生物化學與分子生物學/鈣、磷代謝

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鈣、磷及微量元素 - 鈣、磷代謝 - 微量元素
鈣(calcium)是人體內含量最多的無機元素之一,僅次於碳、氫、氧和氮。新生兒體內鈣總量約為29~30g, 隨着生長發育體內鈣不斷積累,成年女性體內鈣的含量約為25mol(1000g), 成年男性約為3mol(1200g)。磷(phosphorus)在人體內的含量次於碳、氫、氧、氮和鈣,約佔人體重的1%, 成人體內含600~900g 的磷。

鈣、磷在體內分佈及其功能[編輯]

鈣既是骨的主要成分又具有重要的調節作用[編輯]

人體內99%的鈣以羥基磷灰石[hydroxyapatite, Ca10(PO4)6(OH)2]的形式存在,少量為無定形鈣[Ca2(PO4)2], 是羥基磷灰石的前體。羥基磷灰石是鈣構成骨和牙的主要成分,起着支持和保護作用。
成人血漿(或血清)中的鈣含量為2.25~2.75mmol/L(90~llOmg/L), 不到人體鈣總量的0.1%, 約一半是游離Ca2+;另一半為結合鈣。結合鈣絕大部分與血漿蛋白質結合,小部分與檸檬酸、重碳酸鹽等結合;與血清蛋白質結合的鈣主要與清蛋白結合,少量與球蛋白結合。游離鈣與蛋白質結合鈣在血漿中呈動態平衡狀態。血漿pH可影響它的平衡,當血漿偏酸時,蛋白質結合鈣解離,血漿游離鈣增多;當pH升高時,蛋白質結合鈣增多,而游離鈣減少。平均每增減l個pH單位,每100ml血漿游離鈣濃度相應改變0.42mmol(l.68mg)。血鈣的正常水平對於維持骨骼內骨鹽的含量、血液凝固過程、調節多種酶的活性、維持細胞膜的完整性和通透性和神經肌肉的興奮性等方面具有重要的作用。
分佈於體液和其他組織中的鈣不足總鈣量的1%。細胞外液游離鈣的濃度為1.12~1.23mmol/L; 細胞內鈣濃度極低,且90%以上儲存於內質網和線粒體內,胞質鈣濃度僅為0.01~0.lmol/L。胞質鈣在啟動骨骼肌和心肌細胞的收縮、作為第二信使在信號轉導中發揮許多重要的生理作用。

磷是體內許多重要生物分子的組成成分[編輯]

正常成人的磷主要分佈於骨(約佔85.7%), 其次為各組織細胞(約14%), 僅少量(約0.03%)分佈於體液。骨磷總量為600~900g, 是鈣含量的一半。成人血漿中無機磷的含量為1.1~1.3 mmol/L (35 ~40mg/L)。
磷除了構成骨鹽成分、參與成骨作用外,還是核酸、核苷酸、磷脂、輔酶等重要生物分子的組成成分,發揮各自重要的生理功能。許多生化反應和代謝調節過程需要磷酸根的參與,ATP和磷酸肌酸等高能磷酸化合物作為能量的載體,在生命活動中起着十分重要的作用。無機磷酸鹽還是機體中重要的緩衝體系成分。
正常人血液中鈣和磷的濃度相當恆定,每100ml血液中鈣與磷含量之積為一常數,即[Ca]×[P] =35~40。因此,血鈣降低時,血磷會略有增加。

鈣、磷的吸收與排泄受多種因素影響[編輯]

牛奶、豆類和葉類蔬菜是人體內鈣的主要來源。十二指腸和空腸上段是鈣吸收的主要部位。鈣鹽在酸性溶液中易溶解,凡使消化道內pH下降和增加鈣腸道溶解度的物質均有利於鈣的吸收。如乳糖可增加鈣的吸收,其原因是乳糖可與鈣鰲合形成低分子可溶性鈣絡合物及其乳糖可被腸道細菌分解發酵產酸。活性維生素D[l,25-(0H)2-D3]能促進鈣和磷的吸收。凡能在腸道內與鈣形成不溶性複合物的物質均干擾鈣的吸收,如鹼性磷酸鹽、草酸鹽和植酸鹽可與鈣形成不溶解的鈣鹽,不利於鈣的吸收。鈣的吸收隨年齡的增長而下降。負荷運動等增加了機體對鈣的需要,從而間接促進腸道吸收鈣。
正常成人腎小球每日濾過約9g游離鈣,腎小管對鈣的重吸收量與血鈣濃度相關。血鈣濃度降低可增加腎小管對鈣的重吸收率,而血鈣高時吸收率下降。腎對鈣的重吸收受甲狀旁腺激素的嚴格調控。
成人每日進食1.0~1.5g磷,食物中的有機磷酸酯和磷脂在消化液中磷酸酶的作用下,水解生成無機磷酸鹽並在小腸上段被吸收。鈣、鎂、鐵可與磷酸根生成不溶性化合物而影響其吸收。
腎小管對血磷的重吸收也取決於血磷水平,血磷濃度降低可增高磷的重吸收率。血鈣增加可降低磷的重吸收。pH降低可增加磷的重吸收。甲狀旁腺激素抑制血磷的重吸收,增加磷的排泄。

骨是人體內的鈣、磷儲庫和代謝的主要場所[編輯]

由於體內大部位鈣和磷存在於骨中,所以骨內鈣、磷的代謝成為體內鈣、磷代謝的主要組成。血 鈣與骨鈣的相互轉化對維持血鈣濃度的相對穩定具有重要意義。
骨的組成中水佔10%;有機物質佔20%,主要的有機基質是Ⅰ型膠原;無機鹽佔70%,主要是羥基磷灰石。骨形成的初期,成骨細胞分泌膠原,膠原聚合成膠原纖維,並進而形成骨的有機基質。鈣鹽沉積於其表面,逐漸形成脛基磷灰石骨鹽結晶。少量無定形骨鹽與經基磷灰石結合疏鬆,可與細胞外液進行鈣交換,與體液鈣形成動態平衡。鹼性磷酸酶可以分解磷酸酣和焦磷酸鹽,使局部無機磷酸 鹽濃度升高,有利於骨化作用。因此,血液鹼性磷酸酶活性增高可作為骨化作用或成骨細胞活動的 指標。

鈣、磷代謝主要受三種激素的調節[編輯]

調節鈣和鈣代謝的主要激素有活性維生素D、甲狀旁腺激素和降鈣素。主要調節的靶器官有小腸、腎和骨。

活性維生素D促進小腸鈣的吸收和骨鹽沉積[編輯]

1,25-(OH)2-D3對鈣、磷代謝作用的主要靶器官是小腸和骨。1,25-(OH)2-D3與小腸黏膜細胞特異的細胞內受體結合後,進入細胞核,刺激鈣結合蛋白的生成。後者作為載體蛋白促進小腸對鈣的吸收。同時磷的吸收也隨之增加。生理劑量的 1,25-(OH)2-D3可促進骨鹽沉積,同時還可剌激成骨細胞分泌膠原,促進骨基質的成熟,有利於成骨。

甲狀旁腺激素具有升高血鈣和降低血磷的作用[編輯]

甲狀旁腺激素(parathyroid hormone, PTH)是甲狀旁腺分泌的由84個胺基酸殘基組成的蛋白質,其主要作用靶器官是骨和腎。PTH刺激破骨細胞的活化,促進骨鹽溶解,使血鈣增高與血磷下降。 PTH促進腎小管對鈣的重吸收,抑制對磷的重吸收。同時PTH還可刺激腎合成1,25-(OH)2-D3,從而間接地促進小腸對鈣、磷的吸收。PTH的總體作用是使血鈣升高。

降鈣素是唯一降低血鈣濃度的激素[編輯]

降鈣素(calcitonin, CT)是甲狀腺C細胞合成的由32個胺基酸殘基組成的多肽,其作用靶器官為骨和腎。CT通過抑制破骨細胞的活性、激活成骨細胞,促進骨鹽沉積,從而降低血鈣與血磷含量。 CT還抑制腎小管對鈣、磷的重吸收。CT的總體作用是降低血鈣與血磷。

鈣、磷代謝紊亂可引起多種疾病[編輯]

維生素D缺乏可引起鈣吸收障礙,導致兒童佝僂病和成人骨軟化症。骨基質喪失和進行性骨骼脫鹽可導致中、老年人骨質疏鬆症(osteoporosis)。 甲狀旁腺功能亢進與維生素D中毒可引起高血鈣 症(hypercalcemia)、尿路結石等。甲狀旁腺功能減退症可引起低鈣血症(hypocalcemia)。
高磷血症常見於慢性腎病病人,與冠狀動脈、心瓣膜鈣化等嚴重心血管併發症密切相關;是引起繼發性甲狀旁腺功能亢進、維生素D代謝障礙、腎性骨病等的重要因素。維生素D缺乏也可減少腸腔磷酸鹽的吸收,是引起低磷血症的原因之一。