse plus après un an. Il n'existe, par ailleurs, pas de diminution du risque de fracture. L'effet secondaire le plus noté reste une constipation. Le syndrome des buveurs de lait, dans sa forme moderne, est dû principalement à la consommation de carbonate de calcium : c'est la troisième cause d'hypercalcémie et la seconde cause d'hypercalcémie sévère. Cette supplémentation pourrait être associée avec un risque majoré de maladies cardio-vasculaires, même si cette donnée reste discutée. Mais les médicaments destinés à l'ostéoporose servent aussi à soigner les maladies telles que l'anorexie ou boulimie afin de subvenir au manque de nutriments équilibrés dans le corps dus à l'absence de ceux-ci du fait des problèmes que cela engendre.

Pour la femme en ménopause et les personnes âgées, les apports journaliers recommandés de calcium sont de 1 200 à 1 500 mg.

Production industrielle

Le calcium est produit par aluminothermie de la chaux, c’est-à-dire une réaction d'oxydo-réduction où la chaux − l’oxyde de calcium CaO − est réduite par l'aluminium dans des fours où l'on établit le vide.

De façon simplifiée :

2 A l + 6 C a O → C a 3 A l 2 O 6 + 3 C a {\displaystyle \mathrm {2Al+6CaO\to Ca_{3}Al_{2}O_{6}+3Ca} }

On introduit dans le four des pastilles formées à partir d'un mélange de chaux et de poudre d'aluminium. Le four est chauffé électriquement ou à l'aide d'un combustible fossile. Le calcium formé au cours de la réaction se dégage sous forme de vapeur, et l'on dispose (dans le circuit d'aspiration établissant le vide dans le four) un condenseur où il vient se déposer. Le résidu de la réaction est de l'aluminate de calcium(combinaison d'alumine et de chaux).

Commerce

La France, en 2014, est nette importatrice de calcium, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 3 700 €.