Обмен кальция и фосфора в организме и его нарушения. Хроническая болезнь почек, фософорно-кальциевый обмен и альфакальцидиол Снижение кальция и фосфора в
Пищевые источники кальция и фосфора
Рекомендуемый минимум суточного потребления кальция для взрослого человека - 700 мг. В продуктах питания, входящих в ежедневный рацион питания людей, проживающих в развитых странах, содержится примерно 1000 мг кальция. Основными источниками кальция среди пищевых продуктов являются молоко и молочные продукты.
Кальций также содержится в бобах, орехах, овощах, зелени. Муку и некоторые продукты питания могут искусственно обогащать кальцием. В некоторых местах большое количества кальция содержится в водопроводной воде.
В кишечнике (в основном в двенадцатиперстной кишке) кальций усваивается менее чем на 50% - остальное выводится с фекалиями. Регуляция уровня кальция в организме происходит за счет эндокринной системы - гормоны контролируют кальциевый обмен, тем самым обеспечивая необходимый баланс между поступлением кальция в организм и его усвоением.
Фосфор содержится в большинстве продуктов питания. Ежедневное поступление этого элемента с пищей составляет примерно 100 мг. Высокое содержание фосфора в мясе и молочных продуктах.
Распределение кальция и фосфора в организме
Среднее содержание кальция(Ca) в организме здорового человека - 1 кг; фосфора (P) - 600 г (фосфор содержится в организме в виде оксида - PO 4). Примерно 99% кальция и 85% фосфата содержится в костной ткани. Оба этих элемента в костной ткани входят в состав гидрооксиапатита - Ca 10 (PO 4) 6 OH 2 . Кристаллы гидрооксиапатита и белок коллаген - основные структурные элементы костей и зубов. Около 65% массы костной ткани составляют кальций и фосфор. Менее 1% кальция, который находится в костной ткани, участвует в обмене с кальцием крови. Таким образом организм имеет возможность выводить этот элемент из костей в кровь, если его уровень в костной ткани выше необходимого, а также обеспечить обратный транспорт кальция, если его концентрация в крови понижена.
Примерно 8,7 ммоль (350 мг) кальция циркулирует в крови. В норме его концентрация составляет около 2,5 ммоль/л. Половина циркулирующего в крови кальция вступает в связь с альбумином (белком), а несвязанный с белком кальций находится в ионизированной (свободной) форме - Ca 2+ (или Ca ++).
Кальций ионизированный - очень маленькая часть общего пула кальция в организме, содержащаяся в каждой клетке организма, играет жизненно важную роль. Именно свободная фракция кальция (Ca ++) физиологически активна. Значение уровня содержания кальция в клетках выражается в нмоль/л - это 1/1000 от уровня содержания в плазме крови.
Около 15% фосфатов не содержится в костях - они распределены между внеклеточным пространством и клетками (в том числе и кровь). Примерно 1% общего пула фосфатов в организме содержится в плазме крови (средний уровень содержания фосфора в крови - 1 ммоль/л).
Функции кальция и фосфата
Кальций и фосфаты являются основными компонентами костей и зубов. Ионизированный кальций, который циркулирует в плазме крови, является кофактором (кофактор - небелковое соединение, выполняющие роль активного центра, необходимого белку для выполнения его биологической функции ).
Благодаря ионизированному кальцию ферменты, участвующие в процессе свертывания крови, могут выполнять свою функцию. Кроме этого, ионизированная форма этого элемента выступает в роли источника кальция, необходимого для функционирования разных процессов, происходящих на клеточном уровне, например, сокращение миокарда (мышцы сердца), гладкой мускулатуры и скелетных мышц, нервно-мышечной передачи, электрического проведения нервных импульсов и др. Процессы регуляции процессов воздействия разных гормонов на клетки-мишени также проходят при участии кальция, который является неотъемлемым компонентом для их осуществления. То есть, эффективность действия гормонов зависит непосредственно от уровня ионизированного кальция. Очень мало физиологических процессов в организме человека могут осуществляться без хотя бы минимального количества ионов кальция внутри клетки.
Фосфаты входят в состав основных биологически активных молекул: фосфолипидов (структурных компонентов всех клеточных мембран), ДНК и РНК (нуклеиновых кислот) и других интермедиатов (промежуточных веществ с коротким промежутком существования, образующихся при разных химических реакциях и потом реагирующих далее до конечных продуктов химической реакции), в том числе АТФ (адезинтрифосфат) - основной источник клеточной энергии. Неорганический фосфат, который не входит в состав более крупных органических молекул, в крови и моче выступает в роли буфера, участвуя в процессе регуляции кислотно-щелочного баланса (pH) крови.
От поддержания уровня кальция и фосфата в довольно узких пределах зависят многие функции, выполняемые этими химическими элементами. Ниже мы рассмотрим механизмы, отвечающие за регуляцию уровня кальция в плазме крови. Отметим, что нарушение механизмов регуляции часто приводит к патологическим изменениям содержания кальция и фосфата.
Физиологический контроль уровня кальция в плазме
Уровень кальция в плазме крови помогает оценить баланс между поступлением этого элемента с пищей с последующим усвоением в желудочно-кишечном тракте и выведением его из организма с мочой. Также кальций циркулирует между плазмой и костной тканью. Транспорт кальция и степень его концентрации в крови контролируют два гормона - паратгормон (ПТГ, паратиреоидный гормон) и кальцитриол (производное витамина D). Паратгормон и кальцитриол также регулируют концентрация фосфата в плазме крови.
Паратгормон. Источник, секреция и действие
Паратгормон вырабатывается в паращитовидных железах (крошечные железы, расположенные возле щитовидной железы) и отвечает за регуляцию уровня кальция в крови. Паращитовидные железы состоят их клеток, которые очень чувствительны к концентрации ионизированного кальция в крови, поступающей к железам. Снижение концентрации кальция в крови способствует стимуляции паращитовидных желез и, как следствие, к повышению выработки паратгормона (см рисунок 1).
Рисунок 1. Действие паратгормона. Регуляция уровня кальция в плазме крови
Пратгормон с током крови поступает к органам мишеням - костям и почкам. В результате происходит высвобождение кальция из костной ткани и снижение уровня его выведения (экскреции) из организма почками с мочой. В случае повышения концентрации кальция в плазме, выработка паратгормона снижается. Таким образом восстанавливается нормальная концентрация кальция в крови.
Паратгормон также участвует в регуляции концентрации фосфата в крови. Действие паратгормона на почки усиливает экскрецию фосфата с мочой, что приводит к снижению концентрации его уровня в плазме. Таким образом, конечный результат действия паратгормона - повышение уровня кальция и снижение уровня фосфата в плазме.
Кальцитриол. Источник, секреция и действие
Кальцитриол (1,25-дигидроксихолекальциферол) - производное витамина D; гормон секостероидной структуры, высвобождаемый почками, который отвечающий за регуляцию концентрации кальция в плазме. Витамин D может поступать в организм с пищей и синтезироваться под действием ультрафиолетового излучения в коже из 7-дегидроксихолестерина (холестериноподобного компонента). В независимости от источника поступления, витамин D в ходе двухступенчатого процесса превращается в кальцитриол (рисунок 2).
Рисунок 2. Процесс преобразования витамина D в кальцитриол
Первая реакция преобразования витамина D происходит в печени путем гидроокислирования, что приводит к образованию кальцидиола. Затем кальцидиол вступает в связь с витамин D-связывающим белком и транспортируется в почки, где происходит вторая реакция, в результате которой образуется кальцитриол - активная форма витамина D. Паратгормон контролирует поступление кальцитриола из почек в кровь.
При снижении концентрации кальция в крови, уровень паратгормона увеличивается, что также приводит к повышению секреции кальцитриола. Процесс повышения уровня образования кальцитриола, как и образования паратгормона, активируется при снижении концентрации ионизированного кальция в плазме, А при высоком уровне концентрации ионизированного кальция в крови или фосфата, процесс секреции этих двух гормонов замедляется (ингибируется).
Основное действие кальцитриола направлено на регуляцию функции желудочно-кишечного тракта - гомон стимулирует процесс усвоения кальция и фосфора, поступающих в организм с питанием. Эффект кальцитриола - повышение концентрации кальция и фосфата в крови. Как и паратгормон, кальцитриол отвечает за регуляцию физиологического баланса концентрации кальция и фосфата в плазме крови.
Поддержание физиологической концентрации кальция и фосфора в крови зависит от следующих факторов:
- Рацион питания , который должен включать продукты с необходимым содержанием кальция, фосфора и витамина D
- Полноценная функция желудочно-кишечного тракта , благодаря чему происходит усвоение организмом этих нутриентов
- Инсоляция (действие ультрафиолетового излучения на кожу). Для адекватного эндогенного синтеза витамина D, человек должен принимать солнечные ванны
- Секреция паратгормона , которая зависит от полноценной функции паращитовидных желез
- Функция печени и почек, в которых витамин D преобразуется в кальцитриол
- Здоровье почек , в которых происходит не только выработка кальцитриола, но и процесс экскреции кальция и фосфата с мочой
- Процесс метаболизма (обмена) костной ткани , позволяющий поддерживать необходимый обмен кальция и фосфата между костной тканью и кровью
Отметим, что для поддержания процесса жизнедеятельности организма определенная концентрация ионизированного кальция в крови гораздо важнее, чем в костной ткани. Поэтому, при ограничении запасов кальция, организм, чтобы обеспечить необходимую концентрацию ионов кальция в плазме, жертвует минерализацией костей.
В организме взрослого человека содержится около 1,2 кг кальция. Соли кальция образуют минеральный компонент костей (99% всего кальция организма, 87% фосфора). Кальций в костях находится в форме минерала гидроксиапатита Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 . Кальций присутствует в организме также в виде ионов Са 2+ , растворенных в жидкостях или соединенных с белками жидкостей и тканей. Между этими двумя фондами происходит постоянный обмен кальцием.
Ионы Са 2+ являются кофакторами многих ферментов, вместе с белками-модуляторами служат посредником в передаче сигналов. Кальций участвует в секреции, оплодотворении, мембранной проницаемости, свертывании крови, мышечном сокращении.
В среднем взрослый мужчина потребляет 900-1000 мг кальция в день, взрослая женщина - 600-700 мг, из которых в пищеварительном тракте всасывается до 20-40 %. Значительная часть попавшего с пищей кальция проходит через кишечник и покидает организм вместе с калом. Элиминация кальция из организма происходит преимущественно с мочой. В норме в организме сохраняется устойчивое равновесие кальция.
Всасывание кальция в кишечнике осуществляется за счет активного транспорта против электрохимического градиента, за счет пассивной диффузии. Через клеточную мембрану кальций переносится при помощи зависимого от витамина Д кальцийсвязывающего белка (КСБ). Всасывание кальция в кишечнике в норме определяется не его поступлением с пищей, а гормональной регуляцией системы активного транспорта. Почки участвуют в обмене кальция посредством фильтрации и реабсорбции.
Обмен кальция тесно связан с обменом фосфорной кислоты, образующей с кальцием плохо растворимые соли: фосфат, гидрофосфат, дигидрофосфат.
Общий фосфат взрослого мужчины массой 70 кг составляет около 700 г, из которых ~ 85% находится в костях и зубах, ~ 14% содержится внутри клеток в органической форме как компонент АТФ и фосфолипидов. Во внеклеточных жидкостях фосфат находится в форме фосфолипидов (около 70%) и неорганического фосфата. В плазме крови фосфаты представлены в виде свободных ионов (80%) либо связаны с белками. Одной из основных функций неорганического фосфата в организме является буферная функция.
Средний статистически взрослый человек ежедневно потребляет 800-1200 мг фосфора, из которых около 80% абсорбируется в кишечнике, и такое же количество экскретируется почками. Основные механизмы транспорта фосфатов в кишечнике: активный натрий-зависимый транспорт; пассивный транспорт по градиенту концентрации. Степень адаптации всасывания фосфатов в кишечнике к изменению потребления фосфатов мала, и поэтому кишечник играет небольшую роль в гомеостазе фосфатов.
Почки играют главную роль в гомеостатической регуляции баланса фосфатов во всем организме. Поступление фосфата в клетку проксимального канальца осуществляется посредством Na/P i - котранспортеров.
Фосфат может связывать свободный ионизированный кальций; поэтому, если уровень плазменного неорганического фосфата увеличивается, содержание кальция уменьшается.
Концентрация ионов Са 2+ в межклеточной жидкости и крови равна 9-11 мг/дл. Половина из них – ионы Са 2+ в растворенном состоянии, другая половина – в соединении с альбумином. Во внутриклеточной жидкости концентрация кальция в тысячи раз меньше. Разность концентраций создается главным образом Са-АТФазой при участии системы ионных каналов. Концентрация Са 2+ в крови и межклеточной жидкости регулируется гормонами, в основном паратгормоном, кальцитонином и кальцитриолом.
Паратгормон – это пептидный гормон, образующийся в паращитовидных железах. Содержит 84 аминокислотных остатка. Биологическая активность паратгормона (ПТГ) определяется только первыми 32-34 аминокислотами (считая от N-окончания пептида). Это наиболее важный регулятор гомеостаза кальция.
Основными органами-мишенями пapaтгормона являются кости и почки. Мембраны клеток этих органов содержат специфические рецепторы паратгормона. ПТГ-рецепторы обнаружены также в легких, сердечно-сосудистой системе, коже, эритроцитах и т.д.
Выявлены 2 основных механизма действия паратгормона: активация системы аденилатциклаза - циклический АМФ - протеинкиназа А и системы фосфатидилинозитол - протеинкиназа С.
В костях активация аденилатциклазы стимулирует метаболическую активность остеокластов, начинается резорбция кости и поступление Са 2+ и фосфатов в кровь. В почках паратгормон увеличивает реабсорбцию Са 2+ и увеличивает экскрецию почечных фосфатов. ПТГ также стимулирует экспрессию генов и увеличивает производство нескольких местных белковых факторов и простагландинов.
Синтез и секреция ПТГ стимулируются при снижении концентрации Са 2+ в крови. Восстановление нормальной концентрации Са 2+ в крови приводит к прекращению синтеза и секреции гормона. В паратиреоидных клетках обнаружены специфические кальциевые рецепторы. Они обеспечивают чувствительность паращитовидных желез к изменениям сывороточной концентрации кальция, что ведет к изменениям секреции ПТГ. В почках Са-рецептор является важным регулятором экскреции кальция с мочой.
Витамин D 3 является предшественником вещества, функционирующего как стероидный гормон – кальцитриола . Образование кальцитриола стимулируется преимущественно ПТГ и гипофосфатемией. Превращение витамина D в кальцитриол происходит с участием печени и почек. Специфические гидроксилазы, которые катализируют эти реакции, активируются паратгормоном.
Синтезированный в почках 1,25(OH) 2 D 3 витамин D-связывающим белком переносится к клеткам-мишеням, где реагирует с ядерным рецептором. Органы-мишени кальцитриола – тонкий кишечник и кости. В тонком кишечнике гормон стимулирует всасывание кальция и фосфатов, в костях – мобилизацию кальция. Кальцитриол активирует гены, контролирующие синтез определенных белков, например, кальцийсвязывающего белка, участвующего во всасывании кальция. Кальцитриол может также стимулировать реабсорбцию кальция (и фосфата) в канальцах почек.
Т. о., паратгормон и витамин D 3 - синергисты в отношении мобилизации кальция из костей и повышения его концентрации в крови.
При недостатке витамина D у детей развивается рахит . Происходит снижение поступления кальция в кровь, нарушение минерализации растущих костей. Недостаточное обызвествление кости приводит к различным деформациям скелета – искривление голеней, «четки» на ребрах, «птичья грудь» и др. Рахит обычно излечивается витамином D. Однако есть формы рахита, связанные с нарушением превращения витамина D 3 в организме в кальцитриол. В данном случае введение витамина D неэффективно.
Продолжительное поступление избыточного количества витамина D (в несколько раз больше нормы) приводит к деминерализации костей, к повышению концентрации кальция в крови. Параллельно интенсивно всасывается кальций из кишечника – это приводит к общей гиперкальциемии, отложению кальция в мягких тканях, образованию камней в мочевых путях.
Кальцитонин – пептидный гормон, синтезирующийся в С-клетках паращитовидных и щитовидной желез. Содержит 32 аминокислотных остатка. Секреция кальцитонина (КТ) увеличивается при возрастании содержания кальция в крови. Эффекты КТ обусловлены его воздействием на специфические кальцитониновые рецепторы и противоположны эффектам ПТГ. Основной орган-мишень для кальцитонина - кости, где он подавляет мобилизацию кальция. КТ снижает концентрацию Са в сыворотке. Общий вклад кальцитонина в гомеостаз кальция очень мал по сравнению с ролью ПТГ и витамина D.
Другие системные гормоны также оказывают влияние на скелет, особенно соматотропин, глюкокортикоиды, гормоны щитовидной железы и половые гормоны. Некоторые факторы имеют местные эффекты, например, простагландины, цитокины.
Изменение концентрации кальция во внеклеточной жидкости приводит к изменению его концентрации внутри клеток. В результате изменяются трансмембранные градиенты концентраций Са 2+ , нарушается функционирование кальциевого насоса, кальций-зависимых ферментов, ряда регуляторных систем.
Гипокальциемия – понижение содержания кальция в крови. Она может быть следствием нарушения всасывания кальция в кишечнике, например, при гиповитаминозе D, при высоком содержании в пище соединений, связывающих кальций (например, оксалата). Тяжелая гипокальциемия встречается редко. Наиболее частая ее причина – гипопаратиреоз, вызванный повреждением паращитовидных желез при операциях на щитовидной железе.
При гипокальциемии наблюдаются судороги, гиперрефлексы, спазмы гортани вследствие снижения порога возбуждения нервных и мышечных клеток.
Гиперкальциемия – повышение содержания кальция в крови. Чаще всего ее причиной бывает гиперпаратиреоз как результат опухоли паращитовидных желез; передозировка витамина D.
Характерные симптомы гиперкальциемии – кальцификация мягких тканей и образование камней в мочевых путях. Снижается нервно-мышечная возбудимость; наступает расстройство нервных функций – психозы, ступор и даже кома.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте метаболизм кальция и фосфора в организме.
2. Какие гормоны участвуют в регуляции фосфорно-кальциевого обмена?
3. Какой вид рецепции преобладает у гормонов, регулирующих фосфорно-кальциевой обмен?
4. Как происходит превращение витамина D в кальцитриол?
5. Перечислите симптомы, наблюдающиеся при гипо- и гиперкальциемии.
6. Что может быть причиной изменения концентрации кальция в крови?
7. Какие органы играют важную роль в метаболизме кальция и фосфора?
БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
Костная ткань – разновидность соединительной ткани, характеризующаеся большой твердостью и механической прочностью. Костная ткань, как и другие виды соединительной ткани, состоит из клеток и внеклеточного вещества. Внеклеточное вещество в своей основе содержит органическую матрицу, структурированную минеральной фазой. Костная ткань образует костные пластинки. В зависимости от плотности и расположения пластинок различают компактное и губчатое костное вещество. В костной ткани представлены три основных вида клеток – остеобласты, остеокласты и остеоциты.
Остеобласт –клетка костной ткани, участвующая в образовании межклеточного вещества. В остеобластах присутствуют мощный аппарат белкового синтеза и сильно развитый эндоплазматический ретикулум. В остеобластах синтезируются органические вещества костного матрикса - проколлаген, гликозаминогликаны, белковые компоненты протеогликанов, ферменты и др.
Остеоцит – зрелая отростчатая клетка костной ткани, обеспечивающая целостность костного матрикса, участвующая в регуляции его гомеостаза и вырабатывающая некоторые компоненты межклеточного вещества. Остеоциты образуются из остеобластов при формировании костной ткани.
Остеокласт – гигантская многоядерная клетка костной ткани, осуществляющая резорбцию костной ткани: рассасывание межклеточного вещества, деминерализацию хрящей и т.д. В остеокластах содержится много лизосом и митохондрий. Но у них слабо развит эндоплазматический ретикулум и имеется небольшое число рибосом, следовательно, синтез РНК и осуществляется незначительно.
Лабораторная диагностика нарушений фосфорно-кальциевого обмена
Фосфорно-кальциевым обменом называется регуляция баланса в организме таких жизненно важных элементов как кальций и фосфор с помощью биохимических реакций. 98% кальция и 83% фосфора содержит костная ткань скелета человека, в циркулирующей крови находится остальное количество. В поддерживании равновесия этих веществ в человеческом организме принимают участие:
- кальциферол (витамин Д3 ), препятствующий выведению фосфора и кальция почками и активирующий синтез кальмодулина (кальций-связывающего белка) в кишечнике, который ускоряет всасывание кальция;
- паратиреоидный гормон (секреция паращитовидных желез), который регулирует синтез кальциферола в почках, способствует активной абсорбции кальция в пищеварительном тракте, привлекает кальций и фосфор из костной ткани, усиливает обратное всасывание кальция и образование в почках фосфора;
- тиреокальцитонин (гормон С-клеток щитовидной железы), контролирующий переход кальция из кровотока в остеоциты, способствующий минерализации костной ткани и обратному всасыванию фосфора в почечных канальцах;
- кислотно-щелочной баланс пищеварительного тракта : кислая среда способствует всасыванию ионов кальция, щелочная - препятствует.
Нарушения фосфорно-кальциевого обмена
Типовыми нарушениями баланса кальция и фосфора считают:
1. Гиперкальциемию (концентрацию в крови кальция >3,1 ммоль/л), способствующей формированию камней в мочевом пузыре и почках, снижению возбудимости нервных и мышечных волокон. Проявляется жаждой, запорами, задержкой роста, артериальной гипертензией, усилением сегментарных рефлексов. Развитию патологического состояния способствуют:
- гиперфункция паращитовидных желез;
- язвенная болезнь желудка;
- избыток витамина Д;
- гипертиреоз;
- синдром гиперкортицизма;
- злокачественные новообразования;
- чрезмерное употребление молочных продуктов;
- щелочная диета.
- гипофункции паращитовидных желез;
- повышения секреции тиреокальцитонина;
- снижения всасывания кальция в тонкой кишке;
- инфузионной терапии.
4. Гиперфосфатемию (фосфор >1,44 ммоль/л), возникающую при уменьшении фосфатов вследствие гипофункции ПЖ, поражение почечных клубочков.
При нарушениях баланса кальция
и фосфора
человеческий организм «включает» компенсаторные биологические механизмы, которые направлены на нормализацию минерального равновесия: в циркулирующую кровь элементы поступают сначала из пассивной составляющей опорно-двигательной системы (осевого скелета), а затем из остальной костной ткани. Это состояние приводит к остеопатической дисфункции.
Диагностика фосфорно-кальциевого дисбаланса
Фосфорно-кальциевый дисбаланс в человеческом организме сопровождается развитием патологического состояния - остеопороза, которое характеризуется перестройкой микроструктур остеоцитов и снижением массы костной ткани, приводящих к повышению ломкости костей. В ряде случаев процесс протекает без характерных клинических признаков и первым проявлением патологии являются болевые ощущения в костях и переломы. Задачи клинико-лабораторной диагностики заключаются в:
- выявлении наличия хронического системного заболевания костной ткани;
- определении причин его возникновения;
- оценивания метаболической активности;
- предупреждении развития осложнений.
- Щелочной фосфатазы - маркера активности клеток костной ткани.
- Фосфатазы кислой - фермента, ускоряющего распад молекул фосфорной кислоты.
- Остеокальцина (костного глутаминового белка) - маркера формирования остеобластов.
- N-терминального пропептида проколлагена I типа - маркера формирования костной матрикса.
- Кальций-регулирующих гормонов.
- Пиридинолина и деоксипиридинолина - производных поперечных коллагеновых волокон, показателя костного метаболизма.
В организме взрослого человека содержится около1,5 кг кальция и более 1 кг фосфора. Это 2 его главных минеральных компонента. Из данного количества 98% кальция и 85% фосфора связано в костях и зубах. Другой фонд - ионы кальция, растворенные в жидкостях или соединенные с белками жидкостей и тканей. Концентрация кальция внутри клеток зависит от его концентрации во внеклеточной жиидкости.
Пределы колебаний концентрации Са2+ в крови здоровых людей 2,12-2,6 ммоль/л (9-11 мг/дл). Многие процессы в организме регулируются кальцием, при участии специфически распознающих его белков (кальмодулина, кальэлектринов, кальпаинов и т.д.). От кальция зависит генерация потенциалов действия и электромеханическое сопряжение, передача гормонального сигнала и клеточная локомоция. Кальций регулирует и скорость жизненно важных внеклеточных процессов - например, свёртывания крови. Избыток кальция может вызывать нарушение этих процессов, апоптоз или гибель клеток.
С пищей поступает от 0.6 до 1 г кальция (норма – не менее 0.6 г). Кальций плохо всасывается в ЖКТ, выводится почками (до 0.3 г в сутки) и потовыми железами (до 0.1 г в сутки). В плазме 40% кальция связано с альбумином (связанная форма), 15% - с кислыми органическими анионами. Остальное количество – свободная форма.
Уровень ионизированного кальция в плазме регулируется взаимодействующими гормонами паратиреокринином и кальцитонином, а также витамином D. Под их контролем, приблизительно 0,5 г кальция в сутки у взрослого индивида обменивается между скелетом и плазмой крови.
Метаболизм кальция в организме тесно переплетён с обменом фосфатов, связывающих большую часть внеклеточного кальция в виде кристаллов гидроксиапатита в композитных минерализованных структурах - костях.
Фосфор абсорбируется в ЖКТ очень активно. С пищей, в среднем, в день поступает около 1,2 г фосфора. Для диагностики нарушений фосфорно-кальциевого обмена, концентрации фосфора в крови, следует определять натощак, так как, в отличие от уровня кальция, они растут после еды.
В тощей кишке всасывается до 90% суточного потребления фосфатов. Почки экскретируют 15% фильтрующихся фосфатов с мочой, в равновесном с поступлением этих ионов режиме. Фосфат может активно секретироваться в канальцах. Реабсорбция фосфата происходит на 9/10 - в проксимальных канальцах, а на 1/10 - в более дистальных частях нефрона.
В дополнение к 85% фосфора, депонированным в костях и зубах, мягкие ткани содержат существенную часть связанного фосфора и фосфат-аниона (до 14%). Всего 1% фосфора находится во внеклеточной жидкости. Макроэргические фосфатные соединения и фосфорилированные активные метаболиты в норме не могут свободно покидать клетки. Поэтому, только 12% фосфатов плазмы связано с белками, остальные представлены свободными фосфат-анионами. Уровень фосфора в плазме зависит от факторов, регулирующих обмен кальция.
Процессы депонирования кальция и фосфора в костях и их абсорбции/экскреции в кишечнике и почках взаимно сбалансированы так, что концентрация этих ионов в крови изменяется в весьма узких пределах. 1
Концентрация Са2+ в плазме регулируется с высокой точностью; изменение ее всего на 1% приводит в действие гомеостатические механизмы, восстанавливающие равновесие. Основными регуляторами обмена Са2+ в крови являются паратгормон, кальцитриол и кальцитонин.
Паратгормон (ПТГ) синтезируется в виде предшественника - препрогормона, содержащего 115 аминокислотных остатков. Во время переноса в секреторные пузырьки (везикулы) препрогормон превращается в зрелый гормон, включающий 84 аминокислотных остатка. Интактный ПТГ может расщепляться на короткие пептиды. N-концевые пептиды, содержащие 34 аминокислотных остатка, обладают полной биологической активностью и секретируются железами наряду со зрелым ПТГ. Скорость распада гормона уменьшается при низкой концентрации ионов кальция и увеличивается, если концентрация ионов кальция высока.
Секреция ПТГ регулируется уровнем ионов кальция в плазме: гормон секретируется в ответ на снижение концентрации кальция в крови.
Органами-мишенями для ПТГ являются кости и почки, а также кишечник (опосредованное действие). В клетках почек и кости локализованы специфические рецепторы, которые взаимодействуют с паратгормоном, в результате чего инициируется каскад событий, связанный с аденилатциклазой.
ПТГ восстанавливает нормальный уровень ионов кальция во внеклеточной жидкости путем как прямого воздействия на кости (активация аденилатциклазы стимулирует метаболическую активность остеокластов, в результате чего происходит мобилизация Са2+ из кости (рис. 1) и поступление фосфатов в кровь и почки (стимулирует реабсорбцию Са2+ дистальными канальцами почек;, так и опосредованного (через стимуляцию синтеза кальцитриола) воздействия на слизистую оболочку кишечника, увеличивая в этом случае эффективность всасывания Са2+ в кишечнике. В почках ПТГ также уменьшает реабсорбцию фосфатов.
Рисунок 7
Эффекты действия ПТГ. 1 - ПТГ стимулирует мобилизацию кальция из кости; 2 -| стимулирует реабсорбцию ионов кальция в дистальных канальцах почек; 3 - ПТГ активирует образование 1,25(ОН) 2 D3 в почках, что приводит к стимуляции всасывания Са2+ в кишечнике МКЖ - межклеточная жидкость.
Кальцитриол, как и другие стероидные гормоны, синтезируется из холестерина. Непосредственным предшественником кальциферола является холекальциферол (витамин D3). Небольшое количество витамина D3 содержится в продуктах питания, но большая часть витамина, используемого в синтезе кальцитриола, образуется в коже из 7-дегидрохолестерола в ходе неферментативной реакции под действием ультрафиолетового света. Образование кальцитриола начинается в печени и заканчивается в почках (рис. 7).
В печени холекальциферол гидроксилируется по 25 -му атому углерода с образованием 25-гидроксихолекальциферола.
Гидроксилирование, протекающее в почках, является скорость лимитирующей стадией. Именно 1,25(ОН) 2 D3 представляет собой активную форму витамина D3. Эта реакция стимулируется низкой концентрацией ионов Са2+ в крови и паратгормоном. Повышение уровня кальцитриола тормозит 1a - гидроксилазу почек.
Рисунок 8
Кальцитриол, подобно другим стероидным гормонам, связываясь с внутриклеточным рецептором, взаимодействует с хроматином, изменяет скорость синтеза определенных белков. В результате стимулируются всасывание кальция и фосфатов в кишечнике и мобилизация кальция из кости.
Кальцитонин - полипептид, состоящий из 32 аминокислотных остатков с одной дисульфидной связью. Гормон секретируется парафолликулярными К-клетками щитовидной железы или С-клетками паращитовидной железы в виде высокомолекулярного белка- предшественника. Секреция кальцитонина возрастает при увеличении концентрации Са2+ и уменьшается при снижении концентрации Са2+ в крови. Кальцитонин ингибирует высвобождение Са2+ из кости и стимулирует его экскрецию почками с мочой.
Недостаток кальцитриола у детей приводит к заболеванию рахитом, а у взрослых может вызвать нарушение обмена веществ в костной ткани. Отрицательный баланс между процессами отложения и вымывания кальция, особенно в пожилом возрасте, вызывает заболевание остеопорозом.
Кальцитонин - пептидный гормон щитовидной железы, состоящий из 32 аминокислот. Он получил свое название благодаря способности снижать концентрацию кальция в крови. Секретируется парафолликулярными С-клетками.
Кальцитонин - это главный антагонист паратиреодиного гормона, основным механизмом действия которого является торможение остеокластической костной резорбции. Уровень кальцитонина в крови резко повышается при подозрении на медуллярный рак щитовидной железы. Однако не существует костных заболеваний, в генезе которых нарушения секреции кальцитонина играло бы исключительную роль. И хотя у женщин наблюдаются более низкие уровни кальцитонина, чем у мужчин, данные о снижении секреции этого гормона в формировании первичного остеопороза остаются противоречивыми. Зато доказано, что у больных с высоким уровнем костного обмена кальцитонин вызывает временную гипокальциемию и гипофосфатемию.
Паратгормон
человек имеет 2 пары околощитовидных желез, расположенных на задней поверхности или погруженных внутри щитовидной железы.
главные, или оксифильные, клетки этих желез вырабатывают паратгормон, или паратирин, или паратиреоидный гормон (ПТГ).
Паратгормон регулирует обмен кальция в организме и поддерживаетего уровень в крови.
В костной ткани паратгормон усиливает функцию остеокластов, что приводит к деминерализации кости и повышению содержания кальция в плазме крови (гиперкальциемия).
В почках паратгормон усиливает реабсорбцию кальция.
В кишечнике повышение реабсорбции кальция происходит благодаря стимулирующему действию паратгормона на синтез кальцитриола –активного метаболита витамина D3.
Паратирин является мощным кальций -регулирующим гормоном, вызывает повышение кальция в крови и его еще называют гиперкальциемическим гормоном
Регуляция секрециипаратирина происходит по обратной связи уровнем ионизированного кальция крови.
Стимулирует секрецию:
Низкая концентрация кальция
Симпатические влияния через бета-адренорецепторы.
Подавляют секрецию паратирина:
Высокий уровень кальция в крови и
Почечный гормон кальцитриол.
Основные эффекты паратирина проявляются
Со стороны органов-мишеней гормона -костной ткани, почек и желудочно-кишечного тракта.
Реализация действия паратирина осуществляется через цАМФ, и повышение уровня этого вторичного посредника в моче является важным диагностическим критерием избыточной секреции.
Эффект паратирина на костную ткань:
Обусловлен стимуляцией и увеличением количества остеокластов, резорбирующих кость.
Под влиянием паратирина в костной ткани из-за нарушения цикла Кребса накапливаются лимонная и молочная кислоты, вызывающие местный ацидоз. Кислая реакция среды в костной ткани тормозит активность щелочной фосфатазы -фермента, необходимого для образования основного минерального вещества кости -фосфорнокислого кальция. Избыток лимонной и молочной кислот ведет к образованию растворимых в воде солей кальция -цитрата и лактата, вымыванию их в кровь, что приводит к деминерализации кости. Избыток цитрата выводится с мочой, что является важным диагностическим признаком повышенного уровня паратирина.
В почках гормон снижает реабсорбцию кальция в проксимальных канальцах, но резко усиливает ее в дистальных канальцах, что предотвращает потери кальция с мочой и способствует гиперкальциемии. Реабсорбция фосфата в почках под влиянием паратирина угнетается, это приводит к фосфатурии и снижению содержания фосфата в крови -гипофосфатемии.
Повышенная секреция паратирина при гиперплазии или аденоме околощитовидных желез сопровождается
деминерализацией скелета с деформацией длинных трубчатых костей,
Образованием почечных камней,
Мышечной слабостью,
Депрессией,
Нарушениями памяти и концентрации внимания.
Дефицит паратирина, особенно при ошибочном оперативном удалении или повреждении желез,