Le calcium est un élément chimique qui figure dans le tableau de Mendeleïev sous le numéro atomique 20. Son symbole chimique est Ca. Ce métal alcalino-terreux est de couleur gris-blanc. On ne trouve pas de calcium à l’état de corps pur, mais il devient du calcium métal après une réduction de ses ions. C’est le cinquième élément le plus abondant de la croûte terrestre (plus de 3 % sous forme d’oxyde CaO). De nombreuses espèces ont besoin du calcium pour vivre. Cet oligo-élément est essentiel dans la formation des os, des coquilles (1 à 2 % de la masse du corps humain adulte) et des dents. Le calcium joue également un rôle fondamental dans la physiologie cellulaire.
Le mot calcium vient du latin calx qui signifie chaux ajoutée du suffixe –um. La chaux est un oxyde de calcium dont la formule est CaO. Elle est obtenue après la calcination du calcaire CaCO3.
Au premier siècle ap J.C, les Romains avaient déjà manipulé la chaux. La première expérience pour l’isoler fut faite en 1801 par les chimistes Magnus Martin Pontin et Jöns Jacob Berzelius. Ils avaient préparé, par électrolyse de la chaux, un amalgame de calcium et de mercure.
À partir de ce test, sir Humphry Davy, en 1808, a pu isoler le métal impur, qui est le calcium. Ce chimiste britannique a également isolé le sodium et le potassium.
Plus tard, en 1840, un physicien suisse, dont le nom n’a pas été divulgué, a prouvé l’importance du calcium dans la croissance des pigeons. Au début du XXe siècle, le calcium est reconnu comme étant un élément protecteur contre l’intoxication au plomb. Ainsi, les dirigeants des industries minières britanniques donnèrent du lait à leurs mineurs pour les préserver. Durant le XXe siècle, le calcium est proclamé bénéfique pour le système nerveux et les muscles.
Le calcium possède 24 isotopes connus, dont le nombre de masse varie entre 34 et 57. Il ne détient cependant aucun isomère nucléaire connu.
On dénombre 5 isotopes stables de calcium : 40Ca, 42Ca, 43Ca, 44Ca et 46C. Les isotopes 40Ca et 46Ca sont soupçonnés d’être des radioisotopes avec une longue vie même si aucune désintégration n’a été relevée. Le radioisotope 48 Ca a une demi-vie de 43×1018 années (soit 3 milliards de fois l’âge de l’univers), il est donc pratiquement stable. Le calcium 40 est celui qui compose la majorité du calcium naturel à 97 %.
La production typique du calcium se fait par électrolyse du fluorure de calcium. La pratique la plus courante est la réduction sous vide de la chaux (Ca0) avec de la poudre d’aluminium. Le calcium produit une flamme jaune-rouge lors de sa combustion. Quand il est exposé à l’air sec, il développe une couche protectrice blanche composée d’oxyde et de nitrure. En réaction avec l’eau, le calcium délocalise l’hydrogène et forme l’hydroxyde de calcium dont la formule est Ca(OH)2.
Le calcium est un agent réducteur qui est utilisé dans l’extraction d’autres métaux comme l’uranium, le thorium et le zirconium.
Ce métal alcalino-terreux est désulfurant (extrait le soufre), désoxydant (élimine l’oxygène) et décarburant (extrait le carbone) lorsqu’il forme des alliages ferreux et non ferreux.
Il est utilisé avec le magnésium pour faire du débismuthage (élimination du bismuth du plomb). Ce neuvième élément chimique est un agent d’alliage. Il est employé dans l’amalgame du cuivre, de l’aluminium, du plomb, du béryllium et du magnésium.
La molécule du calcium le plus connu est le cation Ca2+. On dénombre aussi d’autres combinés tels que :
Le calcium allié au silicium ou silico-calcium est utilisé dans la préparation des aciers.
Le calcium est l’élément métallique qu’on trouve à profusion dans le corps constituant 1 à 2 % de la masse corporelle. On le retrouve surtout dans les os et les dents. Ces deux organes sont d’ailleurs formés par le calcium qui les maintient rigides.
La concentration plasmatique du calcium ionisé dans le squelette est importante. Une trop grande quantité dans les selles ou, a contrario, une trop grande diminution de l’apport calcique entraîne des risques pour la santé. Cela peut engendrer des maladies comme l’ostéoporose chez l’adulte et le rachitisme chez l’enfant ou encore le risque d’exacerbation du saturnisme.
Cet élément alcalin est essentiel dans le fonctionnement du métabolisme humain :
La biossimilabilité du calcium chez l’être humain dépend de son âge, de ses formes et de son état hormonal. Cette particularité biossimilable dépend de deux facteurs : les inhibiteurs et les promoteurs de l’assimilation dans les aliments. Par exemple, les calciums ionisés ou chélatés par les peptides présents dans certains aliments sont plus bioassimilables.
Le calcium est essentiel dans la formation des os et des dents. L’hypocalcémie peut causer des problèmes de croissance. Au contraire, un excès en calcium augmente le risque de maladies cardiovasculaires. Ce minéral empêche la production des oxalates dans le système digestif, entraînant les calculs rénaux.
Omniprésent dans le corps, le calcium intervient dans les échanges cellulaires. Le taux sanguin du calcium appelé calcémie est régulé pour prévenir des variations pouvant être fatales à l’organisme. On distingue deux hormones impliquées dans cette régulation, notamment la parathormone et le calcitriol. L’hormone du calcium calcitriol est un dérivé de la vitamine D. Le calcium régule également le pH corporel. Il est relargué des os, c’est-à -dire que la solubilité du sel dans les os est diminuée lors de l’acidification du milieu interne de l’os. Cette action est causée par la consommation de produit acidifiant (lait, protéine…) et la faible consommation de végétaux provoquant un effet alcalinisant.
D’après des études épidémiologiques, un régime riche en calcium baisse le risque du cancer de côlon et du cancer colorectal. Cette théorie a été confirmée en pratique par trois essais cliniques où des volontaires ont pris un supplément de carbonate de calcium (1 à 2 g/j). Le résultat est que la récurrence des polypes a diminué de 15 à 30 %. D’après 25 publications scientifiques, le calcium rabaisse le risque de cancérogenèse colique chez les rongeurs.
Le calcium par l’intermédiaire de l’ion calcium (Ca2+) intervient également dans la contraction musculaire. Il est stocké dans le muscle et se libère sous l’influx nerveux en activant les molécules d’actine (qui sont responsables de la contraction du muscle).
L’équilibre calcique ou l’équilibre du calcium établit le lien entre les apports calciques et l’absorption/l’excrétion du calcium. Une variation dans l’absorption et l’excrétion de calcium peut empêcher un apport calcique élevé ou compenser un apport faible.
La balance entre l’utilité de l’absorption et le taux d’excrétion détermine les besoins nutritionnels en calcium. L’excrétion du calcium se fait par voie intestinale (fèces) et par voie rénale (urine). Elle se manifeste également par la desquamation et par la perte de cheveux et des ongles.
Le taux d’absorption du calcium se fait grâce au système digestif. Ce taux doit correspondre à l’ensemble des pertes quotidiennes en calcium pour assurer la préservation du squelette chez l’adulte. Chez l’enfant et l’adolescent, il faut un apport calcique supplémentaire pour combler les besoins en accroissement du squelette.
Le métabolisme du calcium varie d’un individu à l’autre en termes d’absorption et d’excrétion. Les facteurs du métabolisme calcique sont, notamment la vitamine D, l’apport en protéine et en sodium, la ménopause chez la femme et l’âge.
L’absorption calcique dépend du niveau d’apport. À faible niveau, le calcium est absorbé par transport transcellulaire actif. À haut niveau, elle est effectuée par une simple diffusion paracellulaire. Cette absorption du calcium se calcule à l’inverse de l’apport en calcium. Elle est à 70 % pour un niveau très bas d’apport et à 35 % pour un niveau d’apport calcique important.
Le calcul du pourcentage net d’absorption est : apport – perte.
Les pertes calciques incompressibles viennent des selles, de l’urine, de la sueur ou de la desquamation. Un résultat négatif avec de bas apports peut devenir positif avec des apports augmentés. Par exemple : un pic à 30 % d’absorption calcique pour un apport quotidien de 400 mg de calcium peut diminuer avec des apports plus élevés.
La part non absorbée du calcium se retrouve pour la plupart dans les selles et le reste finit dans les sucs digestifs.
Quant à l’excrétion urinaire, elle est très sensible aux variations du taux plasmique en calcium. Une infime diminution de 2 mg/l de plasma sanguin suffit à entraîner jusqu’à 30x une diminution de l’excrétion du calcium dans l’urine. Cette sensibilité rénale à la privation de calcium est combinée avec la relation inverse du taux d’absorption et de l’apport calcique. Cette combinaison sert à équilibrer la concentration plasmatique de calcium ionisé et à stabiliser les entrées et les pertes calciques. Dans les pays développés, où le niveau de consommation du sel et des protéines est élevé, la perte de calcium dans les urines est de l’ordre de 140 mg/j.
Il existe également des pertes calciques à travers la desquamation (peau qui part en petits lambeaux), la chute des cheveux et la perte des ongles. Ce sont des pertes insensibles, difficiles à mesurer, de l’ordre de 40 à 60 mg/j. Ces types de pertes calciques ne dépendent en aucun cas du niveau d’apport calcique dans l’alimentation.
Il existe trois facteurs nutritionnels qui affectent les besoins en calcium : le sodium, les protéines animales et la vitamine D. Le sodium et les protéines animales augmentent les pertes calciques urinaires. La vitamine D joue un rôle dans l’absorption du calcium et dans l’homéostasie.
Ces facteurs alimentaires qui perturbent les pertes urinaires de calcium influencent grandement la balance calcique. Ils sont même plus importants que les facteurs nutritionnels qui touchent la disponibilité intestinale du calcium. On distingue des pertes calciques urinaires plus importantes dans les aliments contenant des apports élevés en protéines animales, en sulfates ou en sodium. On en dénote aussi dans le café, le thé et l’alcool.
La vitamine D est une vitamine liposoluble (soluble dans les lipides) que l’on retrouve dans l’alimentation. Elle est synthétisée dans l’organisme humain à partir de 7 déhydrocholestérols sous l’action des rayonnements UVB du soleil. Cette hormone intervient dans l’absorption du calcium et du phosphore par l’intermédiaire des intestins. Elle agit également dans la réabsorption de ces deux éléments par les reins sous l’influence de la PTH (parathormone). Elle permet, entre autres, la résorption osseuse via les ostéoclastes.
Il y a un délai d’action entre le moment de l’administration de la vitamine D et celui où l’absorption du calcium augmente sous l’effet de cette vitamine. Cette action émane de la charge calcique de l’os et de cette vitamine liposoluble. Elle fixe le calcium à dose physiologique et la libère à forte dose (hypervitaminose), ce qui provoque une hypercalcémie. Durant la croissance, le site d’action privilégié de la vitamine D est la zone métaphysaire. Les effets de cette substance azotée sont contrebalancés par la calcitonine. Elle participe par ailleurs à la minéralisation osseuse du squelette et des articulations et agit efficacement sur la tonicité musculaire.
Le sodium est un minéral que l’on retrouve dans les aliments et dans le sel de table. Le taux urinaire de sodium ou natriurie est relié à la calciurie ou taux urinaire du calcium. En ingérant du sodium, l’excrétion urinaire de calcium augmente. Cela s’explique par le fait que le sodium tout comme le calcium joue un rôle dans la réabsorption au niveau des tubules rénaux. En restreignant le sel, la calciurie et le besoin nutritionnel en calcium diminuent. À l’inverse, la consommation alimentaire de sel augmente les besoins en calcium. Selon des études récentes, chaque apport supplémentaire de 2 g de sel alimentaire entraîne 30 à 40 mg d’excrétion urinaire de calcium.
L’apport alimentaire en protéines animales accroît l’excrétion urinaire de calcium. On constate, par ailleurs, que la prévalence des fractures de la hanche est rattachée aux apports de protéines animales. Dans la population japonaise, l’excrétion de calcium est positivement liée avec l’apport en protéine animale et non avec celui des protéines végétales. Si cet apport en protéine animale diminue, les pertes urinaires en calcium régressent irrémédiablement.
L’augmentation du taux de filtration glomĂ©rulaire est un des mĂ©canismes par lequel les protĂ©ines animales influent sur l’excrĂ©tion du calcium. L’autre mĂ©canisme que la majoritĂ© des Ă©tudes considère est l’effet de la charge acide qui est contenu dans les alimentations d’origine animale. Cela est dĂ» au fait que ces nourritures Ă base d’animaux contiennent des acides aminĂ©s sulfurĂ©s et des ions phosphates en grandes quantitĂ©s. Cette charge acide compensĂ©e par la fixation des ions H+ de phosphates acides (provenant du mĂ©tabolisme phosphocalcique osseux) engendre la libĂ©ration de carbonate de calcium osseux. Les ions sulfates et phosphates prĂ©sents dans les protĂ©ines animales y jouent aussi un rĂ´le. La calciurie est reliĂ©e au taux de sulfate urinaire. Une personne adoptant un mode alimentaire occidental possède un taux Ă©levĂ© de phosphore dans son urine. La cause en est la consommation de nourritures d’origine animale. La constatation est la mĂŞme pour le sulfate urinaire, mĂŞme si l’effet est moins important que celui des ions phosphates.
La corrélation positive entre l’augmentation de la calciurie, la prévalence des fractures et l’apport en protéine d’origine animale n’est pas encore bien définie par les recherches scientifiques. Les chercheurs font encore des études complémentaires jusqu’à aujourd’hui.
D’après diverses études scientifiques, les pertes urinaires en calcium sont minimes dans les régimes alimentaires alcalins qui sont riches en fruits et légumes et en bicarbonates. Les produits à base de soja ont un taux de phytates élevé qui réduisent l’absorption du calcium. Ces phytates sont présents dans l’enveloppe de nombreuses céréales, dans les noix, les graines et certains légumes. Ils constituent des sels de calcium insolubles dans l’appareil gastro-intestinal.
Quant aux oxalates que l’on trouve dans la rhubarbe, les épinards, l’oseille et les noix, ils accélèrent le calcium dans l’intestin à grande quantité. Il a été prouvé que la biodisponibilité du calcium dans les légumes verts pauvres en oxalates (brocoli ou chou) est supérieure à la biodisponibilité du calcium dans le lait de vache. En revanche, le calcium dans les épinards et le cresson est difficile à absorber. C’est aussi le cas du tanin (celui du thé) qui crée des complexes pouvant réduire l’absorption du calcium. L’oxalate et la phytate sont des éléments essentiels lors d’un régime végétalien strict. Avec ce type de régime, l’excrétion en calcium est stabilisée, car il y a peu d’apport en protéine animale.
Le lactose dans le lait, s’il est pris séparément, soutient l’absorption du calcium. Malheureusement, cet effet est neutralisé par les protéines animales également contenues dans le lait. De ce fait, le lactose participe peu à l’amélioration de l’absorption en calcium. D’ailleurs, il n’a pas été démontré que le calcium de lait soit plus efficace que celui d’autre sel de calcium. Le calcium absorbé en consommant du lait ne dépasse pas 40 %.
Le calcium des eaux minérales, que ce soit sous forme de sulfate ou de bicarbonate, n’est pas mieux absorbé que les autres sources de calcium.
Les recommandations nutritionnelles en calcium de la FAO se basent sur les relations entre l’absorption/l’excrétion du calcium et l’apport calcique. Selon cet organisme, l’équilibre est atteint si on respecte ce quota :
Les apports alimentaires en protéines animales doivent être pris en considération dans les besoins nutritionnels en calcium puisqu’ils sont positivement corrélés. Les protéines animales rapprochent les apports recommandés en calcium avec les apports calciques réels.
En réduisant les apports en sodium (moins de sel dans l’alimentation), les besoins en calcium baissent à un niveau bas de 450 mg/j. En augmentant l’apport en vitamine D (exposition au soleil et autres apports suffisants), les besoins nutritionnels en calcium diminuent.
L’apport nutritionnel conseillé en calcium est de 900 mg/j chez l’homme adulte et de 800 mg/j pour la femme adulte consommant une alimentation occidentale. Ce pourcentage varie sensiblement entre les pays développés. Les apports journaliers recommandés en calcium pour la femme en ménopause et les personnes âgées sont de 1 200 à 1 500 mg/j.
Selon toujours la FAO et l’OMS, les personnes à tendance végétarienne ont un besoin en calcium plus bas de 500 mg/j. C’est aussi le cas des personnes qui s’exposent suffisamment au soleil (vitamine D) ou qui font une activité physique non sédentaire (à l’extérieur).
Enfin, les acides aminés soufrés tels que la méthionine, lorsqu’ils sont ingérés en quantité importante, augmentent la dispersion du calcium dans les urines. On trouve ces acides aminés soufrés dans les viandes, les poissons, les charcuteries et les œufs.
Selon une étude de cas de la population en Suède, une femme qui ingère 1 400 mg de calcium par jour (sous forme de supplément) accroît le risque de mortalité. Pour les hommes, le même geste entraîne un risque de cancer de la prostate.
On trouve du calcium dans la plupart des aliments de consommations courantes. La source principale reste les produits laitiers. Dans les pays occidentaux, les denrées à base de lait constituent plus des deux tiers des aliments consommés. La présence du calcium dans le lait est absorbée par l’intestin à 30 %. Les produits laitiers augmentent également l’excrétion urinaire de calcium. Consommer des produits très riches en phosphore et en calcium entraîne une hyperphosphatémie et une hypercalcémie temporaire. Il y a aussi un risque d’inhibition de la synthèse de vitamine D.
On trouve Ă©galement du calcium dans ces aliments :
La biodisponibilité réelle du calcium dépend des facteurs alimentaires qui ont des influences sur la perte urinaire de calcium. Par exemple, la prise de phosphore en parallèle avec le calcium diminue l’excrétion urinaire de calcium. Par contre, prendre des composants acidogènes tels que les sulfates en simultané au calcium augmentent la calciurie.
Les hormones sont des fixateurs du calcium dans les tissus osseux (prévention de l’ostéoporose).
Le comprimé est la meilleure forme du calcium qui augmente l’apport journalier. Il est conseillé d’associer le comprimé de calcium avec de la vitamine D. L’efficacité de cette combinaison n’est cependant pas prouvée chez les sujets non dénutris en calcium. En effet, la densité osseuse de ces personnes n’évolue que très lentement et s’arrête au bout d’un an. Par ailleurs, la diminution du risque de fracture est quasi inexistante. L’effet secondaire du calcium en tant que médicament est la constipation. La troisième cause d’hypercalcémie et la seconde cause de l’hypercalcémie sévère vient du syndrome des buveurs de lait (dû à la consommation de carbonate de calcium). La prise de calcium en grande quantité peut engendrer une maladie cardio-vasculaire.
Les médicaments à base de calcium qui soignent l’ostéoporose servent également à traiter dans d’autres maux comme l’anorexie ou la boulimie. Cela s’explique par le fait qu’ils subviennent au manque de nutriments équilibrés dans le corps.
Le calcium est élaboré d’après l’aluminothermie de la chaux. On réduit l’oxyde de calcium (oxydo-réduction) avec de l’aluminium dans un four vide. Pour cela, on met dans le four des pastilles à base de chaux et de poudre d’aluminium. Il est chauffé électriquement ou par combustible fossile. Le calcium formé se dégage sous forme de vapeur. On dispose un condenseur qui se trouve dans le circuit d’aspiration pour le récolter. Le résidu de cette réaction est l’aluminate de calcium, une combinaison d’alumine et de chaux.
L’usage du calcium dans l’industrie se fait depuis la préhistoire. Il était issu de la craie et fut transformé par hydratation, calcination, frittage, micronisation ou recarbonatation. Il est exploité dans :
Le calcium ou ses molécules peuvent être des substituts du :
En 2019, Zhirong Zhao-Karger & al. de l’Institut Helmholtz d’Ulm en Allemagne ont associé le calcium et le fluor (le nouveau sel de calcium). Cette composition s’est avérée être un meilleur conducteur d’électricité que tous les électrolytes calciques connus. La tension obtenue est aussi nettement supérieure. Les batteries fabriquées par cette union calcium/fluor devraient être moins coûteuses et plus efficaces pour stocker l’électricité issue des sources intermittentes solaires et éoliennes.
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