臨床生物化學/鈣、磷代謝及其調節
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（一）血鈣與血磷
⒈血鈣血鈣幾乎全部存在於血漿中，正常人血鈣波動甚小，保持於2.25-2.75mmol/L（10±1mg/dl或4.5-5.5mEq/L）。血漿鈣分為可擴散鈣和非擴散鈣兩大類。非擴散鈣是指與蛋白質（主要是白蛋白）結合的鈣，約佔血漿總鈣的40％，它們不通透毛細血管壁，也不具有前述生理功用。
血漿（清）鈣的60％是可擴散鈣，其中一部分（占血漿總鈣的15％）是複合鈣，即是與檸檬酸、重碳酸根等形成不解離的鈣。發揮血鈣生理作用的部分是離子鈣，佔總鈣的45％，非擴散鈣與離子鈣之間可以互相轉化。臨床上常測定血清總鈣量以觀察血清離子鈣的變化情況，方法簡便。但由於非擴散鈣部分可隨血清白蛋白濃度的增減而改變，即同時引起血清總鈣含量的增減，但不影響血清離子鈣的濃度。目前已可應用離子選擇電極等方法直接測定血清中離子鈣的濃度，其正常參考值為0.94-1.26mmol/L。
血清pH值對血鈣濃度有顯著影響，酸中毒時蛋白結合鈣向離子鈣轉化；鹼中毒時，血漿離子鈣濃度降低，此時雖血漿總鈣含量無改變，亦可出現抽搐現象。
⒉血磷血液中的磷以有機磷和無機磷兩種形式存在。有機磷酸酯和磷脂存在於血細胞和血漿中，含量甚大，血磷通常是指血漿中的無機磷，正常人血漿無機磷含量為成人1.1-1.3mmol/L（3.5-4.0mg/dl），嬰兒為1.3-2.3mmol/L（4-7mg/dl），血漿無機磷酸鹽的80％-85％以HPO42-的形式存在，其餘為H2PO4-，PO43-僅含微量。
血漿磷的濃度不如血漿鈣濃度穩定，新生兒血磷約為1.8mmol/L（5.5mg/dl），6個月嬰兒可升高至2.1mmol/L（6.5mg/dl）。此後隨年齡增長又逐步下降，15歲時達成人水平。兒童時期血磷高是由於兒童處於成骨旺盛期，鹼性磷酸酶活性較高所致。成年人血磷也有一定的生理變動，進食、攝糖、注射胰島素和腎上腺素等情況下，由於細胞內磷的利用增加，也可引起血磷降低。血鈣與血磷之間也有一定的濃度關係，正常人鈣、磷濃度（mg/dl）的乘積在36-40之間，病理條件下此值可高於40或低於36。
（二）鈣磷代謝及其調節
⒈鈣、磷的吸收與排泄正常成人日攝入鈣量在0.6-1.0g之間。發育期兒童、少年、孕婦及授乳婦女需較多的鈣。食物鈣主要含於牛奶、乳製品及果菜中。鈣主要在十二指腸吸收，成人每日可吸收0.1-0.4g，鈣吸收主要是在活性維生素D3調節下的主動吸收。腸管pH明顯地影響鈣的吸收，偏鹼時可以促進Ca3（PO4）2的生成，因而能減少鈣的吸收。乳酸、氫基酸及胃酸等酸性物質有利於Ca3（H2PO4）2的形成，因此能促進鈣的吸收。食物中的草酸和植酸可與鈣形成不溶性鹽，影響鈣的吸收。食物中鈣磷比例對吸收也有一定影響，Ca：P＝2：1時吸收最佳。
鈣通過腸管及腎排泄。由消化道排出的鈣一部分是未吸收的食物鈣，另一部分是腸管分泌的鈣（每日可達600mg），分泌的鈣量可因攝入高鈣膳食而增加，嚴重腹瀉排鈣過多可導致缺鈣。經腎排泄的鈣占體內總排鈣量的20％。每日由腎小球濾出約10g鈣，其中約一半在近曲小管被重吸收，1/5在髓袢升段被吸收，其餘在遠曲小管和集合管被吸收，尿中排鈣量只佔濾過量的1.5％（約150mg）。尿鈣的排出量受血鈣濃度的直接影響，血鈣低於2.4mmol/L（7.5mg/dl）時尿中無鈣排出。
成人每日進食磷約1.0-1.5g，以有機磷酸酯和磷脂為主，在腸管內磷酸酶的作用下分解為無機磷酸鹽。磷在空腸吸收最快，吸收率達70％，低磷膳食時吸收率可達90％。由於磷的吸收不良而引起的缺磷現象較少見，但長期口服氫氧化鋁凝膠以及食物中鈣、鎂、鐵離子過多，均可由於形成不溶性磷酸鹽而影響磷的吸收。
腎是排泄磷的主要器官，腎排出的磷占總磷排出量的70％，30％由糞便排出。每天經腎小管濾過的磷可達5g，約85％-95％被腎小管（主要是近曲小管）重吸收。
⒉鈣磷代謝的調節鈣、磷的吸收與排泄、血鈣與血磷的水平、機體各組織對鈣磷的攝取利用和儲存等都是在活性維生素D、甲狀旁腺激素及降鈣素這三種激素的調節下進行的。
⑴甲狀旁腺素：甲狀旁腺素（parathyroidhormone，PTH）是由甲狀旁腺的主細胞合成並分泌的一種單鏈多肽。初合成的是含115個胺基酸殘基的前甲狀旁腺素原，再在粗面內質網去掉N端25個胺基酸殘基形成甲狀旁腺素原，後者在高爾基複合體內從N端去掉一個肽，形成84個胺基酸殘基的PTH，分子量9500。
PTH的合成與分泌受細胞外液Ca3+濃度的調節，血鈣濃度低（如降至1.3mmol/L）時可明顯促進PTH的合成與分泌；血鈣濃度高（如達3.9mmol/L）則抑制PTH的合成與分泌。血鈣在1.3-3.9mmol/L範圍內，血鈣濃度與PTH分泌呈負相關關係。
在肝枯否細胞及腎小管細胞，PTH均可被分解為N端兩個片段，N片段具有PTH活性，可被肝細胞、腎及骨組織攝取，C片段無PTH活性（表）6-1。
表6-1 血中PTH各片段的活性比較
| 片段 | 分子量 | 產生器官 | 激素活性 | 靶器官 | 百分比 | 血中 | 代謝 |
| 完整PTH | 9500 | 甲狀旁腺 | ＋ | 腎 | ＜10 | ＜10分鐘 | 肝、腎 |
| N片段 | 3000-4000 | 肝、腎 | ＋ | 腎、骨 | ＜10 | ＜10分鐘 | 腎、骨 |
| C片段 | 6000-7000 | 肝、腎 | － | ／ | ＜80 | ＞1小時 | 腎 |
| 甲狀旁腺 |
PTH是維持血鈣正常水平的最重要的調節因素，它有升高血鈣、降低血磷和酸化血液等作用，其主要靶器官是骨、腎小管，其次是小腸粘膜等。PTH作用於靶細胞膜。活性腺苷酸環化酶系統，增加胞質內cAMP及焦磷酸鹽濃度。cAMP能促進粒線體Ca2+轉入胞質；焦磷酸鹽則作用細胞膜外側，使膜外側Ca2+進入細胞，結果可引起胞質內Ca2+濃度增加，並激活細胞膜上的「鈣泵」，將Ca2+主動轉運至細胞外液，導致血鈣升高。
PTH對骨的作用：骨是最大的鈣儲存庫，PTH總的作用是促進溶骨，提高血鈣。PTH可在數分鐘到數小時內引起骨鈣動員，使密質骨中的鈣釋放入血，此種作用迅速但不持久。數小時至數日內，PTH的作用是將前破骨細胞和間質細胞轉化為破骨細胞，使破骨細胞數目增多，引起溶骨作用和骨鈣的大量釋放。PTH對破骨細胞的作用是使細胞內Ca2+濃度增加，進而促使溶酶體釋放各種水解酶；另一方面抑制異檸檬酸脫氫酶等酶活性，使細胞內異檸檬酸、檸檬酸、乳酸、碳酸及透明質酸等濃度增高，促進溶骨。此外，膠原酶活性也顯著升高，這均有利於溶骨作用。
PTH對腎的作用：主要是促進磷的排出及鈣的重吸收，進而降低血磷，升高血鈣。它作用於腎遠曲小管和髓袢上升段以促進鈣的重吸收；抑制近曲小管及遠曲小管對磷的重吸收，使尿磷增加。
此外，PTH促進腎活性維生素D的形成，它能促進腎25-（OH）-D3lα-羥化酶的活性增高，從而促進25-（OH）-D3lα-羥化作用。
PTH對小腸的作用是促進腸管對鈣的重吸收，這一作用是通過活性維生素D來實現的。PTH刺激腎25-（OH）-D3lα-羥化酶，促進lα，25-（OH）-D3的生成，後者作用於小腸，促進小腸對鈣和磷的吸收。
⑵降鈣素：降鈣素（calcitonin，CT）是由甲狀腺濾泡旁細胞（parafollicularcell，C細胞）合成、分泌的一種單鏈多肽激素，由32個胺基酸殘基組成，分子量3500。CT在初合成時是由136個胺基酸殘基組成的分子量為15000的前體物。此前體物中還含有一個稱為下鈣素（katacalicin）的21肽肽段。當血鈣增高時，降鈣素及下鈣素等分子分泌，下鈣素能增強降鈣素降低血鈣的作用，血鈣低於正常時CT分泌減少。CT作用的主要靶器官是骨、腎和小腸。CT對骨的作用是抑制破骨細胞活性，從而抑制骨基質的分解和骨鹽溶解，同時抑制破骨細胞的生成，還有使間質細胞轉變為成骨細胞的作用，結果促進骨鹽沉澱，降低血鈣。此外，它還抑制腎小管對磷的重吸收，以增加尿磷，降低血磷。
⑶維生素D：天然存在的維生素D有兩種，即維生素D2（麥角鈣化醇，erqocalciferol）及維生素D3（膽鈣化醇，cholecalciferol）。維生素D2及D3具有相同的生理作用，且都必須在體內進行一定的代謝轉變，成為活化型後才能發揮其生物學作用，肝和腎是維生素D活化的主要器官。
肝細胞微粒體中有維生素D3-25-羥化酶系，可在NADPH、O2和Mg2+參與下將維生素D3羥化生成25-（OH）-D3。在肝生成的25-（OH）-D3與血漿中特異的α2-球蛋白（D結合蛋白）結合，運輸至腎，在腎近曲小管上皮細胞粒線體中的25-（OH）2-D3lα-羥化酶系（包括黃素酶．鐵硫蛋白和細胞色素P450）的催化下，羥化生成lα，25-（OH）2-D3。後者具有較強的生理活化，其活性比維生素D3高10-15倍，被視為維生素D的活化型，並被當作激素。
1α，25-（OH）2-D3能反饋地抑制25-OH-D3-1α-羥化酶的活性，但可誘導腎25-OH-D3-24-羥化酶的合成。故當體內1α，25(OH)2-D3減少時，25-(OH)-D3傾向於合成高活性的1α，25(OH)2-D3；而當1α，25(OH)2-D3過多時，可形成低活性的1，24，25-(OH)2-D3，這對於防止體內活性維生素D產生過多，控制維生素D中毒有重要意義。
無機磷可抑制25(OH)-D3-1α-羥化酶系的活性，故當血磷降低時可促進1，25-(OH)2-D3的生成，血磷正常或增高時，25-(OH)-D3-1α-羥化酶系活性降低。甲狀旁腺激素亦可促進1α，25-(OH)2-D3的生成；而降鈣素則抑制此過程。
活性維生素D3作用的靶器官主要是小腸、骨和腎。
對小腸的作用：1α，25-(OH)2-D3具有促進小腸對鈣、磷的吸收和轉運的雙重作用，即促進腸粘膜細胞膜對鈣的通透、細胞內的結合及轉運。鈣主要在十二指腸吸收，腸粘膜上皮細胞刷狀緣存在著可控制Ca2+通透的孔道，而在基底膜一側，Ca2+向血液的轉運是在Ca2+-ATP酶作用下的主動耗能過程。
1α，25-(OH)2-D3進入腸粘膜上皮細胞後，首先與細胞液中特異受體結合，然後起到下述生理作用：①與受體結合的1α，25-(OH)2-D3直接作用於刷狀緣，改變膜磷脂的結構與組成（增加磷脂醯膽鹼和不飽和脂肪酸含量），從而增加鈣的通透性；②與受體結合的1α，25-(OH)2-D3進入細胞核，加快DNA轉錄mRNA，促進與Ca2+轉運有關的蛋白質（鈣結合蛋白，Ca2+-ATP酶）的生物合成；③與受體結合的1α，25-(OH)2-D3還刺激基底膜腺苷酸環化酶的活化。這樣，進入細胞的Ca2+和cAMP都作為第二信使，發揮其調節作用。
在1α，25-(OH)2-D3的作用下，細胞內鈣濃度升高，一部分Ca2+進入粒線體，鈣結合蛋白多位於粘膜細胞的基底膜側，它可從粒線體接受Ca2+，再將Ca2+轉運到基底膜的鈣泵上，將Ca2+輸送至血液中。小腸粘膜還可通過Na+-Ca2+交換體系（需與Na+，K+-ATP酶相偶聯）將Ca2+轉運至血液。
1α，25-(OH)2-D3還能促進小腸粘膜細胞對磷的吸收。
對骨的作用：1α，25-(OH)2-D3對骨的直接作用是促進溶骨，用佝僂病動物實驗證明：骨鈣沉積於骨端軟骨的作用也以1α，25-(OH)2-D3為最高。1α，25-(OH)2-D3與PTH協同作用下，加速破骨細胞的形成，增強破骨細胞活性，通過促進腸管鈣、磷的吸收及促進溶骨，使血鈣、血磷水平增高以利於骨的鈣化。也就是說，1α，25-(OH)2-D3能維持骨鹽溶解與沉積的對立統一過程，有利於骨的更新與生長。
對腎的作用：1α，25-(OH)2-D3對腎小管上皮細胞的作用是促進對鈣、磷的重吸收，其機制也是增加細胞內鈣結合蛋白的生物合成。
在正常人體內，通過PTH、CT、1α，25-(OH)2-D3三者的相互制約，相互協調，以適應環境變化，保持血鈣濃度的相對恆定。現將上述三種激素對鈣磷代謝的影響列於表6-2。
表6-2 三種激素對鈣磷代謝的影響
| 激素 | 腸鈣吸收 | 溶骨作用 | 成骨作用 | 腎排鈣 | 腎排磷 | 血鈣 | 血磷 |
| PTH | ↑ | ↑↑ | ↓ | ↓ | ↑ | ↑ | ↓ |
| CT | ↓（生理劑量） | ↓ | ↑ | ↑ | ↑ | ↓ | ↓ |
| 1α，25-(OH)2-D3 | |||||||
| ↑↑ | ↑ | ↑ | ↓ | ↓ | ↑ | ↑ |
↑升高：↑↑顯著升高；↓降低
 鈣、磷的生理功用 | 鈣、磷代謝異常  |
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