第十二章　钙磷代谢及微量元素

　　人体所需的营养素中包括部分无机盐。许多离子，主要是金属离子，在酶促反应过程中发挥作用；维护渗透压，主要为钠、钾、氯等；钙磷是骨骼的重要组成成分；此外，无机离子还参与信息传递，凝血过程等多种生理功能。

　　这些无机元素据人体中含量和需要量可分为常量元素和微量元素。体内含量较多(>5g)，每天要量在100mg以上，如钙、磷、钾、钠、氯、镁等称为常量元素，而人体内含量甚微，每日需要量仅为μg或mg水平者，称为微量元素。包括铁、碘、铜、锌、锰、钴、钼、硒、铬、氟等。

　　本章重点讨论钙、磷的代谢及部分微量元素的作用。

第一节　钙磷代谢

　　钙和磷是人体内含量最丰富的无机元素。在正常成人，钙约占体重1.5-2.2%，总量约为700-1400g。磷占体重0.8-1.2%，总量约400-800g。其中99%的钙和86%的磷以羟磷灰石的形式存在于骨和牙齿当中。其余分布于体液和软组织中，以溶解状态存在。

　　人体内钙的存在状态见下图所示。

　　钙和磷的代谢在许多方面是相互联系的，机体从食物中摄取钙和磷、又把它们从尿和粪中排泄，成人每日摄取和排泄量大致相等，处于动态平衡之中(图12－1)。

图12－1　钙磷代谢概貌

　　一、血钙和血磷

　　血钙指血浆中所含的钙，平均为9-11mg/dl。可分为可扩散钙(diffusible calcium)和非扩散钙(nondiffusible calcium)。非扩散钙指与血浆蛋白(主要为白蛋白)结合的钙。不易透过毛细血管壁。可扩散钙主要为游离Ca2＋及少量与柠檬酸或其它酸结合的可溶性钙盐(表12－1)。?

表12-1　正常人血浆钙各部分的含量

　　血浆中发挥生理作用的主要为游离Ca2＋，而血浆中Ca2＋一蛋白结合钙和小分子结合钙之间呈动态平衡关系。此平衡受血浆PH影响，血液偏酸时，游离Ca2＋浓度升高；相反，血液偏碱时，蛋白结合钙增多，游离Ca2＋浓度下降。因此，临床上碱中毒时常伴有抽搐现象，与低血钙有关。

　　正常人血浆中无极磷的浓度为3.4?.0mg/dl、儿童稍高为4.5-6.5mg/dl。血浆中磷80～85%以HPO4形式存在。15-20%以H2PO4－形式存在，而PO43－的含量甚微。

　　血浆中钙、磷浓度关系密切，在以mg/dl表示时，二者的乘积(［Ca］×［P］)为30～40。当(［Ca］×［P］)>40，则钙和磷以骨盐形式沉积于骨组织；若(［Ca］×［P］)<35则妨碍骨的钙化，甚至可使骨盐溶解，影响成骨作用。

　　血钙和血磷含量的相对稳定依赖于钙、磷的吸收与排泄、钙化及脱钙间的相对平衡、而这些平衡又主要受维生素D3、甲状旁腺素和降钙素等激素的调节。

　　二、钙、磷的吸收与排泄

　　(一)钙、磷的吸收

　　体内钙和磷均由食物供给。正常成人每日摄取钙约1克、磷约0.8克。儿童及妊娠、哺乳期妇女需要量相应增加。

　　食物中所含钙主要为各种复合物，必须转变为游离Ca2＋，才能被肠道吸收。当肠道内PH值<6时，有利于Ca2＋的释放。因此，钙的吸收部位在小肠，而吸收率依次为十二指肠>空肠>回肠。食物中钙吸收率通常只有30%，当体内缺钙或生理需钙量增加时，吸收率可增高。

　　肠粘膜对钙的吸收机理较为复杂，既有跨膜转运，又有细胞内转运；既有逆浓度梯度的主动吸收，又有顺浓度梯度的被动扩散或易化转运。已知肠粘膜细胞内有多种钙结合蛋白(calnium binding protein,简写为CaBP)，它与Ca2＋有较强亲和力，可促进钙的吸收。磷的吸收与钙有密切关系，而且钙和磷的吸收又与钠的吸收和分布相互交织在一起，如图12－2所示。

图12－2　肠粘膜对钙和磷的吸收示意图

　　如图12?2，Ca2＋由肠腔进入粘膜细胞内是顺浓度梯度的，但由于微绒毛对Ca2＋的通透性极低，故需要特殊的转运载体。Pi伴随着Na＋的吸收进入粘膜细胞内，又随着Na＋的泵出而至细胞外液(血管侧)，后者虽然对Pi来说是顺梯度的，但要依赖Na＋泵，所以有人将Pi的吸收称为“继发的主动转运”(secondary active transport)。至于CaBP的作用，现在认为它主要在细胞内转运过程中起作用，因为它对Ca2＋的亲和力恰好介于质膜钙泵与线粒体膜钙泵对Ca2＋的亲和力之间，是把线粒体蓄积的钙输送给基底一侧膜钙泵的一种输送蛋白。

　　食物中的磷主要以无机磷酸盐和有机磷酸酯两种形式存在，肠道主要吸收无机磷，有机含磷物则经水解释放出无机磷而被吸收。磷的吸收较易、吸收率可达70?0%。其吸收部位遍及小肠，以空肠吸收率最高。磷的吸收量比钙大，而且是逆电荷梯度进入小肠粘膜细胞，可见其有独立的吸收机制，目前对磷吸收机制尚未完全了解。肠道中酸碱性、食物成分以及血钙和血磷浓度均可影响钙和磷的吸收。

图12－3　人体每日钙的更新率

　　(二)钙和磷的排泄

　　人体排出钙主要有两条途径：约20%经肾排出，80%随粪便排出。肾小球每日滤出钙约10g，95%以上被肾小管重吸收，0.5-5%随尿排出。正常人从尿排出钙量较稳定，受食物钙量影响不大，但与血钙水平相关。血钙升高则尿钙排出增多。粪便中钙主要为食物中未吸收钙及消化液中钙。其量随钙的摄入量及肠收状态波动较大。

　　正常成人每日进出体内的钙量大致相等，即处于钙平衡状态。图12－3说明机体钙平衡的情况，图中数字为每日钙变化量的平均数。

　　磷亦通过肠道和肾脏排泄，以肾脏排泄为主。尿磷排出量占总排出量的60?0%。尿磷排出量取绝于肾小球滤过率和肾小管重吸收功能，并随肠道摄入量的变化而变化。

　　三、钙、磷与骨的钙化及脱钙

　　骨是一种特殊的结缔组织，不仅做为人体的支架组织，而且是人体中钙、磷的最大储库。通过成骨与溶骨作用，不断与细胞外液进行钙磷交换、对维持血钙和血磷稳定有重要作用。

　　(一)骨的组成

　　骨由无机盐、又称骨盐(bony salts)、有机基质和骨细胞等组成。骨盐增加骨的硬度，基质决定骨的形状及韧性，骨细胞在代谢中起主导作用。

　　骨盐占骨干重的65～70%，其主要成分为磷酸钙，占84%，其它还有CaCO3占10%，柠檬酸钙占2%，磷酸镁占1%，和Na2HPO4占2%等。骨盐约有60%以结晶的羟磷灰石(hydroxyapatite)形式存在，其余40%为无定形的CaHPO4。据认为后者可以转变为前者。羟磷灰石［Ca10(PO4)6(OH)2］是微细的结晶，亦称骨晶(bone crystal)。每克骨盐含有约1016个结晶，总的表面积可达100平方米，体液中其他离子如Ca2＋、Mg2＋、Na＋、Cl－、HCO3－、F－，柠檬酸根等可吸附在羟磷灰石的晶格之间。骨晶性质稳定，不易解离，但在其表层进行离子交换的速度较快。

　　骨中镁离子占体内镁离子总量的50%，骨中钠离子也占体内钠离子总量的35%，而且大部分钠易于交换。所以骨骼不仅是身体的支持组织，也是贮存大量钙、磷、钠、镁的器官，在维持体液电解质浓度的稳定性上具有重要作用。此外，骨盐中的Ca2＋还可与体液中的H＋交换，当体液中［H＋］增多(酸中毒)时，由于Ca2＋H＋交换，可致骨盐溶解。

　　骨基质包括胶原和非胶原化合物。胶原约占90%以上。非胶原蛋白中含量较多的是骨钙素(osteocalcin)和骨连接素(osteonectin)。骨钙素为一种依赖维生素K的小分子酸性蛋白质，分子量约6000，其谷氨酸残基在γ位羧化为γ-羧基谷氨酸，与羟磷灰石、Ca2＋有很高亲和力、骨连接素是附着于胶原的一种糖蛋白，易与羟磷石结合，可能作为骨盐沉积的核心。

　　(二)成骨作用与钙化

　　骨的生长、修复或重建过程，称为成骨作用(osteogenesis)。成骨过程中，成骨细胞先合成胶原和糖白多糖等细胞间质成分，形成所谓“骨样质”(osteoid)，继后骨盐沉积于骨样质中，此过程称为钙化(calcification)。

　　关于钙化的机理，尚未完全阐明，研究表明下列变化可能参与和影响骨盐的沉积：

　　(1)电镜下可见成骨细胞表面突起形成很多囊泡。囊泡膜富含类脂并具有很高的碱性磷酸酶活性，可水解基质中多种磷酸酯，使无机磷浓度升高。囊泡中富含丝氨酸磷酯，能与Ca2＋紧密结合，故能有效摄取周围基质中Ca2＋。此外，成骨细胞具有钙泵作用，可从周围间隙中浓集钙。这些因素共同作用，使骨组织钙化局部Ca2＋和HPO42－升高，使［Ca］×［P］积升高，利于钙盐的沉积。

　　(2)正常血中存在钙化抑制物，如焦磷酸盐(pyrophosphate)，而成骨细胞囊泡中的磷酸酶可水解焦磷酸盐，一方面解除其抑制作用，另一方面提供了充分的无机磷作为骨盐沉着的原料。

　　(3)基质中的骨连接素可能提供羟磷灰石结晶形成的“晶核”，促使羟磷石结晶的形成。骨钙素则可直接结合羟磷灰石，避免羟磷灰石在局部堆积，使之有规律地沉积于胶原上。