В організмі дорослої людини міститься близько 1,2 кг кальцію. Солі кальцію утворюють мінеральний компонент кісток (99% всього кальцію організму, 87% фосфору). Кальцій в кістках знаходиться в формі мінералу гідроксиапатиту Са10 (РО4) 6 (ОН) 2. Кальцій присутній в організмі також у вигляді іонів Са 2+. розчинених у рідинах або з'єднаних з білками рідин і тканин. Між цими двома фондами відбувається постійний обмін кальцієм.
Іони Са 2+ є кофакторами багатьох ферментів, разом з білками-модуляторами служать посередником у передачі сигналів. Кальцій бере участь у секреції, заплідненні, мембранної проникності, згортанні крові, м'язовому скороченні.
В середньому дорослий чоловік споживає 900-1000 мг кальцію в день, доросла жінка - 600-700 мг, з яких в травному тракті всмоктується до 20-40%. Значна частина потрапила з їжею кальцію проходить через кишечник і залишає організм разом з калом. Елімінація кальцію з організму відбувається переважно з сечею. У нормі в організмі зберігається стійка рівновага кальцію.
Всмоктування кальцію в кишечнику здійснюється за рахунок активного транспорту проти електрохімічного градієнта, за рахунок пасивної дифузії. Через клітинну мембрану кальцій переноситься за допомогою залежного від вітаміну Д кальційзв'язуючий білка (КСБ). Всмоктування кальцію в кишечнику в нормі визначається не його надходженням з їжею, а гормональною регуляцією системи активного транспорту. Нирки беруть участь в обміні кальцію за допомогою фільтрації і реабсорбції.
Обмін кальцію тісно пов'язаний з обміном фосфорної кислоти, що утворює з кальцієм погано розчинні солі: фосфат, гідрофосфат, дигидрофосфат.
Загальний фосфат дорослого чоловіка масою 70 кг становить близько 700 г, з яких
85% знаходиться в кістках і зубах,
14% міститься всередині клітин в органічній формі як компонент АТФ і фосфоліпідів. Під позаклітинних рідинах фосфат знаходиться в формі фосфоліпідів (близько 70%) і неорганічного фосфату. У плазмі крові фосфати представлені у вигляді вільних іонів (80%) або пов'язані з білками. Однією з основних функцій неорганічного фосфату в організмі є буферна функція.
Середній статистично доросла людина щодня споживає 800-1200 мг фосфору, з яких близько 80% абсорбується в кишечнику, і така ж кількість екскретується нирками. Основні механізми транспорту фосфатів в кишечнику: активний натрій-залежний транспорт; пасивний транспорт по градієнту концентрації. Ступінь адаптації всмоктування фосфатів в кишечнику до зміни споживання фосфатів мала, і тому кишечник відіграє невелику роль в гомеостазі фосфатів.
Нирки відіграють головну роль в гомеостатической регуляції балансу фосфатів у всьому організмі. Надходження фосфату в клітку проксимального канальця здійснюється за допомогою Na / Pi - котранспортеров.
Концентрація іонів Са 2+ в міжклітинної рідини і крові дорівнює 9-11 мг / дл. Половина з них - іони Са 2+ в розчиненому стані, інша половина - в поєднанні з альбуміном. Під внутрішньоклітинної рідини концентрація кальцію в тисячі разів менше. Різниця концентрацій створюється головним чином Са-АТФази за участю системи іонних каналів. Концентрація Са 2+ в крові і міжклітинної рідини регулюється гормонами, в основному паратгормоном, кальцитонином і кальцитріолом.
Паратгормон - це пептидний гормон, що утворюється в паращитовидних залозах. Містить 84 амінокислотних залишку. Біологічна активність паратгормону (ПТГ) визначається тільки першими 32-34 амінокислотами (рахуючи від N-закінчення пептиду). Це найбільш важливий регулятор гомеостазу кальцію.
Основними органами-мішенями пapaтгормона є кістки і нирки. Мембрани клітин цих органів містять специфічні рецептори паратгормону. ПТГ-рецептори виявлені також в легенях, серцево-судинній системі, шкірі, еритроцитах і т.д.
Виявлено 2 основних механізми дії паратгормону: активація системи аденилатциклаза - циклічний АМФ - протеинкиназа А і системи фосфатидилинозитол - протеинкиназа С.
У кістках активація аденілатциклази стимулює метаболічну активність остеокластів, починається резорбція кістки і надходження Са 2+ і фосфатів в кров. У нирках паратгормон збільшує реабсорбцію Са 2+ і збільшує екскрецію ниркових фосфатів. ПТГ також стимулює експресію генів і збільшує виробництво декількох місцевих білкових факторів і простагландинів.
Синтез і секреція ПТГ стимулюються при зниженні концентрації Са 2+ в крові. Відновлення нормальної концентрації Са 2+ в крові призводить до припинення синтезу і секреції гормону. У паратиреоїдних клітинах виявлені специфічні кальцієві рецептори. Вони забезпечують чутливість паращитовидних залоз до змін сироватковоїконцентрації кальцію, що веде до змін секреції ПТГ. У нирках Са-рецептор є важливим регулятором екскреції кальцію з сечею.
Вітамін D3 є попередником речовини, що функціонує як стероїдний гормон - кальцитріолу. Освіта кальцитріолу стимулюється переважно ПТГ і гіпофосфатемією. Перетворення вітаміну D в кальцитріол відбувається за участю печінки і нирок. Специфічні гідроксилази, які каталізують ці реакції, активуються паратгормоном.
Синтезований в нирках 1,25 (OH) 2 D3 вітамін D-зв'язуючим білком переноситься до клітин-мішеней, де реагує з ядерним рецептором. Органи-мішені кальцитріолу - тонкий кишечник і кістки. У тонкому кишечнику гормон стимулює всмоктування кальцію і фосфатів, в кістках - мобілізацію кальцію. Кальцитриол активує гени, які контролюють синтез певних білків, наприклад, кальційзв'язуючий білка, що бере участь у всмоктуванні кальцію. Кальцитриол може також стимулювати реабсорбцію кальцію (і фосфату) в канальцях нирок.
Т. о. паратгормон і вітамін D3 - синергисти щодо мобілізації кальцію з кісток і підвищення його концентрації в крові.
При нестачі вітаміну D у дітей розвивається рахіт. Відбувається зниження надходження кальцію в кров, порушення мінералізації зростаючих кісток. Недостатнє звапніння кістки призводить до різних деформацій скелета - викривлення гомілок, «чотки» на ребрах, «пташина груди» і ін. Рахіт зазвичай виліковується вітаміном D. Однак є форми рахіту, пов'язані з порушенням перетворення вітаміну D3 в організмі в кальцитріол. В даному випадку введення вітаміну D неефективно.
Тривале надходження надмірної кількості вітаміну D (в кілька разів більше норми) призводить до демінералізації кісток, до підвищення концентрації кальцію в крові. Паралельно інтенсивно всмоктується кальцій з кишечника - це призводить до загальної гіперкальціємії, відкладенню кальцію в м'яких тканинах, утворення каменів у сечових шляхах.
Кальцитонін - пептидний гормон, що синтезується в С-клітинах паращитовидних і щитовидної залоз. Містить 32 амінокислотних залишку. Секреція кальцитоніну (КТ) збільшується при зростанні вмісту кальцію в крові. Ефекти КТ обумовлені його впливом на специфічні кальцітоніновим рецептори і протилежні ефектам ПТГ. Основний орган-мішень для кальцитоніну - кістки, де він пригнічує мобілізацію кальцію. КТ знижує концентрацію Са в сироватці. Загальний внесок кальцитоніну в гомеостаз кальцію дуже малий у порівнянні з роллю ПТГ і вітаміну D.
Інші системні гормони також впливають на скелет, особливо соматотропин, глюкокортикоїди, гормони щитовидної залози і статеві гормони. Деякі фактори мають місцеві ефекти, наприклад, простагландини, цитокіни.
Зміна концентрації кальцію в позаклітинній рідині приводить до зміни його концентрації всередині клітин. В результаті змінюються трансмембранні градієнти концентрацій Са 2+. порушується функціонування кальцієвого насоса, кальцій-залежних ферментів, низки регуляторних систем.
Гіпокальціємія - зниження вмісту кальцію в крові. Вона може бути наслідком порушення всмоктування кальцію в кишечнику, наприклад, при гіповітамінозі D, при високому вмісті в їжі з'єднань, що зв'язують кальцій (наприклад, оксалату). Важка гіпокальціємія зустрічається рідко. Найбільш часта її причина - гіпопаратиреоз, викликаний ушкодженням паращитовидних залоз при операціях на щитовидній залозі.
При гіпокальціємії спостерігаються судоми, гіперрефлексія, спазми гортані внаслідок зниження порогу збудження нервових і м'язових клітин.
Гіперкальціємія - підвищення вмісту кальцію в крові. Найчастіше її причиною буває гиперпаратиреоз як результат пухлини паращитовидних залоз; передозування вітаміну D.
Характерні симптоми гіперкальціємії - кальцифікація м'яких тканин і утворення каменів у сечових шляхах. Знижується нервово-м'язова збудливість; настає розлад нервових функцій - психози, ступор і навіть кома.
1. Охарактеризуйте метаболізм кальцію і фосфору в організмі.
2. Які гормони беруть участь у регуляції фосфорно-кальцієвого обміну?
3. Який вид рецепції переважає у гормонів, що регулюють фосфорно-кальцієвої обмін?
4. Як відбувається перетворення вітаміну D в кальцитріол?
5. Перерахуйте симптоми, що спостерігаються при гіпо- та гіперкальціємії.
6. Що може бути причиною зміни концентрації кальцію в крові?
7. Які органи відіграють важливу роль в метаболізмі кальцію і фосфору?
БІОХІМІЯ КІСТКОВОЇ ТКАНИНИ
Кісткова тканина - різновид сполучної тканини, характерізующаеся високу стійкість та механічну міцність. Кісткова тканина, як і інші види сполучної тканини, складається з клітин і позаклітинного речовини. Позаклітинне речовина в своїй основі містить органічну матрицю, структуровану мінеральної фазою. Кісткова тканина утворює кісткові пластинки. Залежно від щільності і розташування пластинок розрізняють компактну і губчасту кісткову речовину. У кісткової тканини представлені три основних види клітин - остеобласти, остеокласти і остеоцитів.
Остеобласти клітинами кісткової тканини, бере участь в утворенні міжклітинної речовини. У остеобластів присутні потужний апарат білкового синтезу і сильно розвинений ендоплазматичнийретикулум. У остеобластів синтезуються органічні речовини кісткового матриксу - проколаген, глікозаміноглікани, білкові компоненти протеогліканів, ферменти та ін.
Остеоціт - зріла отростчатая клітина кісткової тканини, що забезпечує цілісність кісткового матриксу, що бере участь в регуляції його гомеостазу та виробляє деякі компоненти міжклітинної речовини. Остеоцити утворюються з остеобластів при формуванні кісткової тканини.
Остеокластів - гігантська многоядерная клітина кісткової тканини, що здійснює резорбцію кісткової тканини: розсмоктування міжклітинної речовини, демінералізації хрящів і т.д. У остеокластах міститься багато лізосом і мітохондрій. Але у них слабо розвинений ендоплазматичнийретикулум і є невелика кількість рибосом, отже, синтез РНК і здійснюється незначно.