生物化學與分子生物學/鈣、磷與骨的鈣化及脫鈣

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生物化學與分子生物學

鈣磷代謝及微量元素
- 鈣磷代謝
  - 血鈣和血磷
  - 鈣、磷的吸收與排泄
  - 鈣、磷與骨的鈣化及脫鈣
  - 鈣磷代謝的調節

骨是一種特殊的結締組織，不僅做為人體的支架組織，而且是人體中鈣、磷的最大儲庫。通過成骨與溶骨作用，不斷與細胞外液進行鈣磷交換、對維持血鈣和血磷穩定有重要作用。

(一)骨的組成

骨由無機鹽、又稱骨鹽(bonysalts)、有機基質和骨細胞等組成。骨鹽增加骨的硬度，基質決定骨的形狀及韌性，骨細胞在代謝中起主導作用。

骨鹽占骨幹重的65～70%，其主要成分為磷酸鈣，佔84%，其它還有CaCO3佔10%，檸檬酸鈣佔2%，磷酸鎂佔1%，和Na2HPO4佔2%等。骨鹽約有60%以結晶的羥磷灰石(hydroxyapatite)形式存在，其餘40%為無定形的CaHPO4。據認為後者可以轉變為前者。羥磷灰石［Ca10(PO4)6(OH)2］是微細的結晶，亦稱骨晶(bone crystal)。每克骨鹽含有約1016個結晶，總的表面積可達100平方米，體液中其他離子如Ca2＋、Mg2＋、Na＋、Cl－、HCO3-、F－，檸檬酸根等可吸附在羥磷灰石的晶格之間。骨晶性質穩定，不易解離，但在其表層進行離子交換的速度較快。

骨中鎂離子占體內鎂離子總量的50%，骨中鈉離子也占體內鈉離子總量的35%，而且大部分鈉易於交換。所以骨骼不僅是身體的支持組織，也是貯存大量鈣、磷、鈉、鎂的器官，在維持體液電解質濃度的穩定性上具有重要作用。此外，骨鹽中的Ca2＋還可與體液中的H＋交換，當體液中［H＋］增多(酸中毒)時，由於Ca2＋H＋交換，可致骨鹽溶解。

骨基質包括膠原和非膠原化合物。膠原約佔90%以上。非膠原蛋白中含量較多的是骨鈣素(osteocalcin)和骨連接素(osteonectin)。骨鈣素為一種依賴維生素K的小分子酸性蛋白質，分子量約6000，其谷氨酸殘基在γ位羧化為γ-羧基谷氨酸，與羥磷灰石、Ca2＋有很高親和力、骨連接素是附著於膠原的一種糖蛋白，易與羥磷石結合，可能作為骨鹽沉積的核心。

(二)成骨作用與鈣化

骨的生長、修復或重建過程，稱為成骨作用(osteogenesis)。成骨過程中，成骨細胞先合成膠原和糖白多糖等細胞間質成分，形成所謂「骨樣質」(osteoid)，繼後骨鹽沉積於骨樣質中，此過程稱為鈣化(calcification)。

關於鈣化的機理，尚未完全闡明，研究表明下列變化可能參與和影響骨鹽的沉積：

(1)電鏡下可見成骨細胞表面突起形成很多囊泡。囊泡膜富含類脂並具有很高的鹼性磷酸酶活性，可水解基質中多種磷酸酯，使無機磷濃度升高。囊泡中富含絲氨酸磷酯，能與Ca2＋緊密結合，故能有效攝取周圍基質中Ca2＋。此外，成骨細胞具有鈣泵作用，可從周圍間隙中濃集鈣。這些因素共同作用，使骨組織鈣化局部Ca2＋和HPO42－升高，使［Ca］×［P］積升高，利於鈣鹽的沉積。

(2)正常血中存在鈣化抑制物，如焦磷酸鹽(pyrophosphate)，而成骨細胞囊泡中的磷酸酶可水解焦磷酸鹽，一方面解除其抑制作用，另一方面提供了充分的無機磷作為骨鹽沉著的原料。

(3)基質中的骨連接素可能提供羥磷灰石結晶形成的「晶核」，促使羥磷石結晶的形成。骨鈣素則可直接結合羥磷灰石，避免羥磷灰石在局部堆積，使之有規律地沉積於膠原上。

(4)實驗表明，膠原纖維的成熟和骨樣組織的正常，是骨鹽沉著的重要前提。

骨的生成和鈣化是一個複雜的生物過程，受多種因素的影響和調節，此方面的研究正在深入進行，並取得了一些可喜的進展。如發現了多種與骨生成相關的蛋白及細胞因子等。

(三)溶骨作用與脫鈣

骨在不斷的新舊更替之中，原有舊骨的溶解和消失稱為骨的吸收(bone resorption)或溶骨作用(osteolysis)。溶骨作用包括基質的水解和骨鹽的溶解，後者又稱為脫鈣(decalcification)。溶骨作用同成骨作用一樣，是通過骨組織細胞的代謝活動完成的。溶骨作用主要由破骨細胞引起，可分為細胞外相和細胞內相兩相完成。

破骨作用起始於細胞外。破骨細胞通過接觸骨面的刷狀緣，溶酶體釋放出多種水解酶類，如膠原酶可水解膠原纖維，糖苷酶水解氨基多糖。同時，破骨細胞通過糖元分解代謝產生大量乳酸，丙酮酸等酸性物質擴散到溶骨區，使局部酸性增加，促使羥磷灰石從解聚的膠原中釋出。破骨細胞產生檸檬酸能與Ca2＋結合形成不解離的檸檬酸鈣，降低局部Ca＋＋的濃度，從而促進磷酸鈣的溶解。繼後，多肽、羥磷灰石等經胞飲作用進入破骨細胞，並與溶酶體溶合形成次級溶酶體。在此多肽水解為胺基酸、羥磷灰石轉變為可溶性鈣鹽。最後，胺基酸、磷及Ca2＋從破骨細胞釋放入細胞外液，再入血，可參與血磷、血鈣的組成。因骨的有機質主要為膠原，溶骨作用增強時，血及尿中羥脯氨酸增高。因此可將血及尿中羥脯氨酸的量作為溶骨程度的參考指標。

正常成人，成骨與溶骨作用維持動態平衡，每年骨的更新率約1?%。骨骼發育生長時期，成骨作用大於溶骨作用。而老年人則骨的吸收明顯大於骨的生成，骨質減少而易發生骨質疏鬆症(osteoporosis)。骨鹽在骨中沉積或釋放，直接影響血鈣、血磷水平，在平時骨中約有1%的骨鹽與血中的鈣經常進行交換維持平衡，因此血鈣濃度與骨代謝密切相關。