钙磷镁与微量元素的临床生物化学

钙磷镁与微量元素的临床生物化学钙、磷、镁是人体的重要组成物质，具有广泛的生理功能，其代谢异常在临床上亦较多见。微量元素（traceelements）在体内具有广泛的生物学作用和临床意义，已引起医学界的重视。本章将扼要介绍钙磷镁及某些微量元素的生理作用、体内分布、代谢和代谢异常以及测定这些物质的临床意义。第一节钙、磷代谢及其异常一、钙、磷的生理功用钙盐和磷酸盐是人体内含量最高的无机盐，成人体内钙总量约为400-800g，约99％的钙和86％以上的磷存在于骨骼和牙齿中。（一）体内Ca2+的生理功能⒈血浆Ca2+可降低毛细血管和细胞膜的通透性，降低神经、肌肉的兴奋性当血浆Ca2+的浓度降低时，神经、肌肉的兴奋性增高，可引起抽搐。⒉血浆Ca2+作为血浆凝血因子Ⅳ参与凝血过程它是因子Ⅸ、因子Ⅹ、凝血酶原、因子ⅩⅢ等的激活作用中不可缺少的辅因子。⒊骨骼肌中的Ca2+可引起肌肉收缩当肌细胞内储存Ca2+受神经冲动而释放，Ca2+浓度增大到10-7-10-5mol/L时，Ca2+可迅速地与钙蛋白的钙结合亚基结合，引起一系列构象改变后导致肌肉收缩。⒋Ca2+是重要的调节物质一方面作用于质膜，影响膜的通透性及膜的转运。一方面，在细胞内Ca2+作为第二信使起着重要的代谢调节作用。此外，Ca2+还是许多酶（脂肪酶、ATP酶）的激活剂，Ca2+还能抑制维生素D3-1α-羟化酶的活性，从而影响代谢。（二）磷的生理功能⒈血中磷酸盐（HPO42-/H2PO4-）是血液缓冲体系的重要组成成分。⒉细胞内的磷酸盐参与许多酶促反应如磷酸基转移反应、加磷酸分解反应等。⒊构成核苷酸辅酶类（如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoA等）和含磷酸根的辅酶（如TPP、磷酸吡哆醛等），还构成多种重要的核苷酸（如ATP、GTP、UTP、CTP、cAMP、cGMP等）。⒋细胞膜磷脂在构成生物膜结构、维持膜的功能以及代谢调控上均发挥重要作用。酶蛋白及多种功能性蛋白质的磷酸与脱磷酸化则是代谢调节中化学修饰调节的最为普遍、最为重要的调节方式，与细胞的分化、增殖的调控有密切的关系。二、钙、磷代谢及其调节（一）血钙与血磷⒈血钙血钙几乎全部存在于血浆中，正常人血钙波动甚小，保持于2.25-2.75mmol/L（10±1mg/dl或4.5-5.5mEq/L）。血浆钙分为可扩散钙和非扩散钙两大类。非扩散钙是指与蛋白质（主要是白蛋白）结合的钙，约占血浆总钙的40％，它们不通透毛细血管壁，也不具有前述生理功用。血浆（清）钙的60％是可扩散钙，其中一部分（占血浆总钙的15％）是复合钙，即是与柠檬酸、重碳酸根等形成不解离的钙。发挥血钙生理作用的部分是离子钙，占总钙的45％，非扩散钙与离子钙之间可以互相转化。临床上常测定血清总钙量以观察血清离子钙的变化情况，方法简便。但由于非扩散钙部分可随血清白蛋白浓度的增减而改变，即同时引起血清总钙含量的增减，但不影响血清离子钙的浓度。目前已可应用离子选择电极等方法直接测定血清中离子钙的浓度，其正常参考值为0.94-1.26mmol/L。血清pH值对血钙浓度有显著影响，酸中毒时蛋白结合钙向离子钙转化；碱中毒时，血浆离子钙浓度降低，此时虽血浆总钙含量无改变，亦可出现抽搐现象。⒉血磷血液中的磷以有机磷和无机磷两种形式存在。有机磷酸酯和磷脂存在于血细胞和血浆中，含量甚大，血磷通常是指血浆中的无机磷，正常人血浆无机磷含量为成人1.1-1.3mmol/L（3.5-4.0mg/dl），婴儿为1.3-2.3mmol/L（4-7mg/dl），血浆无机磷酸盐的80％-85％以HPO42-的形式存在，其余为H2PO4-，PO43-仅含微量。血浆磷的浓度不如血浆钙浓度稳定，新生儿血磷约为1.8mmol/L（5.5mg/dl），6个月婴儿可升高至2.1mmol/L（6.5mg/dl）。此后随年龄增长又逐步下降，15岁时达成人水平。儿童时期血磷高是由于儿童处于成骨旺盛期，碱性磷酸酶活性较高所致。成年人血磷也有一定的生理变动，进食、摄糖、注射胰岛素和肾上腺素等情况下，由于细胞内磷的利用增加，也可引起血磷降低。血钙与血磷之间也有一定的浓度关系，正常人钙、磷浓度（mg/dl）的乘积在36-40之间，病理条件下此值可高于40或低于36。（二）钙磷代谢及其调节⒈钙、磷的吸收与排泄正常成人日摄入钙量在0.6-1.0g之间。发育期儿童、少年、孕妇及授乳妇女需较多的钙。食物钙主要含于牛奶、乳制品及果菜中。钙主要在十二指肠吸收，成人每日可吸收0.1-0.4g，钙吸收主要是在活性维生素D3调节下的主动吸收。肠管pH明显地影响钙的吸收，偏碱时可以促进Ca3（PO4）2的生成，因而能减少钙的吸收。乳酸、氢基酸及胃酸等酸性物质有利于Ca3（H2PO4）2的形成，因此能促进钙的吸收。食物中的草酸和植酸可与钙形成不溶性盐，影响钙的吸收。食物中钙磷比例对吸收也有一定影响，Ca：P＝2：1时吸收最佳。钙通过肠管及肾排泄。由消化道排出的钙一部分是未吸收的食物钙，另一部分是肠管分泌的钙（每日可达600mg），分泌的钙量可因摄入高钙膳食而增加，严重腹泻排钙过多可导致缺钙。经肾排泄的钙占体内总排钙量的20％。每日由肾小球滤出约10g钙，其中约一半在近曲小管被重吸收，1/5在髓袢升段被吸收，其余在远曲小管和集合管被吸收，尿中排钙量只占滤过量的1.5％（约150mg）。尿钙的排出量受血钙浓度的直接影响，血钙低于2.4mmol/L（7.5mg/dl）时尿中无钙排出。成人每日进食磷约1.0-1.5g，以有机磷酸酯和磷脂为主，在肠管内磷酸酶的作用下分解为无机磷酸盐。磷在空肠吸收最快，吸收率达70％，低磷膳食时吸收率可达90％。由于磷的吸收不良而引起的缺磷现象较少见，但长期口服氢氧化铝凝胶以及食物中钙、镁、铁离子过多，均可由于形成不溶性磷酸盐而影响磷的吸收。肾是排泄磷的主要器官，肾排出的磷占总磷排出量的70％，30％由粪便排出。每天经肾小管滤过的磷可达5g，约85％-95％被肾小管（主要是近曲小管）重吸收。⒉钙磷代谢的调节钙、磷的吸收与排泄、血钙与血磷的水平、机体各组织对钙磷的摄取利用和储存等都是在活性维生素D、甲状旁腺激素及降钙素这三种激素的调节下进行的。⑴甲状旁腺素：甲状旁腺素（parathyroidhormone，PTH）是由甲状旁腺的主细胞合成并分泌的一种单链多肽。初合成的是含115个氨基酸残基的前甲状旁腺素原，再在粗面内质网去掉N端25个氨基酸残基形成甲状旁腺素原，后者在高尔基复合体内从N端去掉一个六肽，形成84个氨基酸残基的PTH，分子量9500。PTH的合成与分泌受细胞外液Ca3+浓度的调节，血钙浓度低（如降至1.3mmol/L）时可明显促进PTH的合成与分泌；血钙浓度高（如达3.9mmol/L）则抑制PTH的合成与分泌。血钙在1.3-3.9mmol/L范围内，血钙浓度与PTH分泌呈负相关关系。在肝枯否细胞及肾小管细胞，PTH均可被分解为N端两个片段，N片段具有PTH活性，可被肝细胞、肾及骨组织摄取，C片段无PTH活性（表）6-1。表6-1血中PTH各片段的活性比较片段分子量产生器官激素活性靶器官百分比血中代谢完整PTH9500甲状旁腺＋肾＜10＜10分钟肝、肾N片段3000-4000肝、肾＋肾、骨＜10＜10分钟肾、骨C片段6000-7000肝、肾－／＜80＞1小时肾甲状旁腺PTH是维持血钙正常水平的最重要的调节因素，它有升高血钙、降低血磷和酸化血液等作用，其主要靶器官是骨、肾小管，其次是小肠粘膜等。PTH作用于靶细胞膜。活性腺苷酸环化酶系统，增加胞质内cAMP及焦磷酸盐浓度。cAMP能促进线粒体Ca2+转入胞质；焦磷酸盐则作用细胞膜外侧，使膜外侧Ca2+进入细胞，结果可引起胞质内Ca2+浓度增加，并激活细胞膜上的“钙泵”，将Ca2+主动转运至细胞外液，导致血钙升高。PTH对骨的作用：骨是最大的钙储存库，PTH总的作用是促进溶骨，提高血钙。PTH可在数分钟到数小时内引起骨钙动员，使密质骨中的钙释放入血，此种作用迅速但不持久。数小时至数日内，PTH的作用是将前破骨细胞和间质细胞转化为破骨细胞，使破骨细胞数目增多，引起溶骨作用和骨钙的大量释放。PTH对破骨细胞的作用是使细胞内Ca2+浓度增加，进而促使溶酶体释放各种水解酶；另一方面抑制异柠檬酸脱氢酶等酶活性，使细胞内异柠檬酸、柠檬酸、乳酸、碳酸及透明质酸等浓度增高，促进溶骨。此外，胶原酶活性也显著升高，这均有利于溶骨作用。PTH对肾的作用：主要是促进磷的排出及钙的重吸收，进而降低血磷，升高血钙。它作用于肾远曲小管和髓袢上升段以促进钙的重吸收；抑制近曲小管及远曲小管对磷的重吸收，使尿磷增加。此外，PTH促进肾活性维生素D的形成，它能促进肾25-（OH）-D３lα-羟化酶的活性增高，从而促进25-（OH）-D３lα-羟化作用。PTH对小肠的作用是促进肠管对钙的重吸收，这一作用是通过活性维生素D来实现的。PTH刺激肾25-（OH）-D３lα-羟化酶，促进lα，25-（OH）-D３的生成，后者作用于小肠，促进小肠对钙和磷的吸收。⑵降钙素：降钙素（calcitonin，CT）是由甲状腺滤泡旁细胞（parafollicularcell，C细胞）合成、分泌的一种单链多肽激素，由32个氨基酸残基组成，分子量3500。CT在初合成时是由136个氨基酸残基组成的分子量为15000的前体物。此前体物中还含有一个称为下钙素（katacalicin）的21肽肽段。当血钙增高时，降钙素及下钙素等分子分泌，下钙素能增强降钙素降低血钙的作用，血钙低于正常时CT分泌减少。CT作用的主要靶器官是骨、肾和小肠。CT对骨的作用是抑制破骨细胞活性，从而抑制骨基质的分解和骨盐溶解，同时抑制破骨细胞的生成，还有使间质细胞转变为成骨细胞的作用，结果促进骨盐沉淀，降低血钙。此外，它还抑制肾小管对磷的重吸收，以增加尿磷，降低血磷。⑶维生素Ｄ：天然存在的维生素D有两种，即维生素D2（麦角钙化醇，erqocalciferol）及维生素D3（胆钙化醇，cholecalciferol）。维生素D2及D3具有相同的生理作用，且都必须在体内进行一定的代谢转变，成为活化型后才能发挥其生物学作用，肝和肾是维生素D活化的主要器官。肝细胞微粒体中有维生素D3-25-羟化酶系，可在NADPH、O2和Mg2+参与下将维生素D3羟化生成25-（OH）-D３。在肝生成的25-（OH）-D３与血浆中特异的α2-球蛋白（D结合蛋白）结合，运输至肾，在肾近曲小管上皮细胞线粒体中的25-（OH）2-D３lα-羟化酶系（包括黄素酶．铁硫蛋白和细胞色素P450）的催化下，羟化生成lα，25-（OH）2-D３。后者具有较强的生理活化，其活性比维生素D3高10-15倍，被视为维生素D的活化型，并被当作激素。1α，25-（OH）2-D３能反馈地抑制25-OH-D3-1α-羟化酶的活性，但可诱导肾25-OH-D3-24-羟化酶的合成。故当体内1α，25(OH)2-D3减少时，25-(OH)-D3倾向于合成高活性的1α，25(OH)2-D3；而当1α，25(OH)2-D3过多时，可形成低活性的1，24，25-(OH)2-D3，这对于防止体内活性维生素D产生过多，控制维生素D中毒有重要意义。无机磷可抑制25(OH)-D3-1α-羟化酶系的活性，故当血磷降低时可促进1，25-(OH)2-D3的生成，血磷正常或增高时，25-(OH)-D3-1α-羟化酶系活性降低。甲状旁腺激素亦可促进1α，25-(OH)2-D3的生成；而降钙素则抑制此过程。活性维生素D3作用的靶器官主要是小肠、骨和肾。对小肠的作用：1α，25-(OH)2-D3具有促进小肠对钙、磷的吸收和转运的双重作用，即促进肠粘膜细胞膜对钙的通透、细胞内的结合及转运。钙主要在十二指肠吸收，肠粘膜上皮细胞刷状缘存在着可控制Ca2+通透的孔道，而在基底膜一侧，Ca2+向血液的转运是在Ca2+-ATP酶作用下的主动耗能过程。1α，25-(OH)2-D3进入肠粘膜上皮细胞后，首先与细胞液中特异受体结合，然后起到下述生理作用：①与受