а) Метаболизм кальция. В здоровом организме взрослого человека содержится 1 кг кальция; 99% этого количества находится в кристаллической структуре минеральных веществ кости, и <1% находится в растворимой форме в компартментах внеклеточной и внутриклеточной жидкости. Во внеклеточной жидкости 50% всего кальция ионизировано, а остальная часть в основном связана с альбумином/является компонентом противоионов.
Ионизированный кальций во внеклеточной жидкости играет важную роль во многих физиологических процессах, включая сокращение мышц, секрецию нейротрансмиттеров и гормонов, коагуляцию. Диапазон концентрации ионизированного кальция в сыворотке крови — 4,65-5,25 мг/дл (1,16-1,31 ммоль/л), а диапазон концентрации общего кальция в сыворотке крови — 8,5-10,5 мг/дл (2,12-2,62 ммоль/л).
Однако обычное соотношение 2:1 общего к ионизированному кальцию может нарушаться такими заболеваниями, как метаболический ацидоз, который снижает связывание кальция белками/изменениями концентрации белка, вызванными циррозом, дегидратацией, веностазом, множественной миеломой. Ввиду этого концентрации общего кальция в сыворотке крови регулируются/«корректируются» до референсной концентрации альбумина: фактическое значение общего кальция в сыворотке корректируется путем добавления/удаления 0,8 мг/дл (0,016 ммоль/л) для каждого 1 г/дл (1 г/л) альбумина ниже/выше референсной концентрации альбумина 4 г/дл (40 г/л) соответственно.
Уровень содержания кальция в организме — баланс между количеством всасывающегося из кишечника, откладывающегося в костях и в клетках и выводящегося почками (рис. 1). Этот тонкий баланс, включающий три органа, находится в основном под контролем ПТГ, который синтезируется и секретируется ПЩЖ.
Рисунок 1. Регуляция кальция (Са2+) внеклеточной жидкости под действием паратиреоидного гормона в почках, костях и кишечнике. Снижение Са2+ во внеклеточной жидкости воспринимается чувствительным к кальцию рецептором (см. рис. 2), это приводит к увеличению секреции и снижению деградации паратиреоидного гормона. Повышенный циркулирующий паратиреоидный гормон главным образом воздействует непосредственно на почку и кости, имеющие рецептор паратиреоидного гормона (PTHR, см. рис. 2). Действие паратиреоидного гормона на скелет заключается в увеличении (+) остеокластической реабсорбции кости. Однако поскольку остеокласты не имеют PTHR, в этом действии промежуточным звеном служат остеобласты, имеющие PTHR и в ответ высвобождающие цитокины и факторы, которые в свою очередь активируют остеокласты. В почках паратиреоидный гормон стимулирует (+) 25-гидроксивитамин D-1α-гидроксилаза (1αOHase), чтобы увеличить преобразование 25-гидроксивитамина D [25(OH)D] в активный метаболит 1,25-дигидроксивитамин D [1,25(ОН)2D], Кроме того, паратиреоидный гормон увеличивает (+) реабсорбцию Са2+ из почечных дистальных канальцев и ингибирует реабсорбцию фосфата из проксимальных канальцев, тем самым приводя к гиперкальциемии и гипофосфатемии. Паратиреоидный гормон ингибирует антипортерную активность Na+, Н+ и реабсорбцию бикарбоната, вызывая тем самым слабовыраженный гиперхлоремический ацидоз. Повышенный уровень 1,25(ОН)2D воздействует на кишечник, увеличивая (+) усвоение кальция и фосфата из пищи. Важно отметить, что паратиреоидный гормон не оказывает прямого воздействия на кишечник. Таким образом, в ответ на гипокальциемию и увеличение секреции паратиреоидного гормона все эти прямые и косвенные действия паратиреоидного гормона на почки, кости и кишечник помогут увеличить Са2+ во внеклеточной жидкости который, в свою очередь будет действовать посредством кальцийчувствительного рецептора с целью сокращения выработки паратиреоидного гормона
Рисунок 2. Схематическое изображение некоторых компонентов, участвующих в гомеостазе кальция. Изменения уровня внеклеточного Са2+ обнаруживаются кальций-чувствительным рецептором (CaSR), который связан с белком, состоящим из 1078 аминокислот G. Рецептор паратиреоидного гормона/паратиреоидного гормона родственного пептида, опосредующий действие паратиреоидного гормона и паратиреоидного гормона родственного пептида, также связан с G-белком. Таким образом, Са2+, паратиреоидный гормон и паратиреоидный гормон родственного пептида включают сигнальные пути посредством G-белка, это взаимодействие со специфическими рецепторами может привести к активации Gs, Gi и Gq/α11 соответственно. Gs стимулирует аденилатциклазу (АС), которая катализирует образование циклического аденозинмонофосфата из аденозинтрифосфата. Gi подавляет активность аденилатциклазы. camP стимулирует протеинкиназу А (РКА), которая фосфорилирует клеточноспецифические субстраты. Активация Gq/α11 стимулирует фосфолипазу С (PLC), катализирующую гидролиз фосфоинозитида (PIP2) до инозитолтрифосфата (IP3), который затем увеличивает внутриклеточный Са2+ и диацилглицерин (DAG), активируя протеинкиназу С (РКС). Эти проксимальные сигналы модулируют нижестоящие пути, вызывая определенные физиологические эффекты. При специфических нарушениях гомеостаза кальция были установлены мутации ослабления и усиления функции в нескольких генах, показанные с помощью соответствующих участков действия справа (табл. 1)
Гипокальциемия приводит к увеличению секреции ПТГ, тогда как гиперкальциемия приводит к ее снижению. Регуляция внеклеточного кальция происходит посредством сложных взаимодействий (рис. 2) в органах-мишенях ПТГ, основного гормона, регулирующего кальций, с витамином D и его активных метаболитов — 1,25-дигидроксивитамина D (1,25[OH]2D).
б) Паращитовидные железы. Обычно у человека четыре ПЩЖ, которые расположены в непосредственной близости к верхним и нижним полюсам долей ЩЖ. Верхние ПЩЖ развиваются из энтодермы эмбриональных четвертых жаберных карманов, а нижние наряду с вилочковой железой — из энтодермы третьих жаберных карманов.
Дополнительные ПЩЖ обычно обнаруживаются в аберрантных местах вдоль пути миграции, а также в тимусе и ЩЖ. Клетки ПЩЖ экспрессируют связанный с G-белком рецептор (GPCR), называемый чувствительным к кальцию рецептором (CaSR), который обнаруживает изменения внеклеточного кальция и изменяет секрецию ПТГ. Например, активация CaSR, который также экспрессируется в клетках почечных канальцев в результате повышения концентрации внеклеточного кальция посредством Gaq и Gall, вызывает зависящую от G-белка стимуляцию активности фосфолипазы С, что приводит к накоплению 1,4,5-трифосфата инозита и росту концентрации внутриклеточного кальция.
Эти изменения в свою очередь приводят к снижению концентрации циркулирующего ПТГ и увеличению выведения кальция с мочой. Заболевания ПЩЖ могут вызывать гиперкальциемию/гипокальциемию, и их можно классифицировать в зависимости от того, возникают ли они из-за избытка ПТГ, его дефицита, нечувствительности к его воздействию (табл. 1; см. рис. 2).
в) Паратиреоидный гормон (ПТГ) и ген паратиреоидного гормона (ПТГ). ПТГ представляет собой пептид, содержащий 84 аминокислоты, кодируемый геном ПТГ, который находится на хромосоме 11p15. Зрелый пептид ПТГ секретируется из главных клеток ПЩЖ в виде пептида из 84 аминокислот, однако при первой трансляции мРНК ПТГ она представляет собой пептид пре-про-ПТГ.
«Пре»-последовательность состоит из сигнального пептида, содержащего 25 аминокислот (лидерной последовательности). Он отвечает за то, чтобы направить формирующийся пептид в эндоплазматический ретикулум с целью упаковывания для секреции из клетки. «Про»-последовательность имеет длину 6 аминокислот, и, хотя ее функция менее четко определена, чем у «пре»-последовательности, она также важна для правильной обработки и секреции ПТГ. После того как зрелый пептид ПТГ из 84 аминокислот секретируется из клетки ПЩЖ, он выводится из кровообращения с коротким периодом полураспада ~2 мин за счет ненасыщаемого печеночного захвата и почечной экскреции.
г) Действие паратиреоидного гормона (ПТГ). ПТГ имеет общий рецептор с ПТГ-родственным пептидом (ПТГрП); этот ПТГ/ПТГрП рецептор (см. рис. 2) является членом подгруппы семейства рецепторов, связанных с G-белками. ПТГ/ПТГрП рецепторы экспрессируются в почках и костях, где ПТГ является его доминирующим агонистом и воздействует непосредственно на клетки этих органов и косвенно — на клетки кишечника (см. рис. 1), чтобы усилить реабсорбцию кальция в почках, высвободить накопленный в кости кальций во внеклеточную жидкость и увеличить всасывание кальция в кишечнике. Экспрессия ПТГ/ПТГрП рецептора также происходит в ГМ, сердце, коже, легких, печени и яичках, где он является промежуточным звеном действий ПТГрП.
Мутации с участием генов, которые кодируют эти белки и рецепторы в данном кальций-регулирующем пути (рис. 2), вызывают гиперкальциемические и гипокальциемические патологии (табл. 1).
1. Действие на почки. Всасывание кальция почками происходит в нескольких местах с помощью различных механизмов, которые включают пассивный параклеточный/активный трансклеточный транспорт вдоль почечных канальцев. Действие ПТГ на почки состоит в том, чтобы: 1) стимулировать активность 1α-гидроксилазы проксимальных канальцев; 2) увеличить реабсорбцию кальция клетками дистального канальца, соединительных канальцев и толстой восходящей части петли Генле; и 3) ингибировать реабсорбцию фосфата клетками проксимальных канальцев (см. рис. 1).
ПТГ увеличивает образование биологически активного 1,25(OH)2D из своего предшественника 25-OH-D, стимулируя активность почечной 1α-гидроксилазы и ингибируя 24-гидроксилазу, которая метаболизирует 1,25(OH)2D в неактивную форму 24,25(OH)2D (см. рис. 1). ПТГ регулирует реабсорбцию кальция клетками дистальных канальцев путем повышающей регуляции экспрессии ванилоидного рецептора транзиторного потенциала 5 (TRPV5), тем самым способствуя проникновению кальция в клетку и повышая экспрессию кальбиндина-D28К для усиления трансклеточной реабсорбции кальция за счет увеличения буферизации субапикальных ионов Са2+.
В толстой восходящей части петли Генле ПТГ может увеличивать активный трансклеточный/параклеточный транспорт кальция, увеличивая градиент трансэпителиального напряжения. Транспорт фосфатов в клетках проксимальных канальцев опосредуется натрий-фосфатными котранспортерами люминальной мембраны 2а и 2с (NPT2a и NPT2c), а действия ПТГ приводят к интернализации и деградации NPT2a и NPT2c, таким образом обеспечивая снижение реабсорбции фосфата.
2. Действие на скелет. ПТГ действует непосредственно на остеобласты и косвенно — на остеокласты, увеличивая их количество и активность, тем самым улучшая обмен костной ткани и высвобождение накопленного кальция. ПТГ увеличивает размер пула предшественников остеобластов, повышает костеобразующую активность зрелых остеобластов и стимулирует остеобласты высвобождать цитокины, такие как колониестимулирующий фактор 1 и лиганд рецептора-активатора ядерного фактора кВ (NF-кВ, RANKL), которые стимулируют образование новых остеокластов и активируют зрелые остеокласты.
ПТГ также ингибирует выработку остеобластами остеопротегерина (OPG), который является растворимым рецептором-приманкой для RANKL, ингибирующего развитие остеокластов.
С транспортом кальция в костных клетках сопряжены TRPV4 и TRPV5; TRPV4 регулирует внутриклеточные концентрации кальция в остеобластах и остеокластах, при этом экспрессируемый в остеокластах TRPV5 участвует в удалении минерального костного матрикса. Конечный результат постоянного повышения ПТГ больше связан с увеличением активности остеокластов, чем активности остеобластов, и, следовательно, с высвобождением запасов кальция во внеклеточную жидкость (см. рис. 1).
3. Действие на кишечник. Кальций всасывается по всему кишечнику при помощи пассивных параклеточных и активных трансклеточных механизмов, охватывающих TRPV6 и кальбиндин D9K. ПТГ оказывает косвенное влияние на всасывание кальция в кишечнике, увеличивая концентрации циркулирующего 1,25(OH)2D (рис. 1). Повышенные концентрации 1,25(OH)2D увеличивают экспрессию TRPV6, которая способствует усиленному поступлению кальция в клетку из просвета и экспрессии цитозольного кальбиндина D9K, тем самым способствуя трансклеточному транспорту кальция.
