Медицина / Физиология / Физиология (статья)

Физиология фосфорно-кальциевого обмена

Фосфорно-кальциевый обменПищевые источники кальция и фосфора

Рекомендуемый минимум суточного потребления кальция для взрослого человека – 700 мг. В продуктах питания, входящих в ежедневный рацион питания людей, проживающих в развитых странах, содержится примерно 1000 мг кальция. Основными источниками кальция среди пищевых продуктов являются молоко и молочные продукты.

Кальций также содержится в бобах, орехах, овощах, зелени. Муку и некоторые продукты питания могут искусственно обогащать кальцием. В некоторых местах большое количества кальция содержится в водопроводной воде.

В кишечнике (в основном в двенадцатиперстной кишке) кальций усваивается менее чем на 50% - остальное выводится с фекалиями. Регуляция уровня кальция в организме происходит за счет эндокринной системы – гормоны контролируют кальциевый обмен, тем самым обеспечивая необходимый баланс между поступлением кальция в организм и его усвоением.

Фосфор содержится в большинстве продуктов питания. Ежедневное поступление этого элемента с пищей составляет примерно 100 мг. Высокое содержание фосфора в мясе и молочных продуктах.

Распределение кальция и фосфора в организме

Среднее содержание кальция(Ca) в организме здорового человека – 1 кг; фосфора (P) – 600 г (фосфор содержится в организме в виде оксида – PO₄). Примерно 99% кальция и 85% фосфата содержится в костной ткани. Оба этих элемента в костной ткани входят в состав гидрооксиапатита – Ca₁₀(PO₄)₆OH₂. Кристаллы гидрооксиапатита и белок коллаген – основные структурные элементы костей и зубов. Около 65% массы костной ткани составляют кальций и фосфор. Менее 1% кальция, который находится в костной ткани, участвует в обмене с кальцием крови. Таким образом организм имеет возможность выводить этот элемент из костей в кровь, если его уровень в костной ткани выше необходимого, а также обеспечить обратный транспорт кальция, если его концентрация в крови понижена.

Примерно 8,7 ммоль (350 мг) кальция циркулирует в крови. В норме его концентрация составляет около 2,5 ммоль/л. Половина циркулирующего в крови кальция вступает в связь с альбумином (белком), а несвязанный с белком кальций находится в ионизированной (свободной) форме – Ca²⁺ (или Ca⁺⁺).

Кальций ионизированный – очень маленькая часть общего пула кальция в организме, содержащаяся в каждой клетке организма, играет жизненно важную роль. Именно свободная фракция кальция (Ca⁺⁺) физиологически активна. Значение уровня содержания кальция в клетках выражается в нмоль/л – это 1/1000 от уровня содержания в плазме крови.

Около 15% фосфатов не содержится в костях – они распределены между внеклеточным пространством и клетками (в том числе и кровь). Примерно 1% общего пула фосфатов в организме содержится в плазме крови (средний уровень содержания фосфора в крови – 1 ммоль/л).

Функции кальция и фосфата

Кальций и фосфаты являются основными компонентами костей и зубов. Ионизированный кальций, который циркулирует в плазме крови, является кофактором (кофактор – небелковое соединение, выполняющие роль активного центра, необходимого белку для выполнения его биологической функции).

Благодаря ионизированному кальцию ферменты, участвующие в процессе свертывания крови, могут выполнять свою функцию. Кроме этого, ионизированная форма этого элемента выступает в роли источника кальция, необходимого для функционирования разных процессов, происходящих на клеточном уровне, например, сокращение миокарда (мышцы сердца), гладкой мускулатуры и скелетных мышц, нервно-мышечной передачи, электрического проведения нервных импульсов и др. Процессы регуляции процессов воздействия разных гормонов на клетки-мишени также проходят при участии кальция, который является неотъемлемым компонентом для их осуществления. То есть, эффективность действия гормонов зависит непосредственно от уровня ионизированного кальция. Очень мало физиологических процессов в организме человека могут осуществляться без хотя бы минимального количества ионов кальция внутри клетки.

Фосфаты входят в состав основных биологически активных молекул: фосфолипидов (структурных компонентов всех клеточных мембран), ДНК и РНК (нуклеиновых кислот) и других интермедиатов (промежуточных веществ с коротким промежутком существования, образующихся при разных химических реакциях и потом реагирующих далее до конечных продуктов химической реакции), в том числе АТФ (адезинтрифосфат) – основной источник клеточной энергии. Неорганический фосфат, который не входит в состав более крупных органических молекул, в крови и моче выступает в роли буфера, участвуя в процессе регуляции кислотно-щелочного баланса (pH) крови.

От поддержания уровня кальция и фосфата в довольно узких пределах зависят многие функции, выполняемые этими химическими элементами. Ниже мы рассмотрим механизмы, отвечающие за регуляцию уровня кальция в плазме крови. Отметим, что нарушение механизмов регуляции часто приводит к патологическим изменениям содержания кальция и фосфата.

Физиологический контроль уровня кальция в плазме

Уровень кальция в плазме крови помогает оценить баланс между поступлением этого элемента с пищей с последующим усвоением в желудочно-кишечном тракте и выведением его из организма с мочой. Также кальций циркулирует между плазмой и костной тканью. Транспорт кальция и степень его концентрации в крови контролируют два гормона – паратгормон (ПТГ, паратиреоидный гормон) и кальцитриол (производное витамина D). Паратгормон и кальцитриол также регулируют концентрация фосфата в плазме крови.

Паратгормон. Источник, секреция и действие

Паратгормон вырабатывается в паращитовидных железах (крошечные железы, расположенные возле щитовидной железы) и отвечает за регуляцию уровня кальция в крови. Паращитовидные железы состоят их клеток, которые очень чувствительны к концентрации ионизированного кальция в крови, поступающей к железам. Снижение концентрации кальция в крови способствует стимуляции паращитовидных желез и, как следствие, к повышению выработки паратгормона (см рисунок 1).

Рисунок 1. Действие паратгормона. Регуляция уровня кальция в плазме крови

Пратгормон с током крови поступает к органам мишеням – костям и почкам. В результате происходит высвобождение кальция из костной ткани и снижение уровня его выведения (экскреции) из организма почками с мочой. В случае повышения концентрации кальция в плазме, выработка паратгормона снижается. Таким образом восстанавливается нормальная концентрация кальция в крови.

Паратгормон также участвует в регуляции концентрации фосфата в крови. Действие паратгормона на почки усиливает экскрецию фосфата с мочой, что приводит к снижению концентрации его уровня в плазме. Таким образом, конечный результат действия паратгормона – повышение уровня кальция и снижение уровня фосфата в плазме.

Кальцитриол. Источник, секреция и действие

Кальцитриол (1,25-дигидроксихолекальциферол) – производное витамина D; гормон секостероидной структуры, высвобождаемый почками, который отвечающий за регуляцию концентрации кальция в плазме. Витамин D может поступать в организм с пищей и синтезироваться под действием ультрафиолетового излучения в коже из 7-дегидроксихолестерина (холестериноподобного компонента). В независимости от источника поступления, витамин D в ходе двухступенчатого процесса превращается в кальцитриол (рисунок 2).

Преобразование витамина D в кальцитриол

Рисунок 2. Процесс преобразования витамина D в кальцитриол

Первая реакция преобразования витамина D происходит в печени путем гидроокислирования, что приводит к образованию кальцидиола. Затем кальцидиол вступает в связь с витамин D-связывающим белком и транспортируется в почки, где происходит вторая реакция, в результате которой образуется кальцитриол – активная форма витамина D. Паратгормон контролирует поступление кальцитриола из почек в кровь.

При снижении концентрации кальция в крови, уровень паратгормона увеличивается, что также приводит к повышению секреции кальцитриола. Процесс повышения уровня образования кальцитриола, как и образования паратгормона, активируется при снижении концентрации ионизированного кальция в плазме, А при высоком уровне концентрации ионизированного кальция в крови или фосфата, процесс секреции этих двух гормонов замедляется (ингибируется).

Основное действие кальцитриола направлено на регуляцию функции желудочно-кишечного тракта – гомон стимулирует процесс усвоения кальция и фосфора, поступающих в организм с питанием. Эффект кальцитриола – повышение концентрации кальция и фосфата в крови. Как и паратгормон, кальцитриол отвечает за регуляцию физиологического баланса концентрации кальция и фосфата в плазме крови.

Поддержание физиологической концентрации кальция и фосфора в крови зависит от следующих факторов:

• Рацион питания, который должен включать продукты с необходимым содержанием кальция, фосфора и витамина D
• Полноценная функция желудочно-кишечного тракта, благодаря чему происходит усвоение организмом этих нутриентов
• Инсоляция (действие ультрафиолетового излучения на кожу). Для адекватного эндогенного синтеза витамина D, человек должен принимать солнечные ванны
• Секреция паратгормона, которая зависит от полноценной функции паращитовидных желез
• Функция печени и почек, в которых витамин D преобразуется в кальцитриол
• Здоровье почек, в которых происходит не только выработка кальцитриола, но и процесс экскреции кальция и фосфата с мочой
• Процесс метаболизма (обмена) костной ткани, позволяющий поддерживать необходимый обмен кальция и фосфата между костной тканью и кровью

Отметим, что для поддержания процесса жизнедеятельности организма определенная концентрация ионизированного кальция в крови гораздо важнее, чем в костной ткани. Поэтому, при ограничении запасов кальция, организм, чтобы обеспечить необходимую концентрацию ионов кальция в плазме, жертвует минерализацией костей.