Potassium/ja: Difference between revisions

カリウムの[[isotope/ja|同位体]]は25種類知られているが、そのうち3種類は天然に存在する： {{chem|39|K}}(93.3%)、{{chem|40|K}}(0.0117%)、{{chem|41|K}}(6.7%)（モル分率）である。天然に存在する[[potassium-40/ja|{{chem|40|K}}]]の[[half-life/ja|半減期]]は{{val|1.250e9}}年である。[[electron capture/ja|電子捕獲]]または[[positron emission/ja|陽電子放出]]（11.2%）によって安定な[[Argon/ja|{{chem|40|Ar}}]]に崩壊するか、[[beta decay/ja|ベータ崩壊]]（88.8%）によって安定な[[calcium/ja|{{chem|40|Ca}}]]に崩壊する。{{chem|40|K}}から{{chem|40|Ar}}への崩壊は、岩石の年代測定の一般的な方法の基礎となっている。従来の[[Potassium-argon dating/ja|K-Ar年代測定法]]は、岩石が形成された時点ではアルゴンを含んでおらず、その後の放射性アルゴン（{{chem|40|Ar}}）はすべて定量的に保持されていたという仮定に依存している。[[Mineral/ja|鉱物]]の年代測定は、カリウムの濃度と蓄積された放射性{{chem|40|Ar}}の量を測定することによって行われる。年代測定に最適な鉱物には、[[:en:biotite|黒雲母]]、[[:en:muscovite|白雲母]]、[[:en:metamorphic|変成]][[:en:hornblende|角閃石]]、火山性の[[:en:feldspar|長石]]などがある。：火山流や浅い[[:en:gneous rock|貫入岩]]の[[:en:Petrography|全岩]]試料も、変化していなければ年代測定が可能である。年代測定とは別に、カリウム同位体は[[weathering/ja|風化]]の研究や、カリウムが地球上の[[life/ja|生命]]に必要な[[macronutrient (ecology)/ja|大栄養素]]であることから、[[nutrient cycling/ja|栄養塩循環]]の研究に[[radioactive tracer/ja|トレーサー]]として用いられてきた。

{{chem|40|K}}は天然のカリウム（したがっていくつかの市販の代用塩）中に十分な量含まれており、それらの代用塩の大きな袋を教室での実演のための放射源として使用することができる。{{Chem|40|K}}は[[composition of the human body/ja|人体中]]で最も存在量の多い放射性同位体である。健康な動物や人間では、{{chem|40|K}}は最大の放射能源であり、[[carbon-14/ja|{{chem|14|C}}]]よりも大きい。体重70kgの人体では、1秒間に約4,400個の{{chem|40|K}}の原子核が崩壊する。天然カリウムの放射能は31[[:en:Becquerel|Bq]]/gである。

[[Potassium nitrate/ja|硝酸カリウム]]（{{chem2|KNO3}}）または塩硝は、[[:en:guano|グアノ]]や[[:en:evaporites|エバポライト]]などの自然源から得られるか、[[:en:Haber process|ハーバー法]]によって製造される; 火薬（[[:en:black powder|黒色火薬]]）の[[oxidant/ja|酸化剤]]であり、重要な農業肥料である。[[potassium cyanide/ja|シアン化カリウム]]（KCN）は工業的には[[complex (chemistry)/ja|錯体]]を形成して[[copper/ja|銅]]や貴金属、特に[[silver/ja|銀]]や[[gold/ja|金]]を溶解するのに用いられる。その用途は、これらの[[metal/ja|金属]]の[[:en:gold mining|金採掘]]、[[:en:electroplating|電気めっき]]、[[:en:electroforming|電鋳]]などであり、[[organic synthesis/ja|有機合成]]では[[nitriles/ja|ニトリル]]を作るのにも使われる。炭酸カリウム（{{chem2|K2CO3}}またはカリ）はガラス、石鹸、カラーテレビ管、蛍光灯、繊維染料、顔料の製造に使われる。[[Potassium permanganate/ja|過マンガン酸カリウム]]（{{chem2|KMnO4}}）は酸化・漂白・精製物質であり、[[saccharin/ja|サッカリン]]の製造に使われる。[[Potassium chlorate/ja|塩素酸カリウム]]（{{chem2|KClO3}}）はマッチや爆薬に添加される。[[Potassium bromide/ja|臭化カリウム]]（KBr）は、以前は鎮静剤として、また写真撮影に使用されていた。

[[potassium chromate/ja|クロム酸カリウム]]（{{chem2|K2CrO4}}）は、[[:en:ink|インク]]、[[:en:dye|染料]]、木材の[[:en:stain|ステイン]]（木材中の[[tannic acid/ja|タンニン酸]]と反応することによって）など、多くの異なる商業製品の製造に使用されている、 また、[[:en:explosive|爆薬]]、[[:en:fireworks|花火]]、[[:en:fly paper|フライ・ペーパー]]、[[:en:safety match|安全マッチ]]、皮革の鞣しなどにも使用されるが、これらの用途はすべてカリウムイオンではなく[[chromate ion/ja|クロム酸イオン]]の化学的性質によるものである。

====ニッチな用途====

様々なカリウム化合物の用途は何千とある。その一例が[[potassium superoxide/ja|カリウム・スーパーオキシド]]、{{chem2|KO2}}であり、オレンジ色の固体で、携帯用酸素源および二酸化炭素吸収剤として機能する。気体の酸素よりも体積が少なくてすむため、[[:en:Rebreather#Rebreathers using an absorbent that releases oxygen|呼吸システム]]の鉱山、潜水艦、宇宙船などで広く使われている。

別の例としては、[[potassium cobaltinitrite/ja|コバルト亜硝酸カリウム]]、{{chem2|K3[Co(NO2)6]}}があり、これは[[:en:Aureolin|オーレオリン]]またはコバルトイエローの名で画家の顔料として使用されている。

カリウムの安定同位体は[[Laser cooling/ja|レーザー冷却]]することができ、[[:en:Quantum technology|量子物理学]]の基本的な問題や[[:en:Quantum mechanics|技術的な問題]]を探るのに使われる。2つの[[boson/ja|ボゾン]]同位体は、調整可能な相互作用を必要とする研究を可能にする便利な[[Feshbach resonance/ja|フェッシュバッハ共鳴]]を持っており、{{chem|40|K}}はアルカリ金属の中で2つしかない安定な[[fermion/ja|フェルミオン]]の1つである。

====実験室での使用====

ナトリウムとカリウムの[[alloy/ja|合金]]である[[NaK/ja|NaK]]は、[[air-free technique/ja|乾式無風溶媒]]を製造するための熱媒体や[[desiccant/ja|乾燥剤]]として使用される液体である。[[reactive distillation/ja|反応性蒸留]]にも使用できる。12%Na、47%K、41%Csの三元合金は、金属化合物の中で最も低い融点-78{{nbsp}}℃を持つ。

金属カリウムはいくつかのタイプの[[:en:magnetometer|磁力計]]に使われている。

==生物学的役割{{Anchor|Biological role}}==

{{Main/ja|Potassium in biology/ja}}

カリウムは人体において質量比で8番目か9番目に多い元素（0.2％）であり、体重60{{nbsp}}kgの成人は合計約120{{nbsp}}gのカリウムを含む。体内には硫黄や塩素と同程度のカリウムが存在し、より豊富なのはカルシウムとリンだけである（どこにでもある[[CHON/ja|CHON]]元素は例外）。

===生化学的機能===

*神経組織、筋肉組織、心臓組織における細胞膜電位の静止と活動電位の伝播。静電的および化学的特性により、{{chem2|K+}}イオンは{{chem2|Na+}}イオンよりも大きく、細胞膜のイオンチャネルとポンプは2つのイオンを区別することができ、2つのイオンの一方を積極的にポンピングするか受動的に通過させ、もう一方をブロックする。

*ホルモン分泌と作用

*血管緊張

*全身の血圧調節

*消化管運動

*酸基盤の恒常性

*グルコースおよびインシュリン新陳代謝

*ミネラルコルチコイド作用

*腎臓の集中の能力

*流動性および電解質のバランス

*局所皮質モノアミン作動性ノルエピネフリン、セロトニン、ドーパミンレベル、そしてそれらを通して睡眠と覚醒のバランス、自発的活動。

===ホメオスタシス===

====血漿レベル====

血漿カリウムは通常、複数のメカニズムにより、1リットル当たり3.5～5.5ミリモル（mmol）［またはミリ当量（mEq）］に保たれている。この範囲外の値は、複数の原因による死亡率の上昇と関連しており、血清カリウム値が正常範囲内に維持されない場合、心臓、腎臓、肺の疾患の一部はより急速に進行する。

平均40-50{{nbsp}}mmolの食事は、全血漿中（20-25{{nbsp}}mmol）に存在するよりも多くのカリウムを身体に提示する。この急増により、腎および腎外機序によってクリアランスされる前に、血漿カリウムは10％まで上昇する。

血漿中のカリウムの欠乏である[[Hypokalemia/ja|低カリウム血症]]は、重症になると致命的である。一般的な原因は、消化管喪失の増加（[[vomiting/ja|嘔吐]]、[[diarrhea/ja|下痢]]）および腎喪失の増加（[[polyuria/ja|利尿]]）である。欠乏症状としては、筋力低下、[[paralytic ileus/ja|麻痺性イレウス]]、心電図異常、反射反応低下；重症の場合は呼吸麻痺、[[alkalosis/ja|アルカローシス]]、[[cardiac arrhythmia/ja|心不整脈]]などがある。

====制御メカニズム====

# 反応性ネガティブ・フィードバック・システム、

# 反応性フィードフォワードシステム

# 予測または[[circadian/ja|概日]]システム、および

# 内部または細胞膜輸送システムである。

* 反応性ネガティブフィードバックシステムとは、血漿カリウムの上昇（カリウムの摂取、細胞外への移行、静脈内注入）に反応して、カリウムの腎分泌を誘導するシステムのことである。

* 反応性フィードフォワード系とは、血漿カリウムが上昇する前に、カリウム摂取に反応して腎カリウム分泌を誘導する、不完全に理解されている系を指す。これはおそらく、摂取されたカリウムを検出し、[[vagal/ja|迷走神経]][[afferent nerve fiber/ja|求心性]]シグナルを誘発する腸細胞のカリウム受容体によって開始される。

* 予測系または概日系は、カリウム摂取の有無や量とは無関係に、食事の時間帯（例えばヒトでは昼間、げっ歯類では夜間）にカリウムの腎分泌を増加させる。これは脳（中枢時計）の[[suprachiasmatic nucleus/ja|視交叉上核]]にある[[circadian oscillator/ja|概日発振器]]によって媒介され、腎臓（末梢時計）にこのリズムの概日法でカリウムを分泌させる。

[[File:Scheme sodium-potassium pump-ja.svg|thumb|right|upright=1.8|[[sodium-potassium pump/ja|ナトリウム-カリウムポンプ]]の作用は、一次[[active transport/ja|能動輸送]]の一例である。左側の細胞膜に埋め込まれた2つの担体タンパク質は、[[Adenosine triphosphate/ja|アデノシン三リン酸|ATP]]を使ってナトリウムを濃度勾配に逆らって細胞外に移動させている。右側の2つのタンパク質は、二次的能動輸送を使ってカリウムを細胞内に移動させている。この過程でATPが再構成される。]]

* イオン輸送系は、2つのメカニズムを用いてカリウムを細胞膜を横切って移動させる。一つは能動的で、ナトリウムを細胞外に、カリウムを細胞内に送り出す。もう1つは受動的で、カリウムを細胞外に漏出させる。カリウムとナトリウムの陽イオンは、[[osmotic/ja|浸透圧]]力によって細胞内区画と細胞外区画の間の体液分布に影響を与える。細胞膜を介したカリウムとナトリウムの移動は、[[Na⁺/K⁺-ATPase/ja|Na⁺/K⁺-ATPase]]ポンプによって媒介される。この[[Ion transporter/ja|イオンポンプ]]は、[[Adenosine triphosphate/ja|ATP]]を用いて、3つのナトリウムイオンを細胞外に、2つのカリウムイオンを細胞内に送り出し、細胞膜全体に電気化学的勾配と起電力を作り出す。非常に選択性の高い[[potassium ion channels/ja|カリウムイオンチャネル]]（[[tetramer/ja|四量体]]である）は、一例を挙げると、活動電位が引き起こされた後の[[neuron/ja|ニューロン]]内の[[Hyperpolarization (biology)/ja|過分極]]に極めて重要である。最も最近発見されたカリウムイオンチャネルはKirBac3.1であり、これで構造が決定されたカリウムイオンチャネルは全部で5つ（KcsA、KirBac1.1、KirBac3.1、KvAP、MthK）となった。5つとも[[prokaryotic/ja|原核生物]]由来のものである。

====腎濾過、再吸収、排泄====

腎におけるカリウムの取り扱いは、ナトリウムの取り扱いと密接な関係がある。カリウムは動物細胞内の主要な陽イオン（プラスイオン）であり（150{{nbsp}}mmol/L、4.8{{nbsp}}g/L）、ナトリウムは[[細胞外液]]の主要な陽イオンである（150{{nbsp}}mmol/L、3.345{{nbsp}}g/L）。腎臓では、1日に約180{{nbsp}}リットルの血漿が[[糸球体（腎臓）｜糸球体]]を通って[[腎尿細管]]に濾過される。このろ過には、約600{{nbsp}}mgのナトリウムと33{{nbsp}}mgのカリウムが含まれる。ナトリウムの1～10{{nbsp}}mgとカリウムの1～4{{nbsp}}mgだけが食事で補充される可能性が高いので、腎ろ過は残りを血漿から効率的に再吸収しなければならない。

ナトリウムは、細胞外容量、浸透圧、血清ナトリウム濃度を狭い範囲内に維持するために再吸収される。カリウムは、血清カリウム濃度を狭い範囲内に維持するために再吸収される。腎尿細管の[[Sodium pump/ja|ナトリウムポンプ]]は、ナトリウムを再吸収するために作動する。カリウムは保存されなければならないが、血漿中のカリウム量は非常に少なく、細胞内のカリウムプールはその約30倍であるため、カリウムにとってそれほど危機的な状況ではない。カリウムは、見かけ上（実際にはそうではないが）の[[Donnan equilibrium/ja|ドナン平衡]]に応じて、ナトリウムと逆流しながら受動的に移動するため、尿は、処理の最後に積極的に水分を排泄する場合を除いて、血清中のカリウム濃度以下に沈むことはない。カリウムは尿が尿細管に達するまでに2回排泄され、3回再吸収される。その時点で、尿のカリウム濃度は通常血漿とほぼ同じである。処理の最後に、血清濃度が高すぎる場合は、カリウムがもう1回分泌される。

カリウムを摂取しないと、1日あたり約200{{nbsp}}mgが排泄され、1週間ほどで血清中のカリウムは3.0～3.5{{nbsp}}mmol/Lの軽度欠乏レベルまで低下する。それでもカリウムを控えると、重度の欠乏症が最終的に死に至るまで、濃度は下がり続ける。

カリウムは細胞膜の孔を通って受動的に移動する。イオンが[[ion transporter/ja|イオントランスポーター]]（ポンプ）を通って移動するとき、ポンプには細胞膜の両側にゲートがあり、一度に開くことができるゲートは1つだけである。その結果、1秒間に約100個のイオンが押し出される。[[ion channel/ja|イオンチャネル]]にはゲートが1つしかなく、1種類のイオンしか流れない。細孔を開くにはカルシウムが必要であるが、カルシウムは細孔の少なくとも1つを塞ぐことで逆に働くこともある。アミノ酸の細孔内部のカルボニル基は、細孔内部の4つのカルボニル基の静電荷の性質によって、水溶液中で起こる水の水和を模倣している。

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===栄養===

====食事摂取基準====

[[:en:National Academy of Medicine|全米医学アカデミー]]（NAM）は、米国とカナダを代表して、推定平均所要量（EAR）と推奨食事許容量（RDA）を含む[[Dietary Reference Intake/ja|食事摂取基準]]、またはEARとRDAを設定するのに十分な情報がない場合の[[Adequate Intake/ja|適正摂取量]]（AI）を設定する。

9歳未満の男女ともに、カリウムの基準値は以下の通りである： 0～6ヵ月児にはカリウム400{{nbsp}}mg、7～12ヵ月児にはカリウム860{{nbsp}}mg、1～3歳児にはカリウム2,000{{nbsp}}mg、4～8歳児にはカリウム2,300{{nbsp}}mgである。

9歳以上の男性の場合、カリウムのAIは以下の通りである： 9～13歳の男性ではカリウム2,500{{nbsp}}mg、14～18歳の男性ではカリウム3,000{{nbsp}}mg、19歳以上の男性では3,400{{nbsp}}mgである。

9歳以上の女性の場合、カリウムのAIは2,300{{nbsp}}mgである： 9～18歳の女性ではカリウム2,300{{nbsp}}mg、19歳以上の女性ではカリウム2,600{{nbsp}}mgである。

妊娠中および授乳中の女性については、カリウムのAIは次のとおりである： さらに、14～18歳の授乳期の女性にはカリウム2,500{{nbsp}}mg、19歳以上の授乳期の女性にはカリウム2,800{{nbsp}}mgである。安全性に関しては、NAMはビタミンとミネラルについても[[tolerable upper intake level/ja|耐容上限摂取量]]（UL）を設定しているが、カリウムについてはエビデンスが不十分であったため、ULは設定されていない。

2004年現在、ほとんどのアメリカ人成人の摂取量は3,000{{nbsp}}mg未満である。

同様に、欧州連合、特にドイツとイタリアでは、カリウムの摂取不足がやや一般的である。[[:en:National Health Service|イギリス国民保健サービス]]も同様の摂取を推奨しており、成人は1日あたり3,500{{nbsp}}mgが必要であり、過剰摂取は胃痛や[[diarrhea/ja|下痢]]などの健康問題を引き起こす可能性があるとしている。

2019年、[[:en:National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine|米国科学・工学・医学アカデミー]]は、カリウムの適正摂取量を、妊娠・授乳中でない19歳以上の女性は2,600&nbsp;mg/日、19歳以上の男性は3,400&nbsp;mg/日に改定した。