讨论:钙磷激素

总论

• 人体内0.1%的钙在细胞外液，1%的钙在细胞内，其余的钙在骨头中。
• 人体内1%的磷在细胞外液，15%的磷在细胞内，其余的磷在骨头中。
• 体液钙过高，引起神经衰弱；自由钙过低，引起抽筋和强直。
• 抽筋一般从手部开始，称为腕足抽筋（Carpopedal Spasm）。
• 体液磷短期变化无明显现象。
• 体液长期低钙或低磷引起骨质疏松。
• 参与调节钙和磷的激素有：维生素D、甲状旁腺激素（Parathyroid Hormone）、降血钙素（Calcitonin）。

钙和磷的存在形式

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图1：钙的摄入和排出

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图2：破骨细胞

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图3：骨的结构

体液中的钙

• 50%是能自由移动的粒子。
• 41%是离子，但与带负电荷的酸结合，不能自由移动。
• 9%与蛋白质结合，不能自由移动。
• 磷以磷酸基团的形式存在。
• 焦磷酸（Pyrophosphate）等物质防止钙和磷沉淀。
• 钙的摄入和排出见图1。

骨中的钙

• 骨除骨细胞（Osteocyte）外，由30%的有机物和70%的无机物组成。
• 有机物由胶原蛋白（90%）、硫酸软骨素、透明质酸、细胞外液组成。
• 无机物主要为羟磷灰石（<math>\mathrm{Ca_{10}(PO_4)_6(OH)_2}</math>），次要为磷酸氢钙（<math>\mathrm{CaHPO_4}</math>）。
• 无机物也包含镁、钠、钾、碳酸根。
• 胶原蛋白防止无机物晶体相互滑动，增强骨硬度，也增强骨张力。

造骨

• 造骨细胞（Osteoblast）分泌有机物。
• 胶原蛋白迅速结合成胶原纤维，与其它有机物组成类骨质（Osteoid）。
• 几天内，钙离子在胶原纤维表面沉淀。
• 最初的沉淀主要是<math>\mathrm{CaHPO_4}</math>和<math>\mathrm{Ca_3(PO_4)_2}</math>。
• 几周内，沉淀变为羟磷灰石。
• 造骨细胞被类骨质和钙晶体包围，称为骨细胞（Osteocyte）。
• 骨细胞在骨内部；造骨细胞在骨表面。
• 每个骨细胞处在一个独立的小室（Lacuna）中。
• 小室之间有小管（Canaliculus）相连接。
• 小室和小管中的细胞外液称为骨液（Bone Fluid）。
• （造）骨细胞的伪足（Filopodia）伸入小管，但不完全占据小管。
• （造）骨细胞的伪足通过缝隙连接（Gap Junction）相连。
• 所有（造）骨细胞通过伪足形成互相连接的网络，称为骨细胞膜系统（Osteocytic Membrane System）。

骨的重吸收

• 骨的外表面和内部有破骨细胞（Osteoclast）。
• 破骨细胞由单核细胞衍生而来，有多个细胞核。
• 激活的破骨细胞引起骨的重吸收：
  1. 溶酶体释放蛋白酶，溶解骨的有机物；
  2. 线粒体释放柠檬酸和乳酸，溶解骨的无机物。
• 破骨细胞通过胞吞吸收骨的各成分，再把它们释放入血液。
• 骨内部的破骨细胞形成隧道，隧道立刻被造骨细胞占据。
• 钙以同心圆的形式沉淀，直到遇到骨内部的血管和神经。
• 由血管和神经占据的小管称为哈佛斯管（Haversian Canal）。（图3）

维生素D

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图4：左：细胞内维生素D变化时，25-羟胆钙化醇几乎不变

右：1,25-二羟胆钙化醇随细胞内钙离子浓度变化

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图5：维生素D的激活过程图解

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图6：维生素D和甲状旁腺激素的信号转导途径

激活

• 皮肤中的7-脱氢胆固醇（7-dehydrocholesterol）在阳光下变为维生素D₃（又名胆钙化醇（Cholecalciferol））。
• 维生素D₃是活性最强的维生素D。
• 其它形式的维生素D：
  1. 维生素D₂：麦角钙化醇（Ergocalciferol），活性弱于维生素D₃；
  2. 维生素D₁：维生素D₂和光甾醇（Lumisterol，无维生素D活性）的混合物；
     • 光甾醇是麦角固醇（Ergosterol）的旋光异构体。
  3. 维生素D₄：22-二氢麦角钙化醇（22-dihydroergocalciferol），活性弱于维生素D₁；
  4. 维生素D₅：谷钙化醇（Sitocalciferol），活性最弱。

• 所有维生素D都属于开环甾类化合物（Secosteroid）。
• 维生素D₃在肝细胞中变为25-羟胆钙化醇（25-hydroxycholecalciferol）。
• 25-羟胆钙化醇抑制维生素D₃的转化，使细胞内25-羟胆钙化醇几乎不变。（图4）
• 25-羟胆钙化醇在肾中变为1,25-二羟胆钙化醇（1,25-dihydroxycholecalciferol），此步需甲状旁腺激素激活。
• 1,25-二羟胆钙化醇是维生素D的完全活性形式。
• 细胞内钙离子浓度略低或略高于正常值时，1,25-二羟胆钙化醇迅速变化；远低或远高于正常值时，1,25-二羟胆钙化醇几乎不变。（图4）
  1. 细胞内钙离子浓度影响甲状旁腺激素的分泌；
  2. 甲状旁腺激素低时形成24,25-二羟胆钙化醇；
  3. 钙离子自身微弱抑制1,25-二羟胆钙化醇形成。
• 上述过程图解见图5。

功能

• 大多数细胞有维生素D受体。
• 维生素D受体在细胞核内。
• 维生素D的信号转导途径见图6。
  1. 维生素D使小肠上皮细胞的微绒毛上的钙结合蛋白（Calbindin）增加，促进小肠吸收钙离子；
  2. 钙结合蛋白在维生素D消失后长期存在；
  3. 吸收的钙离子通过协助扩散进入血液；
  4. 维生素D促进小肠吸收磷酸，机制不明；
  5. 维生素D促进肾小管的上皮细胞对钙和磷的重吸收，抑制钙和磷的排泄；
  6. 少量维生素D促进钙在骨上沉淀；
  7. 大量维生素D通过甲状旁腺激素促进骨的重吸收。

甲状旁腺激素

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图7：人的甲状旁腺

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图8：甲状旁腺激素提高血钙浓度，降低血磷浓度

甲状旁腺（Parathyroid）

• 圆口纲和鱼纲无甲状旁腺。
• 两栖纲、爬行纲、鸟纲的甲状旁腺既可能在甲状腺边上，也可能在颈部静脉边上。
• 人、猫、鼠的甲状旁腺嵌入甲状腺。
• 羊、兔的甲状旁腺在甲状腺边上。
• 人的甲状旁腺含两种细胞（图7）：
  1. 主细胞（Chief Cell）分泌甲状旁腺激素；
  2. 嗜酸细胞（Oxyphil Cell）功能不明，可能是失去分泌功能的主细胞。
• 只有少量哺乳动物有嗜酸细胞。

合成

• 糙面内质网上的核糖体合成预原甲状旁腺激素（Preproparathyroid Hormone）。
• 预原甲状旁腺激素在内质网上被剪切为原甲状旁腺激素（Proparathyroid Hormone）。
• 原甲状旁腺激素在高尔基体上被剪切为甲状旁腺激素。
• 甲状旁腺激素的活性只依赖于其N端的34个氨基酸。
• 甲状旁腺激素的释放主要受血钙浓度控制，血钙高时其释放受抑制。
• 怀孕、哺乳、患软骨病时，因血钙浓度低，甲状旁腺增生。
• 饮食高钙或高维生素D时，因血钙浓度高，甲状旁腺萎缩。

功能

• 甲状旁腺激素的信号转导过程见图6。
• 甲状旁腺激素促进骨的重吸收，向血液释放钙和磷。
  • 骨细胞的伪足上有大量钙离子泵。
  • 甲状旁腺激素激活钙离子泵，使骨液中的钙离子浓度降低。
  • 溶解平衡促使骨中的钙和磷溶解，称为骨质溶解（Osteolysis）。
  • 造骨细胞同时释放骨保护素配体（Osteoprotegrin Ligand）。
  • 骨保护素配体激活预破骨细胞（Preosteoclast），形成破骨细胞。
• 甲状旁腺激素促进肾对钙、锰、氢离子的重吸收，抑制对磷、钠、钾、氨基酸离子的重吸收。
• 甲状旁腺激素促进小肠对钙、磷的吸收。
• 甲状旁腺激素提高血钙浓度，降低血磷浓度。（图8）

降血钙素

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图9：滤泡旁细胞

后鳃体（Ultimobranchial Body）

• 降血钙素由后鳃体分泌。
• 圆口纲无后鳃体。
• 鱼纲、两栖纲、爬行纲、鸟纲有一对后鳃体，在喉部。
• 哺乳纲的后鳃体变为甲状腺内的滤泡旁细胞（Parafollicular Cell，又名C Cell）。

合成

• 降血钙素只在儿童或患Paget病（Paget's Disease，图10）的人体内有显著作用。

  

  图10：油画《The Ugly Duchess》，画中人被认为患有Paget病。

• 糙面内质网上的核糖体合成降血钙素相关多肽α（Calcitonin-related Polypeptide Alpha），相当于预原降血钙素。
• 降血钙素相关多肽α经内质网和高尔基体的剪切变为降血钙素。
• 降血钙素的分泌主要受血钙浓度控制。
• 胃泌素（Gastrin）刺激降血钙素分泌。

功能

• 降血钙素的感受器属于G蛋白偶联受体。
• 短期内，降血钙素的功能：
  1. 抑制小肠对钙的吸收；
  2. 抑制肾对钙和磷的重吸收；
  3. 抑制破骨细胞的活动；
  4. 刺激造骨细胞的活动；
• 长期内，降血钙素减少破骨细胞和造骨细胞的数量，抑制它们的活动。

来源

《Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology》第79章