Физиологические основы фосфорно-кальциевого обмена

рахит костный остеогенез витамин Регуляция фосфорно-кальциевого обмена — сложный процесс, в котором участвуют витамин Д и его физиологические метаболиты, а также ряд гормонов.

Витамин Д — это группа родственных стероидов, одним из важнейших среди которых является витамин Д 3 (холекальциферол), который образуется в коже из 7-дегидрохолестерина под воздействием ультрафиолетовых лучей солнечного света (схема 1). Вторым источником витамина Д 3 является пища, преимущественно животного происхождения. В циркуляции витамин Д находится в виде комплекса со специфическим переносчиком (витамин Д-связывающим белком). Последний является альфа-глобулином с молекулярным весом 53 000 дальтон.

Схема 1. Синтез витамина Д.

Образовавшийся в коже под воздействием ультрафиолетовых лучей витамин Д 3 или же поступивший во внутреннюю среду из кищечника в комплексе с витамин Д-связыающим белком быстро захватывается печенью, где может сохраняться многие месяцы, либо гидроксилируется (присоединяет гидроксильную группу OH-) в 25 позиции до 25-гидроксивитамина Д 3 (кальцидиол), который является основной формой витамина Д в плазме и может депонироваться в жировой ткани. Этот метаболит витамина В является промежуточным продуктом, не влияющим на фосфорно-кальциевый обмен.

В почках (в клетках проксимального канальца) происходит гидроксилирование кальцидиола в 1 позиции при участии 1б-гидроксилазы и митохондриальной цитохром 450-оксидазы. В результате образуется активная форма витамина Д 3 — 1,25-дигидроксивитамин Д 3, (кальцитриол) и еще 8 метаболитов, физиологическая роль которых уточняется.

Синтезированный в почках 1,25 (OH)2Д 3 (кальцитриол) переносится к клеткам — мишеням в кишечнике, костной и других тканях, где реагирует с ядерным рецептором (ВДР), который является членом большого семейства ядерных рецепторов стероидно-тиреоидных гормонов. Специфический рецептор витамина Д присутствует в ОЩЖ в такой же концентрации, как и в клетках классического органа-мишени для витамина Д — двенадцатиперстной кишки. Кроме того, ВДР обнаружены в недифференцированных клетках костного мозга и лимфоцитах периферической крови, а также в половых железах, желудке, моноцитах и др.

Рецептор витамина Д — это белковый ядерный транскрипционный фактор с высоким аффинитетом (сродством) к витамину Д, который, связываясь с 1,25 (OH)2Д3, подвергается конформационным изменениям, что повышает возможность его взаимодействия с другим ядерным белком — РХР. Образовавшийся гетеродимер ВДР/РХР связывается со специфической последовательностью нуклеотидов ДНК (ВДОЭ) в активаторном регионе целевых генов. Связанный с ВДОЭ гетеродимер привлекает коактиваторы, которые инициируют образование комплекса с голоэнзимом РНК-полимеразы II. Точный порядок этой сборки после активации ВДР не установлен, но имеется сообщение о прямом взаимодействии ВДР с транскрипционным фактором kв и с несколькими коактиваторами, включая коактиватор стероидного рецептора I, рецептор взаимодействующий белок 140 и ядерный коактиватор 62.

Таким образом, ВДР/РХР рецепторный комплекс активирует специфические гены, под контролем которых, в частности, в энтероцитах тонкого кишечника, образуются кальций-связывающий белок, обеспечивающий транспорт ионизированного кальция во внутреннюю среду, тем самым поддерживая его концентрацию в плазме на уровне 1,05 — 1,3 ммоль/л.

Избыточная стимуляция выработки кальцитриола предупреждается увеличением уровня плазменного ионизированного кальция и регуляцией 1б-гидроксилазы по механизму обратной связи посредством связывания кальцитриола с рецептором витамина Д.

Кроме того, активированные макрофаги и полученные из тимуса лимфоциты способны синтезировать кальцитриол. Этот экстраренальный источник кальцитриола регулируется отлично от почечного, где кальцитриол ингибирует свою собственную продукцию; он стимулируется интерфероном и интерлейкином-2 и не подвержен действию ПТГ.

Деградация кальцитриола происходит частично за счет гидроксилирования в 24 позиции, причем активность гена 24-гидроксилазы увеличивается кальцитриолом, который таким образом активирует свою собственную инактивацию, и редуцируется ПТГ.

Кальцитриол приблизительно в 1000 раз более активный, чем любые его предшественники. Его концентрация прямо контролируется концентрацией ионизированного Ca в плазме, которая регулирует секрецию ПТГ.

Таким образом, главный эффект 1,25 (OH)2Д3 — стимуляция активной абсорбции кальция (и фосфата) из кишечника. В результате увеличивается концентрация Ca в жидких средах организма. При нормальном содержании кальция в пище всасывание его в кишечнике определяется доступностью 1,25 (OH)2Д 3.

Вторым важным эффектом 1,25 (OH)2Д3 является усиление физиологической резорбции кости. Механизм этого феномена неясен, возможно, это резорбция кости, осуществляемая паратгормоном по механизму обратной связи.

Кальцитриол может также стимулировать реабсорбцию кальция (и фосфата) в канальцах почек.

Кальцитриол регулирует плазменную концентрацию Са++ еще одним путем, связываясь с рецепторами в паращитовидных железах и приводя к ослаблению дальнейшего образования и высвобождения ПТГ. Этот модулирующий эффект предупреждает развитие избыточного ПТГ ответа.

Кальцитриол также влияет на клетки иммунной системы, ускоряя дифференцировку предшественников моноцитов в макрофаги, а последних в остеокласты, усиливают функцию макрофагов по презентации антигенов и фагоцитозу. Стимулирует синтез интерлейкина-3, подавляет — интерлейкинов-1,2,6,12; ФНО, интерферона.

Паратиреоидный гормон (ПТГ) (паратирин, паратгормон) — это пептид, который синтезируется ОЩЖ, в ответ на снижение плазменной концентрации ионизированного кальция. Органами-мишенями для этого гормона являются кости и почки. Снижение концентрации Ca++ в плазме приводит к увеличению концентрации паратгормона в плазме за счет потери тормозящего действия кальциевого рецептора на секрецию ПТГ. Этот физиологический ответ направлен на сохранение нормальной сывороточной концентрации кальция посредством основных эффектов паратгормона: увеличение резорбции кости и образования кальцитриола в почках, и уменьшение почечной экскреции кальция. Увеличение концентрации Ca++ в плазме оказывает прямо противоположное влияние.

Основные эффекты ПТГ представлены в таблице 3.

Таблица 3. Основные эффекты ПТГ на фосфорно-кальциевый обмен.

Действие ПТГ на различные органы и системы в организме осуществляется путем экспрессии специфических ПТГ-рецепторов I и II типов, которые находятся не только в костной ткани и почках — классических органах-мишенях воздействия ПТГ, но и в легких, сердечно-сосудистой системе, коже, эритроцитах др. В почках и скелете экспрессируются ПТГ-рецепторы I типа, а рецепторы II типа выявлены в головном мозге, легких, сердце. В большинстве неклассических объектов воздействия гормона присутствуют ПТГрП I типа, представляющие аутокринно/паракринную систему этих объектов, однако их концентрация в норме остается крайне низкой.

Рецепторы паратгормона в почке найдены в базальной и латеральной мембранах клеток проксимального сегмента нефрона, корковых частях толстого восходящего отдела петли Генле и начальных отделах собирательных трубок.

Действие ПТГ на почки в основном опосредуется связанной с клеточной мембраной ПТГ-чувствительной аденилатциклазой, локализованной в различных участках нефрона: в проксимальных прямых и извитых канальцах, восходящей части петли Генле, в дистальных канальцах и собирательных трубочках. Активация фосфолипаз C и А2 и последующее падение фосфатидилинозитола обуславливают редукцию проксимальной реабсорбции фосфата. Стимуляция фосфолипазы С в проксимальных канальцах наблюдается при более низких и более физиологических концентрациях ПТГ, чем стимуляция аденилатциклазы.

Таким образом, выявлены 2 основных механизма действия паратгормона на уровне нефрона: активация системы аденилатциклаза — цАМФ — протеинкиназа, А и системы фосфатидилинозитол — протеинкиназа С.

• 1. Система аденилатциклаза — цАМФ — протеинкиназа А. Паратгормон соединяется с рецептором ПТГ — начало активации. Комплекс гормон-рецептор взаимодействует со стимулирующим белком (Бс), позволяя ему поглощать гуанозинтрифосфат (ГТФ). Эта активная форма Бс стимулирует аденилатциклазу, что сопровождается целым каскадом реакций: образование цАМФ, активация протеинкиназы А, фосфорилирование клеточных белков. Тем самым проявляется физиологический эффект паратгормона: повышение внеклеточного содержания кальция и фосфора (рисунок 3).
• 2. Система фосфатидилинозитол — протеинкиназа С. Связывание паратгормона с его клеточным поверхностным рецептором ведет к активации ассоциированного Бс с последующим увеличением активности фосфолипазы С, связанной с мембраной. Этот энзим вызывает разрушение мембранного липида фосфатидилинозитол 4,5 -бифосфата (ФИФ2) с образованием двух соединений: инозитол 1,4,5 — трифосфата (ИФ3) и диацилдиглицерина (ДАГ). ИФ3 определяет немедленный эффект паратгормона, индуцируя высвобождение кальция из запасов в гладком эндоплазматическом ретикулуме, и косвенно повышая поступление кальция в клетку. Увеличенный внутриклеточный кальций связывается с кальмодулином, приводя к фосфорилированию и активации специфических клеточных белков, и, таким образом, к физиологическим эффектам гормона. Среди фосфорилированных и активированных белков соединение ДАГ и кальций-зависимой протеинкиназы С, которая инициирует дальнейший каскад фосфорилирования белков, определяя длительное действие гормона (рисунок 4).

Падение экстрацеллюлярной рН стимулирует секрецию ПТГ и последующее увеличение экскреции фосфата может повысить суммарную экскрецию кислоты буферированием водородных ионов. Другой механизм минимизации снижения рН ПТГ — активизация костного буферирования избытка кислоты.

Представленные выше механизмы приводят к увеличению концентрации кальция во внеклеточной жидкости, компенсируя сниженную концентрацию кальция, которая первоначально стимулировала секрецию паратгормона и фомфора (рисунок 5).

Рисунок 3. Механизм действия ПТГ на молекулярном уровне (1 и 2 механизмы).

Рисунок 4. Механизм действия ПТГ на молекулярном уровне (2 механизм).

Рисунок 5. Регуляция фосфорно-кальциевого обмена паратгормоном.

Содержание фосфата в плазме не увеличивается из-за тормозящего влияния паратгормона на реабсорбцию фосфата в канальцах. Данный фактор столь потенциально значимый, что содержание фосфата в плазме может снизиться.

В условиях увеличения концентрации кальция во внеклеточной жидкости происходит противоположная реакция: уровень секреции паратгормона снижается, что ведет к увеличению потерь кальция с мочой и калом, а также переносу кальция из внеклеточной жидкости в костную ткань.

Кальцитонин — это пептидный гормон, который секретируется парафолликулярными клетками щитовидной железы в ответ на увеличение Ca++ в плазме. Эффекты КТ слабые, обусловлены его воздействием на специфические КТР, длятся несколько часов и противоположны эффектам ПТГ. КТ снижает концентрацию Са в сыворотке, предотвращая гиперкальциемию: снижение активности остеокластов с вторичным снижением резорбции Ca из костного матрикса и увеличением отложения Ca в костном матриксе (немедленный эффект), снижение образования новых остеокластов (пролонгированный эффект — часы), снижение реабсорбции Ca в канальцах (увеличение экскреции) и снижение канальцевой реабсорбции P (фосфатурия). Более того, КТ стимулирует активность 1б-гидроксилазы в проксимальных прямых канальцах, повышая продукцию и содержание 1,25 (OH)2Д3 в плазме.

Общий вклад кальцитонина в гомеостаз кальция очень мал по сравнению с ролью паратгормона и витамина Д. Об этом свидетельствует тот факт, что у больных с удаленной щитовидной железой при отсутствии следов кальцитонина в плазме не отмечается серьезных изменений концентрации кальция в плазме.

Несколько других гормонов могут приводить к расстройству баланса кальция в организме.

Соматотропин и ИФР — Системы Ст/ИФР-1 и ИФР-2 важны для роста скелета, особенно роста конечной пластинки хряща и эндохондрального остеогенеза. Действия ИФР определяются в частности наличием различных IGF-BP: IGF-BP-3 — главная детерминанта сывороточных концентраций ИФР, в то время как IGF-BP-5 может облегчать, а IGF-BP-4 может ингибировать локальные действия ИФР.

Глюкокортикоиды — имеют и стимулирующие, и подавляющие эффекты на клетки кости. Они важны для дифференцировки остеобластов, и они повышают чувствительность костных клеток к регуляторам ремоделирования кости, включая ИФР-1 и ПТГ. Ингибиция остеогенеза — главная причина индуцированного глюкокортикоидами остеопороза.

Гормоны щитовидной железы — стимулируют и резорбцию, и остеогенез. Поэтому при гипертиреозе может наблюдаться остеопороз.

Половые гормоны — оказывают выраженное влияние на кость. Эстрогены влияют на развитие скелета как у мужчин, так и у женщин. В позднем пубертатном периоде эстрогены уменьшают оборот кости, ингибируя резорбцию кости; они необходимы для эпифизарного закрытия зон роста у юношей и девушек. Таким образом, мужчины с генетической потерей эстрогеновых рецепторов или фермента ароматазы, который преобразует андрогены в эстрогены, имеют задержку развития кости и остеопороз, и запаздывание эпифизарного закрытия. Многие местные факторы также находятся под влиянием эстрогенов, включая цитокины и простагландины. Андрогены могут стимулировать остеогенез как прямо, так и посредством их влияния на примыкающие мышечные ткани.

Цитокины, продуцируемые костными клетками и прилегающими гематопоэтическими и сосудистыми клетками, имеют множественные регулирующие эффекты на скелет. Регулирование может происходить в результате изменяющегося производства агонистов и изменений рецепторов или связывающих белков (антагонисты рецептора) для этих факторов.

Простагландины, лейкотриены и оксид азота могут быть важны в быстрых ответах клеток кости на воспаление и механические силы. Простагландины имеют бифазные эффекты на резорбцию и образование кости, но доминирующими эффектами in vivo является стимуляция. Образование простагландинов может увеличиваться под влиянием нагрузки и воспалительных цитокинов. Оксид азота может ингибировать функцию остеокластов, в то время как лейкотриены стимулируют резорбцию кости.

ТФР-в и семейство костных морфогенных белков, состоящее, по крайней мере, из десяти белков, которые продуцируются множеством различных клеток, и которые оказывают множественное влияние на рост и развитие. ТФРв может регулироваться эстрадиолом и может замедлять резорбцию кости и стимулировать остеогенез.

Факторы роста фибробластов — другое семейство белков, вовлеченных в развитие скелета. Мутации рецепторов для этих факторов приводят к патологическим скелетным фенотипам, таким как ахондроплазия. В костной ткани образуются другие факторы роста, такие как эндотелиальный фактор роста, который может играть роль в ремоделировании кости.