4. ендокринна регулация на калциево-фосфатната обмяна

В литературата (както на български, така и на английски език) се среща и названието калциево-фосфорна обмяна. Тъй като фосфорът в организма е съставна част на фосфатите (свободни или свързани), по-точният термин е калциево-фосфатна обмяна или още по-добре, обмяна на калция и на фосфатите.

Преди да разгледаме подробно синтезата, секрецията и физиологичните ефекти на паратхормона, калцитриола и калцитонина, ще се спрем накратко на разпределението на калция и фосфатите в организма и на някои въпроси от физиологията на костите.
1. Калций. В тялото на средно едър възрастен човек има около 1200-1300 g калций (30-33 mol). Над 99 % от това количество се намира в костите под формата на хидрокси-апатитни кристали. Химичната формула на хидроксиапатита е Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂. Малка част от калция на костите (около 100 mmol) не участва в образуването на кристали, а е отложен като аморфна субстанция от СаНРО₄. Той се нарича “бързо обменящ се калциев резервоар” (накратко “обменен калций”) и играе важна роля в поддържането на калциевата хомеостаза (виж по-долу). Останалият калций (под 1 % от общото количество) се намира в ЕЦТ и в клетките.

Около половината от калция на кръвната плазма е свободен катион (Са²⁺), а другата половина е свързан главно с протеините (40 %) и по-малко (10 %) с нискомолекулните аниони на плазмата (сулфатни, фосфатни, хидрогенкарбонатни, цитратни и др.), които могат да се филтрират в бъбречните гломерули, както когато са свободни аниони, така и когато са свързани с Са²⁺. Концентрацията на общия калций в плазмата е 2,15-2,65 mmol/l (най-често 2,4-2,5 mmol/l), а на свободните калциеви катиони – около 1,2-1,25 mmol/l. Биологично активен е само свободният калций (Са²⁺). Тъй като Са²⁺ участва в регулацията на редица физиологични процеси, неговата плазмена концентрация е един от най-прецизно регулираните параметри на телесната хомеостаза. Концентрацията на Са²⁺ в интерстициалната течност е малко по-ниска, в сравнение с тази на плазмата.

Вътреклетъчният калций е локализиран главно в някои клетъчни органели (ендоплазмен ретикулум, митохондрии и др.). Тъй като в клетките има много белтъци, значителна част от калция е свързана с тях – концентрацията на свободния Са²⁺ в цитозола е незначителна (около 10 000 пъти по-ниска от тази в ЕЦТ).

Фиг.4.1. Обмяна на калция в организма. Означени са количествата калций, които човек приема с храната (25 mmol), абсорбира в тънкото черво (дадена е само чистата абсорбция) и екскретира с урината за едно денонощие.

При нормален хранителен режим, човек приема с храната за едно денонощие около 25 mmol (1 g) калций. В тънките черва Са²⁺ едновременно се абсорбира (резорбира) и секретира, като абсорбираното количество превишава секретираното с около 2,5 mmol за 24 часа. Тази разлика от 2,5 mmol (абсорбирано – секретирано количество) се нарича чиста (нето) абсорбция. Различаваме два вида абсорбция на Са²⁺ в червата: трансцелуларна, при която Са²⁺ се пренася през ентероцитите1 чрез активен транспорт, и парацелуларна, при която Са²⁺ минава пасивно през междуклетъчните съединения между ентероцитите (виж “Храносмилане”). Пасивната (парацелуларната) абсорбция се извършва в цялото тънко черво, когато в храната има достатъчно Са²⁺. Трансцелуларната абсорбция се осъществява главно в дуоденума. Нейното значение нараства при приемането на храна, която съдържа сравнително малко Са²⁺. Активният транспорт на Са²⁺ през ентероцитите се стимулира от калцитриола.

Плазменият калций, който не е свързан с белтъците, се филтрира в бъбречните гломерули. Близо 99 % от филтрираното количество се реабсорбира в тубулите. За едно денонощие с урината се екскретират около 2,5 mmol Са²⁺ (фиг. 4.1).

Между ЕЦТ и костите съществува интензивна обмяна на Са²⁺. Меките тъкани (миоцити, неврони, епителни клетки и др.) също непрекъснато обменят Са²⁺ с ЕЦТ. Например по време на АП в кардиомиоцитите навлиза Са²⁺, който след това (при покой) се връща обратно към интерстициалната течност.
2. Калциеви рецептори (СаR). Са²⁺ трудно влиза в клетките, защото пропускливостта на плазмалемата за този йон е много ниска – Са²⁺ може да навлезе в цитозола само когато се отворят Са²⁺-каналчета. Ето защо действието на Са²⁺ върху ендокринните клетки, които секретират калцитропни хормони, се осъществява по друг начин – той се свързва с мембранни рецептори. Калциевите мембранни рецептори (CaR) са големи трансмембранни протеини, които преминават 7 пъти през двойния липиден слой на плазмалемата. Когато тяхната екстрацелуларна част се свърже с Са²⁺, те търпят конформационни промени (активират се) и тяхната цитозолна част се свързва с тримерен G-протеин. Характерно за калциевите рецептори е, че техните вътреклетъчни участъци притежават няколко залавни места, които могат да активират различни G-протеини. Например СаR на паращитовидните жлези активира едновременно G_q-протеин и G_i –протеин.
Важна особеност на регулацията на калциево-фосфатната обмяна е наличието на СаR не само по повърхността на клетките, които секретират калцитропни хормони, но и в клетъчните мембрани на прицелните клетки на тези хормони. Например редица клетки на бъбречните каналчета имат мембранни рецептори както за паратхормона, така и за Са²⁺. Свързването на паратхормона с рецепторите, предназначени за него, води до засилване на реабсорбцията на Са²⁺ в бъбречните каналчета, а свързването на Са²⁺ с СаR на същите клетки, предизвиква намаляване на реабсорбцията на Са²⁺ (фиг. 4.2). В случая Са²⁺ се проявява не само като субстрат, чиято концентрация подлежи на регулация, но и като сигнално вещество – той се свързва със специфичен мембранен рецептор и посредством съответен G-протеин променя функцията на клетката.

Фиг. 4.2. Директно и индиректно действие на Са²⁺ върху епителните клетки на бъбречните каналчета (тубулните клетки).

Калциеви рецептори (СаR) имат всички клетки, които участват по някакъв начин в регулацията на калциево-фосфатната обмяна: ендокринните клетки, които секретират калцитропни хормони, повечето епителни клетки на бъбречните каналчета, клетките на костите (остеобласти и остеокласти) и ентероцитите на тънкото черво. Са²⁺ регулира функцията на тези клетки както директно (чрез техните CaR), така и индиректно (посредством калцитропните хормони), като двата вида въздействия върху прицелните клетки са синергични, в смисъл че водят до еднопосочни промени в плазмената концентрация на Са²⁺.
Някои клетки на кожата, мозъка, панкреаса, млечните жлези и др. също имат калциеви рецептори. Тези клетки не участват пряко в поддържането на калциево-фосфатната хомеостаза и значението на техните калциеви рецептори засега не е достатъчно изяснено.
3. Фосфати. Тялото на възрастен човек съдържа около 650-700 g фосфор (21-23 mol), който е съставна част на фосфатите (Н₂РО₄^-, НРО₄^2-, РО₄^3-). Близо 86 % от това количество участва в изграждането на костите.

Около 14 % от фосфатите се намират в клетките. Повечето от тях са свързани ковалентно с органичните съединения и са важна съставна част на фосфолипидите, фосфопротеините, нуклеиновите киселини (ДНК и РНК), макроергичните съединения (АТФ и креатинфосфат) и т. н. Те се наричат “органичен фосфат (фосфор)”. В цитозола има и свободни фосфатни аниони (“неорганичен фосфат”), чиято концентрация е многократно по-висока от тази на Са²⁺ – фосфатите (за разлика от Са²⁺) са типични интрацелуларни йони. Част от тях са свързани обратимо с катионите (главно с К⁺) и белтъците на цитозола. Неорганичните фосфати често се означават с Р_i (от inorganic P).

Малко количество фосфати (под 0,1 %) се намира в ЕЦТ. Над две трети от фосфатите на кръвната плазма са вградени в молекулите на фосфолипидите. Те представляват “органичния фосфат” на плазмата. Останалата част от плазмените фосфати се обединяват под названието “неорганичен фосфат (фосфор)”. Половината от тях са свободни фосфатни аниони. При рН на плазмата 7,4, концентрацията на НРО₄^2- е 4 пъти по-висока от тази на Н₂РО₄^-, а количеството на РО₄^3- е пренебрежимо малко. Другата половина от неорганичните фосфати са свързани обратимо главно с катионите на плазмата (предимно с Na⁺) и по-малко с плазмените белтъци. В гломерулите на бъбрека се филтрират само свободните фосфатни аниони и тези, които са свързани с катионите.

В клиничната лаборатория се определя концентрацията само на “неорганичния фосфор (фосфат)” в кръвната плазма. Нейната нормална стойност е 0,8-1,4 mmol/l. Тя варира в по-широки граници, в сравнение с концентрацията на свободния Са²⁺.

Костната тъкан се състои от костни клетки и костен матрикс. Матриксът е изграден от големи органични молекули, неорганични соли и малко вода. Органичният компонент на матрикса се нарича остеоид. Той съдържа главно снопчета от колагенови влакна (колаген тип I) и малко протеогликани и гликопротеини. Неорганичната (минералната) част на костния матрикс се състои от хидроксиапатитни кристали, които са изградени предимно от Са²⁺ и фосфати. Срещат се и някои други йони (Na⁺, Mg²⁺, СО₃^2-), но тяхното количество е значително по-малко. Кристалчетата от хидроксиапатит са продълговати миниатюрни плочки, чиято дължина варира от 20 до 40 nm. Те се прикрепват към колагенови те влакна и по този начин уплътняват колагеновите снопчета. Както е известно, колагеновите влакна са много издържливи на разтягане (на опън). Импрегнирането на колагеновите снопчета с хидроксиапатит ги втвърдява и им придава здравина и на натиск. Ето защо добре минерализираният костен матрикс е достатъчно устойчив не само на опън, но и на натиск и огъване.

Само остеобластите могат да продуцират нов костен матрикс и само остеокластите могат да го разграждат. Остеоцитите и покривните клетки имат други функции. Например остеоцитите дават информация за механичните натоварвания на костите и за наличието на микротравми в костния матрикс.

Всички костни клетки участват, в една или друга степен, в регулацията на калциево-фосфатната обмяна. Активирането на остеокластите води до разграждане на част от костния матрикс и навлизане на Са²⁺ и фосфати в кръвната плазма. Обратно, остеобластите изграждат ново костно вещество, за чията минерализация се използват фосфатите и Са²⁺, които се доставят от кръвта. Въпреки че остеоцитите и покривните клетки нито изграждат, нито разграждат костен матрикс, те също участват в обмяната на Са²⁺ и фосфати между костите и плазмата. Например при хипокалциемия остеоцитите улесняват пренасянето на Са²⁺ от аморфния СаНРО₄ (бързо обменящия се калций) към кръвта.
б) Бързо обменящ се калций. Концентрациите на Са²⁺ и НРО₄^2- в плазмата е достатъчно висока, за да започне преципитация и отлагане на СаНРО₄. Нормално това не става, защото във всички тъкани има пирофосфат2, който пречи на преципитацията. Костните клетки (най-вероятно остеобластите) секретират инхибитор на пирофосфата. Освен това самите колагенови влакна на остеоида също улесняват преципитацията. Ето защо Са²⁺ и НРО₄^2- започват да се отлагат в костния матрикс като аморфен СаНРО₄. Част от това съединение постепенно се превръща в хидроксиапатитни кристали, но този процес е доста бавен (продължава седмици и дори месеци).

Има съществена разлика между аморфния СаНРО₄ и хидроксиапатитните кристали. Аморфният СаНРО₄ бързо се отлага в костите и също така бързо се разгражда до Са²⁺ и НРО₄^2-. Той се намира в динамично равновесие с Са²⁺ и НРО₄^2- на плазмата – ако плазмената концентрация на някой от тези йони се повиши, отлагането на СаНРО₄ в костите веднага се засилва. Ето защо аморфният СаНРО₄ се нарича още “бързо обменящ се калций” или накратко “обменен калций”. Бързо обменящият се калций играе ролята на буфер, който значително намалява колебанията на плазмените концентрации на Са²⁺ и НРО₄^2-. Този буфер действа бързо (нормализира плазмените концентрации за половин до един час), но капацитетът му е ограничен.

Обновяването на костната тъкан носи названието ремоделиране. Всяка година се извършва ремоделиране на около 10 % от костната тъкан. Гъбестото костно вещество (трабекуларната кост) се обновява с по-бързи темпове, в сравнение с плътното костно вещество. Най-често се ремоделират тези костни участъци, в които има микротравми, получени в резултат на големи механични натоварвания.

Ремоделирането започва с разграждане на старата кост от остеокластите. Тези клетки секретират ензими и Н⁺, чрез които могат да разграждат както органичната, така и неорганичната съставна част на костния матрикс. В резултат на тяхната дейност се получава малка кухина в костното вещество. Част от фосфатите и Са²⁺, които се освобождават при разграждането на хидроксиапатитните кристали, попадат в кръвта. Остеокластите живеят около 2 седмици, след което умират (апоптоза). На тяхно място идват остеобластите, които започват да синтезират остеоид. В течение на няколко месеца те запълват с нов остеоид кухината, издълбана от остеокластите. При този процес някои остеобласти се ограждат отвсякъде с остеоид и остават затворени (“зазидани”) в новия костен матрикс. Те се превръщат в остеоцити и живеят дълго време (около 20 години). Остеобластите, които остават на костната повърхност, живеят не повече от 3 месеца. След това някои от тях умират (апоптоза), а останалите се превръщат в покривни клетки. Минерализацията на новия остеоид започва 10 дни след формирането му и продължава дълго време – окончателна минерализация се получава едва след 1-2 години.

Въпреки че остеокластите и остеобластите имат противоположни действия върху костите (едните разграждат, а другите изграждат костен матрикс), тези два вида клетки си помагат взаимно при ремоделирането на костите. Остеокласти не могат да се получат без съдействието на остеобластите. Последните синтезират и изваждат на своята повърхност големи белтъчни молекули, наречени RANK-лиганди. Този процес се регулира от редица локални и циркулиращи хормони (например паратхормон). Както казахме, остеокластите се получават от едноядрени клетки-предшественици, наречени преостеокласти. Те имат мембранни RANK-рецептори. Когато преостеокластите влязат в контакт с остеобластите, RANK-рецепторите се свързват с RANK-лигандите. В резултат на това преостеокластите се активират и започват да се сливат. Така се получават големи, многоядрени остеокласти, които са способни да разграждат костния матрикс. Малко по-късно, когато разграждането на костта напредне, се проявява и въздействието на остеокластите върху броя на остеобластите. При разграждането на костния матрикс се получават редица вещества (фактори), които стимулират деленето на преостеобластите и по този начин увеличават броя на тези клетки-предшественици. Когато разграждането на костния матрикс завърши, от тях се получават множество активни остеобласти, които започват да синтезират остеоид. Ето защо винаги когато в даден костен участък се извърши разграждане на костен матрикс от остеокластите, следва (с известно закъснение) увеличаване на броя на остеобластите и усилено формиране на нов остеоид.

Паратиреоидният хормон (ПТХ) представлява едноверижен полипептид, изграден от 84 аминокиселини. Той се получава от съответен препрохормон и се складира в секреторни гранули. Вътре в главните клетки паратхормонът непрекъснато се разгражда и отново се синтезира. Поради това количеството на секретирания хормон зависи както от скоростта на синтезата, така и от скоростта на разграждането му.