82. Кальций и фосфор. Биологические функции, распределение в организме. Регуля­ция обмена, участие паратгормона, кальцитонина и активных форм витамина d.

Содержание кальция в организме человека составляет примерно 1 кг.

Распределение кальция в организме человека показано на рис. 16-1сер . 99% кальция локализовано в костях , где вместе с фосфатом он образует кристаллы гидроксиапатита , составляющие неорганический структурный компонент скелета. Кость - это динамическая ткань, претерпевающая перестройку в зависимости от нагрузки; в состоянии динамического равновесия процессы образования и резорбции костной ткани сбалансированы. Большая часть кальция кости не может свободно обмениваться с кальцием внеклеточной жидкости . Итак, в дополнение к своей роли механической опоры кости служат огромным резервуаром кальция. Около 1% кальция скелета составляет легкообменивающийся пул, еще 1% общего количества находится в периостальном пространстве (надкостнице), и вместе эти два источника составляют мобильный пул кальция .

Гормоны регулируют количество кальция во внеклеточной жидкости путем изменения транспорта кальция через мембрану, отделяющую внеклеточную жидкость от периостальной жидкости . Паратиреоидный гормон оказывает стимулирующий эффект на этот транспорт; кальцитриол тоже участвует в стимуляции. Кальцитонин способен предотвращать этот эффект.

Главные регуляторы обмена кальция и фосфора - ПТГ , витамин D и кальцитонин . Мишени этих гормонов - костная ткань , почки и тонкая кишка . В регуляции метаболизма кальция и фосфора участвуют и другие факторы: ПТГ-подобные пептиды , цитокины ( интерлейкин-1 , интерлейкин-2 , интерлейкин-6 ; трансформирующие факторы роста TGF альфа и TGF бета ; факторы некроза опухолей TNF альфа и TNF бета ), тромбоцитарный фактор роста PDGF , инсулиноподобные факторы роста ИФР-I (IGF-I) , ИФР-II (IGF-II) , а также ИФР-связывающие белки (IGF-связывающие белки) .

Скорость секреции ПТГ зависит прежде всего от концентрации Ca2+ в сыворотке. На клетках паращитовидных желез имеются рецепторы кальция, сопряженные с G-белками . Даже незначительное снижение концентрации кальция быстро стимулирует секрецию ПТГ. На секрецию влияют также изменения концентрации магния в крови и изменения запасов магния в тканях: повышение концентрации Mg2+ подавляет секрецию ПТГ. Транскрипция гена ПТГ и синтез препроПТГ контролируются 1,25(ОН)2D3 .

Секреция ПТГ находится в обратной зависимости от концентрации ионов кальция и магния в среде, а также от уровня иммунореактивного ПТГ в крови. Как показано на рис. КТ, ПТГ кальций в плазме крови между содержанием ПТГ в сыворотке крови и концентрацией кальция в ней (в пределах от 4 до 10,5 мг% сыворотки) существует линейная зависимость. Присутствие биологически активного ПТГ в сыворотке крови в случаях, когда уровень кальция достигает 10,5 мг% и более, служит признаком гиперпаратиреоза .

Существует также линейная зависимость между ПТГ высвобождением и уровнем cAMP в клетках паращитовидных желез . Вероятно, эта зависимость опосредована изменениями уровня кальция в клетках, поскольку между внутриклеточными концентрациями кальция и cAMP существует обратная связь. В основе ее может лежать хорошо известный активирующий эффект кальция на фосфодиэстеразу (через кальций/кальмодулин-зависимую протеинкиназу ) либо ингибирующий эффект (по аналогичному механизму) на аденилатциклазу . Фосфат не влияет на секрецию ПТГ.

В паращитовидных железах сравнительно мало накопительных гранул , и количество гормона в них может обеспечить максимальную секрецию лишь в течение 1,5 ч. Это составляет контраст с островковой тканью поджелудочноц железы, где содержание инсулина достаточно для нескольких дней секреции, а также со щитовидной железой, содержащей запас гормона на несколько недель. Таким образом, процессы синтеза и секреции ПТГ должны идти непрерывно.

Концентрация кальция в среде не влияет на скорость синтеза проПТГ , но скорость образования и секреции ПТГ значительно возрастает при снижении концентрации кальция. Оказалось, что 80- 90% синтезированного проПТГ не удается обнаружить в виде ПТГ, накапливаемого в клетках либо в среде инкубации при проведении опытов in vitro. Отсюда был сделан вывод, что большая часть синтезированного проПТГ быстро распадается. Позднее было обнаружено , что скорость процесса распада снижается при низких концентрациях кальция и увеличивается при высоких.

Таким образом кальций влияет на продукцию ПТГ путем регуляции процесса распада, проПТГ, а не синтеза. Об уровне общего синтеза проПТГ можно судить по количеству ПТГ-мРНК ; оказалось, что и оно не меняется при значительных колебаниях концентраций внеклеточного кальция. По-видимому, увеличение синтеза ПТГ в организме может произойти лишь в результате возрастания числа и размеров вырабатывающих ПТГ главных клеток паращитовидных желез.

Распад ПТГ начинается спустя примерно 20 минут после синтеза проПТГ и на первоначальном этапе не зависит от концентрации кальция ; распаду подвергаются молекулы гормона, находящиеся в секреторных везикулах. Вновь образованный ПТГ либо немедленно секрктируется, либо накапливается в везикулах для последующей секреции. Процессы распада начинаются после того, как секреторные везикулы попадают в компартмент накопления.

В ходе протеолитического расщепления ПТГ образуются весьма специфические фрагменты ( рис. Паратиреоидный гормон: предшественники и продукты расщепления ), причем большое количество С-концевых фрагментов ПТГ поступает в кровь . Их молекулярная масса составляет около 7000.

В основном это последовательности ПТГ 37-84 , в меньшей степени ПТГ 34-84 . Большая часть новосинтезированного ПТГ подвергается протеолизу; в целом на один моль интактного ПТГ секретируются примерно два моля С-концевых фрагментов. Таким образом, ПТГ в крови представлен в основном этими молекулами. Биологическая роль С-концевых фрагментов ПТГ не выявлена, но возможно, что они удлиняют время существования гормона в кровотоке. В ткани паращитовидных желез был обнаружен ряд протеолитических ферментов, в том числе катепсин B и катепсин D . Катепсин B расщепляет ПТГ на два фрагмента - ПТГ 1-36 и ПТГ 37-84 : последний не подвергается дальнейшему протеолизу, а ПТГ 1-36 быстро последовательно расщепляется до ди- и трипептидов. ПроПТГ не поступает в кровь; ПТГ 1-34 выходит из железы в минимальных количествах (если вообще выходит). ПрепроПТГ удалось идентифицировать путем расшифровки кодирующей последовательности гена ПТГ. Протеолиз ПТГ проходит в основном в паращитовидной железе , но, кроме того, как показано в ряде работ, секрктированный ПТГ подвергается протеолизу и в других тканях. Однако вклад этого протекающего вне эндокринной железы процесса в общий протеолитический распад ПТГ не определен; неизвестно также, какие протеазы участвуют в расщеплении и насколько сходны последовательность и продукты протеолиза.

В периферическом обмене секретированного ПТГ участвуют печень и почки . После гепатоэктомии фрагменты ПТГ 34-84 практически исчезают из крови, из чего следует, что печень служит основным органом, в котором они образуются. Роль почек состоит, по-видимому, в удалении из крови и экскреции этих фрагментов. Периферический протеолиз ПТГ протекает главным образом с купферовых клетках , выстилающих просвет синусоидов печени. Эндопептидаза, ответственная за начальный этап протеолиза (расщепление на N- и C-концевые фрагменты), локализована на поверхности этих макрофагоподобных клеток, непосредственно контактирующих с плазмой крови. Этот фермент, который также является катепсином B , расщепляет ПТГ между 36-37 остатками; аналогично событиям в паращитовидной железе образовавшийся C- концевой фрагмент продолжает циркулировать в кровотоке, а N- концевой быстро распадается.

Витамин D (Кальцитриол): роль в гомеостазе кальция

Основная биологическая роль кальцитриола (активной формы витамина D3 ) (структурную формулу см. рис. бх 47-4.1 ) - это стимуляция всасывания кальция и фосфата в кишечнике .

Кальцитриол - единственный гормон, способствующий транспорту кальция против концентрационного градиента, существующего на мембране клеток кишечника. Поскольку продукция кальцитриола очень строго регулируется ( рис. бх 47-4 ), очевидно, что существует тонкий механизм, поддерживающий уровень кальция во внеклеточной жидкости, несмотря на значительные колебания в содержании кальция в пище. Этот механизм ( рис. 16-7сер ) поддерживает такие концентрации кальция и фосфата, которые необходимы для образования кристаллов гидроксиапатитов , откладывающихся в коллагеновых фибриллах кости . При недостаточности витамина D (кальцитриола) замедляется формирование новых костей и нарушается обновление (ремоделирование) костной ткани. В регуляции этих процессов участвует в первую очередь ПТГ , воздействующий на клетки кости , но при этом необходим и кальцитриол в небольших концентрациях. Кальцитриол способен также усиливать действие ПТГ на реабсорбцию кальция в почках.

Кальцитонин (КТ): регуляция секреции

Кальцитонин, состоящий из 32 аминокислот, синтезируется в парафолликулярных С-клетках щитовидной железы . Секреция кальцитонина усиливается при повышении концентрации кальция в крови и регулируется гастроэнтеропанкреатическими гормонами, в частности гастрином . Уровни секреции КТ и ПТГ связаны обратной зависимостью и регулируются концентрацией ионизированного кальция (и, вероятно, магния ) во внеклеточной жидкости. Секреция КТ возрастает пропорционально концентрации кальция при изменении последней в пределах от 9,5 до 15 мг%. Мощными стимуляторами секреции КТ служат глюкагон и пентагастрин , причем последний используется в качестве провоцирующего агента при диагносцирующем тестировании модулярной тиреокарциномы (злокачественное перерождение парафолликулярных К-клеток ).

История изучения КТ уникальна. За семь лет (1962-1968) КТ был открыт, выделен, секвенирован и синтезирован, но его роль в физиологии человека до сих пор не совсем ясна. Удаление щитовидной железы у животных не вызывает гиперкальциемии , а введение КТ здоровым испытуемым не приводит к заметному снижению уровня кальция в крови .

Секреция ПТГ находится в обратной зависимости от концентрации ионов кальция и магния в среде, а также от уровня иммунореактивного ПТГ в крови. Как показано на рис. КТ, ПТГ кальций в плазме крови между содержанием ПТГ в сыворотке крови и концентрацией кальция в ней (в пределах от 4 до 10,5 мг% сыворотки) существует линейная зависимость.

В тест-системах первичной мишенью КТ служит кость , где этот гормон тормозит резорбцию матрикса и тем самым снижает высвобождение кальция и фосфата . Этот эффект КТ не зависит от ПТГ . КТ увеличивает содержание cAMP в кости, влияя, по-видимому на те клетки, которые не являются мишенями ПТГ.

КТ оказывает также значительный эффект на метаболизм фосфата . Он способствует входу фосфата в клетки кости и периостальную жидкость , снижая при этом выход кальция из костей в плазму крови. Этот вход фосфата может сопровождаться и входом кальция, судя по тому, что гипокальциемический эффект КТ зависит от фосфата. Такое действие КТ наряду с его способностью тормозить опосредованную остеокластами резорбцию костей позволяет объяснить эффективность применения данного гормона в борьбе с гиперкальциемией при раке.