Mengapa kalsium yang memberi sinyal dan bukan ion lain?
Hampir semua sel mempertahankan kalsium internalnya sekitar 100 nanomolar, sedangkan di luar ada sekitar 2 milimolar. Selisihnya sebesar sepuluh ribu kali, dan mempertahankannya menuntut energi terus-menerus.
Pengeluaran itu ada alasannya. Sebuah sinyal berguna jika perubahannya besar dan cepat. Dengan gradien setajam itu, membuka satu saluran selama beberapa milidetik melipatgandakan seratus kali kadar internal di sekitar saluran tersebut. Menutupnya dan memompa kalsium kembali mengembalikan sistemnya ke keadaan istirahat dengan kecepatan yang sama.
Tidak ada ion melimpah lain yang menawarkan itu. Natrium dan kalium berkadar terlalu tinggi di dalam maupun di luar sehingga aliran kecil tidak mengubah apa-apa secara berarti. Magnesium mengikat protein dengan kekhususan yang lebih rendah.
Kalsium juga memiliki geometri koordinasi yang lentur: ia menerima enam sampai delapan ligan dengan jarak beragam, yang memungkinkan protein merancang tempat yang menangkapnya dengan afinitas tinggi dan melepasnya sesuai perintah.
Dalam otot, kalsium yang dilepas dari retikulum sarkoplasma mengikat troponin C. Perubahan bentuknya menggeser tropomiosin dan membuka tempat pada aktin tempat miosin mengait. Kontraksi adalah akibat langsungnya.
Pada sinapsis, kedatangan impuls membuka saluran kalsium dan masuknya kalsium memicu peleburan vesikel neurotransmiter dengan membran. Tanpa kalsium tidak ada penerusan saraf.
Dalam pembekuan darah, kalsium adalah faktor IV dan ikut serta dalam beberapa tahap kaskadenya. Tabung analisis bersitrat berhasil karena sitrat menyita kalsium dan menghentikan pembekuan.
Bagaimana kalsium berada dalam tulang?
Sebagai hidroksiapatit, kalsium fosfat berumus kira-kira Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.
Tulang bukan bongkahan mineral. Ia bahan komposit: serat kolagen, yang memberi keuletan dan ketahanan tarik, dengan kristal hidroksiapatit yang mengendap di antaranya, yang memberi kekakuan dan ketahanan tekan.
Perumpamaan yang lazim adalah beton bertulang, dengan kolagen berperan sebagai baja dan mineralnya sebagai beton. Tidak satu pun dari keduanya berguna sendirian: kolagen saja akan lentur dan mineral saja akan getas.
Orang dewasa mengandung sekitar satu kilogram kalsium, dan 99 % ada dalam kerangka dan gigi. Sisa 1 % itulah yang beredar dan memberi sinyal, dan kadarnya dalam darah diatur dengan ketelitian yang mencolok.
Pengaturan itu berprioritas di atas tulang. Jika kalsium darah turun, hormon paratiroid memobilisasi kalsium dari kerangka untuk memulihkannya. Tulang berperan sebagai cadangan, dan kekurangan asupan yang berkepanjangan dibayar dengan kepadatan tulang.
Email gigi juga hidroksiapatit, tetapi dengan sangat sedikit bahan organik dan kristal yang jauh lebih besar; karena itu ia jaringan terkeras dalam tubuh dan sekaligus tidak dapat pulih.
Apa kaitan gua, kerak keran, dan pegunungan?
Satu reaksi, dalam satu arah atau arah sebaliknya.
Kalsium karbonat tidak larut dalam air murni. Namun air hujan melarutkan karbon dioksida dari udara dan menjadi sedikit asam, dan dalam kondisi itu batu kapur memang larut:
CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca(HCO₃)₂Kalsium bikarbonat larut. Air yang bermuatan zat itu mengalir lewat celah dan terus melebarkannya: begitulah gua karst terbentuk, dan bentang alam seperti Guilin atau Maros.
Ketika air itu sampai ke sebuah rongga dan melepaskan sebagian CO₂-nya, kesetimbangannya berbalik dan kalsium karbonat mengendap kembali. Tetes demi tetes terbangunlah stalaktit dan stalagmit, dengan laju beberapa persepuluh milimeter per tahun.
Persis hal yang sama terjadi dalam cerek. Memanaskan air mengusir CO₂ terlarutnya, kesetimbangannya bergeser, dan keraknya mengendap pada elemen pemanas. Karena itu ia disebut kesadahan sementara: mendidihkan airnya menghilangkannya, dengan mengendapkannya.
Dan batu kapur itu sendiri adalah kalsium karbonat yang menumpuk selama jutaan tahun dari cangkang dan kerangka organisme laut. Pegunungan Alpen memuat dasar laut purba yang terangkat; marmer adalah batu kapur yang mengkristal ulang oleh tekanan dan suhu.
Bagaimana batu kapur menjadi semen?
Dengan mengalsinasinya dan menghidrasinya kembali, dengan satu tahap antara yang menentukan.
Memanaskan kalsium karbonat di atas sekitar 900 °C menguraikannya menjadi kapur tohor dan karbon dioksida:
CaCO₃ → CaO + CO₂Kapur tohor yang dicampur air menjadi kapur padam, yang mengeras perlahan dengan menyerap kembali CO₂ dari udara dan kembali menjadi karbonat. Itulah adukan kapur, yang dipakai sejak zaman kuno.
Semen Portland melangkah lebih jauh. Batu kapur dikalsinasi bersama lempung pada sekitar 1 450 °C, dan reaksinya menghasilkan silikat dan aluminat kalsium dalam bentuk butiran yang disebut klinker. Digiling dan dicampur gips, itulah semen.
Ketika air ditambahkan, silikat itu terhidrasi dan membentuk jaringan kristal berserat saling jalin yang memerangkap air sisanya. Prosesnya disebut pengikatan dan bukan pengeringan: semen mengeras di bawah air, dan mematangkannya menuntut menjaganya tetap lembap.
⚠️ Produksi semen mengemisikan sekitar 7 % CO₂ dunia. Kira-kira separuhnya berasal dari bahan bakar yang diperlukan untuk mencapai 1 450 °C, dan separuh lainnya dari CO₂ yang dilepas batu kapur itu sendiri saat terurai. Separuh yang kedua itu tidak hilang dengan mengganti sumber energi, dan itulah yang menyulitkan dekarbonisasi beton.
Bagaimana kalsium logam diperoleh?
Lewat elektrolisis kalsium klorida cair, atau lewat reduksi oksidanya dengan aluminium dalam vakum.
Permintaannya kecil. Kalsium logam dipakai sebagai deoksidan dalam metalurgi, sebagai pereduksi untuk memperoleh logam seperti uranium atau torium, dan dalam paduan timbal untuk aki.
Yang diproduksi dalam skala besar adalah senyawanya. Batu kapur adalah bahan baku semen, kaca, dan baja, tempat ia berperan sebagai fluks yang membuang pengotor. Gips, kalsium sulfat, dipakai dalam konstruksi dan dalam plester. Kalsium karbida, yang diperoleh dari kapur dan arang, menghasilkan asetilena dengan air dan menjadi dasar penerangan lampu penambang.
Kalsium logam bersifat lunak, keperakan, dan cepat teroksidasi di udara, meski jauh kurang hebat dibanding logam alkali. Ia terbakar dengan nyala merah jingga, yang membuatnya dikenali dalam uji nyala dan berguna dalam kembang api.