A kalcium és foszfát háztartás hormonális szabályozása Sántha Péter 2016.04.05. Ammoniták: kihalt puhatestűek 400-60 millió évvel ezelőtt éltek nautilus 1
A kalcium élettani szerepe A kalcium a legnagyobb tömegben jelenlévő ásványi anyag a szervezetben (~1 kg a testtömeg ~1,5 %-a) homeosztatikus tényező Extracelluláris Ca 2+ (~2 mm): csont élettana, véralvadás, membrán elektrofiziológia, stb. Intracelluláris Ca 2+ (~100 nm): szignál ion a sejtműködések szabályozása: szekréciós folyamatok, neurotranszmisszió, kontraktilis fehérjék (izom), membrán folyamatok, elektrofiziológia, sejthalál ( horror calcii ) Miért fontos a plazma (ECF) Ca 2+ koncentrációjának pontos szabályozása? Alacsony Ca 2+ (hipokalcémia): az ingerlékeny sejtek válaszkészsége fokozódik főleg a perifériás idegrendszerben Vészhelyzet: a motoros axonok spontán aktivitása izomgörcsök lépnek fel tetánia (nem azonos a tetanusszal!) A hipokalcémia/tetánia tünetei: Trousseau tünet: carpo spazmus (az alkar hajlító izmai) Chwostek tünet: az arcizmok görcse laryngospazmus: a gégeizmok görcse fulladásveszély!! Látens és manifeszt tetánia, provokációs tesztek 2
A hipokalcémia/tetánia tünetei Trousseau tünet Chwostek tünet A feszültségfüggő Na + csatornák aktivációs küszöbe nagyban függ az EC tér Ca 2+ koncentrációjától 3
A feszültségfüggő Na+ csatornák működési modelje, és a Ca2+ függés magyarázata (pl. perifériás idegek axonjai) Miért fontos a plazma (EC) Ca2+ koncentráció pontos szabályozása? II. A túl magas Ca 2+ koncentráció veszélyei: A plazma (és ECF) kalcium és foszfát koncentrációja a telítődés közelében van. További növekedés Ca-foszfát csapadék képződésének (kalcifikáció) veszélyével jár, főleg a lágyrészekben, szervekben (pl. vese) Milyen hatások védenek a spontán kalcifikációtól? A vér (plazma) folyamatos áramlása, semleges ph, kristályképződési mag hiánya, pirofoszfátok jelenléte A szervezetben egy helyen történik fiziológiás körülmények között szabályozott kalcifikáció: a csontban! 4
A nephrocalcinosis radiológiai tünetei hiperkalcémia krónikus következménye (kalcium sók lerakódása a vese (piramis) szöveteiben funkcionális zavarok) Hasi röntgen felvétel CT felvétel http://www.learningradiology.com/archives2013/cow%20546-medullary%20nephrocalcinosis/mednephrocorrect.html A vérplazma Ca 2+ és foszfát tartalma Összes kalcium: 2,15-2,5 mmol/l, de 1,16-1,32 (50%) ionizált (szabad) kalcium biológiailag aktív 40% plazmafehérjékhez kötött a kötés ph függő: savas ph csökken a Ca-kötés hiperkalcémia lúgos ph növekszik a Ca-kötés hipokalcémia!! 10% komplexekben van lekötve A vérplazma foszfát koncentrációja: 0,8-1,2 mmol/l 50% ionizált 40% komplexek formájában 10% fehérjéhez kötött 5
Surface charge and isoelectric point (IEP) of plasma albumin Influence of ph on the ionized Ca 2+ cc. of the blood plasma szabad Ca 2+ ph=7.4 disszociáció - Ca 2+ - adszorpció plazma albumin szabad Ca 2+ (tetánia) A szervezet Ca 2+ tartalmának megoszlása 10g 990g 6
A szervezet kalcium forgalma Remodelling: csont lebontás és képzés dinamikus egyensúlya A kalcium forgalom és a csonttömeg változásai az egyes életszakaszokban 35-40 év (peak bone mass) Menopauza! Pozitív Ca 2+ mérleg Negatív Ca 2+ mérleg Fokozott Ca 2+ szükséglet: terhesség, szoptatás, növekedési periódus, egyes betegségek alatt Magas Ca 2+ tartalmú táplálékok: tej, tejtermékek, húsok 7
A Ca 2+ és foszfát forgalom szabályozó tényezői Kizárólag endokrin szabályozás kalciotrop hormonok: parathormon (parathyreoid mirigyek termelik) 1,25 dihydroxy cholecalciferol (kalcitriol) (D-vitamin-hormon, máj és vese szerepe) kalcitonin (pajzsmirigy parafollikuláris C- sejtjei termelik) A mellékpajzsmirigy hormonja a parathormon (PTH) Mellékpajzsmirigy: 4 db mirigy a pajzsmirigy hátsó felszínén 84 aminósav, peptid hormon analógok: PTHrP, (paraneoplázia tumorsejtek termelhetik) + chondrocyta regulátor A keringési féléletideje ~5 min Fő funkciója: a hipokalcémia elleni védelem 8
A pajzsmirigy és a mellékpajzsmirigy anatómiai lokalizációja pajzsmirigy lebenyei pajzsmirigy Mellékpajzsmirigyek (glandulae parathyreoideae) mellékpajzsmirigyek A pajzsmirigy műtétek lehetséges szövődménye: mellékpajzsmirigy eltávolítás hipokalcémia! A parathormon elválasztása A kiválasztást közvetlenül a plazma Ca 2+ koncentrációja befolyásolja: pca 2+ csökken - kiválasztás fokozódik A pca 2+ szint változását egy speciális sejt felszíni receptor érzékeli (7TM/G-fehérje kapcsolt) A kalcitriol gátolja a szekrécióját (negatív visszacsatolás) 9
A kalcium-szenzor mechanizmus a mellékpajzsmirigyben A parathormon központi szerepe a Ca 2+ szabályozásban Ca 2+ gátlás serkentés PTH calcitriol csont vese GIT 10
A parathormon hatásai 7TM receptoron hat Csont: csont lebontás fokozása (oszteociták, oszteoklasztok) Vese: foszfát reabszorpció gátlása (proximális kanyarulatos csatorna), Ca 2+ reabszorpció fokozása (disztális kanyarulatos csatorna) Kalcitriol szintézis fokozása: 1α-hidroxiláz aktiválása A PTH receptor Vese- (tubulushámsejtek) és csontsejtek (osteoblast, osteocita) expresszálják Bimodális receptor (camp/ip3 - α s /α q ) több intracelluláris végrehajtó mechanizmus 11
PTH: oszteoblasztokon hat, de az oszteoklaszt aktivitást fokozza! (Osteoblast-osteoclast coupling) Részleteket lásd később a csontélettan előadásban! PTH által szabályozott Ca 2+ reabszorpció a disztális kanayarulatos csatorná (distal convoluted tubulus; DCT) PTH PTH Ca 2+ visszaszívást fokozza: luminális Ca 2+ csatornák aktiválása bazolaterális membrán aktív Ca 2+ transzportjának fokozása 12
Direkt Ca 2+ -érzékelő mechanizmus kalcium visszaszívás szabályozása a Henle kacs vastag felszálló szegmentumában (thick ascending segment of the loop of Henle, TAL) (extra Ca 2+ kiválasztása védelem a tartós hyperkalcémia ellen!) PTH gátolja a foszfát visszaszívást a proximális kanyarulatos csatornában! (jelentősége: meggátolja a kalcium mobilizálással (csontból) együtt járó foszfát felszabadulás káros következményeit foszfát ürítés/kalcium megtartás) PTH 13
1,25-dihidroxi-kolekalciferol (kalcitriol, D vitamin - hormon) A szervezet képes a szintézisére, de az UV besugárzás hiánya miatt pótlásra szorulhatunk Szintézisét (1 α -OH) a parathormon, hipokalcémia és a hipofoszfatémia fokozza Lipidoldékony: hatásait (nagyrészt) intracelluláris receptoron keresztül (VDR) fejti ki, a génexpresszió szabályozásával Napi bevitel (RDA, felnőtt): kb. 200-400 IU/d (5-10 µg Prohormonok: vitaminok D 2 - ergokalciferol (növényi) D 3 - kolekalciferol (állati) 14
A kalcitriol hatásai GIT: a vékonybélben fokozza a kalcium és foszfát felszívódását Csont: közvetlenül fokozza a reszorpciót (Ca 2+ mobilizációt); indirket hatás (Ca 2+ kínálat növelés) miatt azonban fokozza a mineralizációt Vese: gátolja az 1α hidroxilázt - negatív visszacsatolás gyenge hatás: Ca2+ és foszfát visszaszívás fokozása Mellékpajzsmirigy: gátolja a PTH elválasztást Nem-specifikus anti-proliferatív (pl. keratinocyta) és anti inflammatorikus hatás A D vit. hormon szerepe a Ca 2+ felszívódás szabályozásában a vékonybélben TRPV5/6: Transient Receptor Potential Receptor Vanilloid type 5/6 NCX1: Na + -Ca 2+ Exchanger type 1; PMCA1b: Plasma Membrane Ca 2+ pump type 1b 15
A táplálkozással bevitt kalcium (és részben D vitamin) forrásai és problémái Javasolt bevitel: Nem javasolt: Fokozott Ca 2+ (és D vit.)szükséglet: terhesség, szoptatás, növekedési periódus, egyes betegségek esetén anorganikus foszfát tartalom polikarbonsavak 16
Nem-specifikus anti-proliferatív és gyuladásgátló hatása a D vitaminnak A. Effects of 1,25 Vitamin D on T cells include suppression of T cell proliferation, a shift from Th1 to a Th2 development, inhibition of Th17 cell development and facilitation of T regulatory cells. B. Effects of 1,25 Vitamin D on monocytes and dendric cells include inhibition of inflammatory cytokine production by monocytes and inhibition of dendritic cell differentiation and maturation. D-hypovitaminózis: rachitis (angolkór) (a kalcium hiány miatt kompenzatórikus PTH hiperszekréció!) Megelőzés: 2 éves korig D (+K) vitamin cseppeket kapnak a gyerekek Táplálékok is tartalmazzák (növényi olajok, margarinok) Felnőttkori hiány: oszteomalácia 17
A parathormon központi szerepe a Ca 2+ szabályozásban Ca 2+ gátlás serkentés PTH calcitriol csont vese GIT Kalcitonin A pajzsmirigy parafolliculáris C (clear) sejtjei termelik 32 aminósav hosszú peptid, alternatív transzlációs termék: CGRP (neuronokban expresszálódik) Magas Ca-szint fokozza a szekréciót (hasonló Ca-érzékeny receptor, mint PTH esetében eltérő sejtszignalizáció) Csökkenti a csontlebontást az oszteoklasztok gátlásával: csökkenti a plazma Ca szintet Vese: Ca2+ és foszfát ürítés A pontos élettani szerepe tisztázatlan Prokalcitonin: bakteriális fertőzés esetén termelődik, szeptikus sokk indikátora (biomarker)- LPS, citokinek fokozzák a termelését 18
19
A csont élettana A csont funkciói: A test belső szilárd váza Ásványi anyagok (Ca, P, Mg, F) raktározása Csontvelő védelme (hemopoézis) Az élő csont egy dinamikus szövet (szerv), alkalmazkodik a mechanikus terhelés változásaihoz (növekedés, remodelling), Ca 2+ és foszfát ionokat mobilizál 3 év alatt a teljes csontállomány kicserélődik A kalcium forgalom és a csonttömeg változásai az egyes életszakaszokban 35-40 év (peak bone mass ~20%) Menopauza! Pozitív Ca 2+ mérleg Negatív Ca 2+ mérleg Fokozott Ca 2+ szükséglet: terhesség, szoptatás, növekedési periódus, egyes betegségek alatt Magas Ca 2+ tartalmú táplálékok: tej, tejtermékek, húsok 20
- Makroszkópos anatómia lemezes csontállomány Kompakt csontállomány Csontvelő (fehér) Csontvelő (vörös) Lemezes csontállomány szerkezete: követi a csontban ható erővonalak lefutását 21
A csont felépítése Anorganikus állomány (70%): szilárddá, teherbíróvá teszi a csontot hydroxyapatit kristályok (3 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) lassan mobilizálhatók amorf Ca-foszfát kristályok gyorsan mobilizálhatók Organikus csontmátrix (~22%): a csont rugalmasságát biztosítják, a feszülést elosztják, hajlítással szemben ellenállóvá teszik a csontot (vasbeton analógia) I.-típusú kollagén rostok, szulfatált polyaminoglikánok +több szabályozó (növekedési) faktor is raktározódik a mátrixban! Extracelluláris folyadék: az oszteociták biztosítják az összetétel állandóságát Sejtes elemek: oszteoblasztok és oszteociták: kötőszöveti (mesenchymalis) eredet diffúz hálózatot képeznek oszteoklasztok: a hemopoetikus rendszer tagjai 22
A szervezet Ca 2+ tartalmának megoszlása 10g 990g A csont felépítése Anorganikus állomány (70%): szilárddá, teherbíróvá teszi a csontot hydroxyapatit kristályok (3 Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) lassan mobilizálhatók amorf Ca-foszfát kristályok gyorsan mobilizálhatók Organikus csontmátrix (~22%): a csont rugalmasságát biztosítják, a feszülést elosztják, hajlítással szemben ellenállóvá teszik a csontot (vasbeton analógia) I.-típusú kollagén rostok, szulfatált polyaminoglikánok +több szabályozó (növekedési) faktor is raktározódik a mátrixban! Extracelluláris folyadék: az oszteociták biztosítják az összetétel állandóságát Sejtes elemek: oszteoblasztok és oszteociták: kötőszöveti (mesenchymalis) eredet diffúz hálózatot képeznek oszteoklasztok: a hemopoetikus rendszer tagjai 23
A kollagén rostok szerkezete és a hidroxiprolin jelentősége (C-vitamin szerepe) http://what-when-how.com/molecularbiology/collagen-part-1-molecular-biology/ Figure 4. A schematic drawing illustrating direct interchain hydrogen bonding between (Gly)NH CO(Pro in X position) the collagenous triple-helix. The three charms (a, b, and c) with repeated Gly-Pro(x)-Pro(y) sequence, eg, -Ga-Xa-Ya, -C Yb-. Proteoglikánok extracelluláris mátrix képzők http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/biol2060/biol2060-17/cb17.html 24
A csont mikroszkópos anatómiája Havers csatornák Osteociták és kanalikuluszok Havers csatornák Lemezes csont Kortikális (kompakt) csont A csontsejtek funkciói Oszteoblasztok: kollagén szintézis (C vitamin függő hidroxiprolin) oszteokalcin termelés: Ca-kötő fehérje (Gla-feh. K vitamin függő) újabb vizsgálatok: lehetséges endokrin szerep (inzulin, tesztoszteron) (alkalikus) foszfatázok, pirofoszfatázok szekréciója: ezek fokozzák lokálisan a foszfát koncentrációt Ca 2+ szekréció - (mátrix vezikulák) az EC térben mineralizáció Oszteociták: az ECF összetételének biztosítása, Ca 2+ mobilizáció Oszteoklasztok: a csontállomány (EC mátrix) lebontása/reszorpció: Lizoszómális enzimek (proteázok, savi foszfatázok), protonok (savas környezet) szekréciója Ca 2+ felvétel a vérplazma felé továbbítása 25
A sejtközötti állomány mineralizációjának lehetséges mechanizmusai 14170 14175 PNAS August 28, 2012 vol. 109 no. 35 Az egyes sejtes elemek kapcsolata a csontképzés és -lebontás során 26
Oszteoklasztok: a csontállomány (EC mátrix) lebontása/reszorpció A sejtek működését befolyásoló szöveti hormonok és más mediátor molekulák RANK: Receptor for the Activation of Nuclear factor Kappa-B: az oszteoklasztokon kimutatott receptor fehérje RANK-ligand: az oszteoklasztok aktivátora, az oszteoblasztok kezdik el termelni különböző ingerek (prosztaglandinok, TNFa, interleukinek, kortizol, parathormon, kalcitriol) hatására Oszteoprotegerin: (oszteoblasztok termelik) gátolja az oszteoklasztok működését (az ösztrogének szabályozzák!!) 27
PTH: oszteoblasztokon hat, de az oszteoklaszt aktivitást fokozza! (Osteoblast-osteoclast coupling) 28
A csont működését befolyásoló, nem kalciotróp hormonok Ösztrogének: gátolják a csontlebontást GH/IGF: fokozzák a csonképzést (kondrociták) Kortizol (glukokortikoidok): fokozzák a csont reszorpciót T3 (trijód-thyronine): permisszív hatás az oszteoblaszt és oszteoklaszt működésre: magas T3 reszorpció Csontosodás - csontfejlődés 29
Az csöves csontok csontosodása epifizeális porckorong 30
A testmagasság növekedésének üteme és követése Hormonális háttér: Növekedési hormon IGF-I inzulin, T3/T4, szöveti hormonok, sexualszteroidok glükokortikoidok Hematogén csontosodás (ossicificatio): Törések után heg (callus) képzés 31
A csontszövet kóros változásai Oszteomalácia: a csont anorganikus állományának csökkenése (Ca 2+ vegyületek relatív hiánya) - felpuhul pl.: D vitamin hiány (rachitisz, angolkór), parathormon túltermelés Oszteopénia Oszteoporózis: mind az organikus mind az anorganikus sejtközötti állomány csökken: a csont sűrűsége csökken, törékennyé válik Gyakoribb törések, spontán törések (csigolyák) mozgáskorlátozottság, fájdalom Nőknél különösen gyakori a menopauza után (az ösztrogének védő szerepének kiesése OPG: oszteoprotegerin) szűrővizsgálat: csontsűrűség mérés (röntgen denzitometria) A csontsűrűség változása az életkor előrehaladtával, nőknél 32
A csontsűrűség mérés eredménye Figure 1. This is a microct image of the lumbar 5 vertebrae of two mouse strains. These two strains differ in only a very small region of chromosome 6. The differences in quantitative BMD as measured by pqct was only 2.3%. However, by uct there was a nearly 20 % difference in bone volume/total volume, as well as a 40% difference in the plate vs rod structure of the trabecular vertebrae. This illustration provides a good example of how bone 'quality' differs from bone quantity. 33
Therapeutic possibilities Drug* Use Advantages Disadvantages/side effects Bisphosphon ate e.g. alendronate, etidronate Decreases bone resorption Effective in the treatment of established osteoporosis. Used orally. May be added to estrogen. May be used to prevent glucocorticoid associated osteoporosis Used long-term. Some specific side effects e.g. gastrointestinal Estrogen Prevention or treatment of established osteoporosis Effective. Also has other benefits e.g. on cardiovascular risk Used long-term. Some increase in risk of breast cancer and venous thromboembolism PTH Stimulates bone deposition. Treatment of established osteoporosis Effective in short term studies Expensive. Given by injection. Currently experimental. Not currently licensed PTH secretagogu e e.g. NPS2143 Promotes PTH secretion by inhibiting the parathyroid Ca 2+ receptor Effective when used in conjunction with an inhibitor of bone resorption (estrogen) Currently experimental Proton pump inhibitor e.g. SB242784 Prevents acidification of the osteoclast space and thus inhibits bone resorption Effective in animal models of hypogonadal osteoporosis Experimental 34
35
A vékonybél szerepe a Ca/foszfát homeosztázis szabályozásában A táplálékkal fevett Ca2+ 15%-a passzívan felszívódik (paracelluláris út) Max. további 15% transzcelluláris (epitheliális) aktív transzporttal kerül felszívásra a duodenumban: specifikus ioncsatornák: TRPV család ionpumpák/transzporterek: PMCA és NCX Ca-kötő fehérjék: calbindin - mindezek expresszióját befolyásolja a kalcitriol Ugyanakkor a bélbe szekretálódik is kalcium A vese szerepe a Ca-foszfát homeosztázis szabályozásában Naponta kb. 10g Ca2+ filtrálódik, de 99% visszaszívódik 90% a proximális tubulusban (passzív) 10% a disztális tubulusban, aktív, hormonálisan szabályozott folyamat Vízhajtók befolyásolhatják ezeket a folyamatokat 36
37