РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА КАЛЬЦИЯ И ФОСФОРА 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 Са10(РО4)6(ОН)2. Кальций присутствует в организме также в виде ионов Са2+, растворенных в жидкостях или соединенных с белками жидкостей и тканей. Между этими двумя фондами происходит постоянный обмен кальцием.
Ионы Са2+ 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/Pi- котранспортеров.
Фосфат может связывать свободный ионизированный кальций; поэтому, если уровень плазменного неорганического фосфата увеличивается, содержание кальция уменьшается.
Концентрация ионов Са2+ в межклеточной жидкости и крови равна 9-11 мг/дл. Половина из них – ионы Са2+ 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 Са2+ 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 Са2+ и фосфатов в кровь. В почках паратгормон увеличивает реабсорбцию Са2+ 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 Са2+ в крови. Восстановление нормальной концентрации Са2+ 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 D3 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 D3 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 D3 - 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 D3 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 Са2+, 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.
|