第六章 钙磷镁与微量元素的临床生物化学

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第六章 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(HPO₄^2-/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HPO₄^2-的形式存在，其余为H₂PO₄^-，PO₄^3-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

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与受体结合的1α，25-(OH)₂-D₃直接作用于刷状缘，改变膜磷脂的结构与组成(增加磷脂酰胆碱和不饱和脂肪酸含量)，从而增加钙的通透性；②与受体结合的1α，25-(OH)₂-D₃进入细胞核，加快DNA转录mRNA，促进与Ca²⁺转运有关的蛋白质(钙结合蛋白，Ca²⁺-ATP酶)的生物合成；③与受体结合的1α，25-(OH)₂-D₃还刺激基底膜腺苷酸环化酶的活化。这样，进入细胞的Ca²⁺和cAMP都作为第二信使，发挥其调节作用。

在1α，25-(OH)₂-D₃的作用下，细胞内钙浓度升高，一部分Ca²⁺进入线粒体，钙结合蛋白多位于粘膜细胞的基底膜侧，它可从线粒体接受Ca²⁺，再将Ca²⁺转运到基底膜的钙泵上，将Ca²⁺输送至血液中。小肠粘膜还可通过Na⁺-Ca²⁺交换体系(需与Na⁺，K⁺-ATP酶相偶联)将Ca²⁺转运至血液。

1α，25-(OH)₂-D₃还能促进小肠粘膜细胞对磷的吸收。

对骨的作用：1α，25-(OH)₂-D₃对骨的直接作用是促进溶骨，用佝偻病动物实验证明：骨钙沉积于骨端软骨的作用也以1α，25-(OH)₂-D₃为最高。1α，25-(OH)₂-D₃与PTH协同作用下，加速破骨细胞的形成，增强破骨细胞活性，通过促进肠管钙、磷的吸收及促进溶骨，使血钙、血磷水平增高以利于骨的钙化。也就是说，1α，25-(OH)₂-D₃能维持骨盐溶解与沉积的对立统一过程，有利于骨的更新与生长。

对肾的作用：1α，25-(OH)₂-D₃对肾小管上皮细胞的作用是促进对钙、磷的重吸收，其机制也是增加细胞内钙结合蛋白的生物合成。

在正常人体内，通过PTH、CT、1α，25-(OH)₂-D₃三者的相互制约，相互协调，以适应环境变化，保持血钙浓度的相对恒定。现将上述三种激素对钙磷代谢的影响列于表6-2。

表6-2 三种激素对钙磷代谢的影响

↑升高：↑↑显著升高；↓降低

三、钙、磷代谢异常

钙磷代谢的异常包括高钙血症、低钙血症、高钙尿症、高磷血症以及低橉血症。现分别叙述如下。

(一)高钙血症

按病因学分类(表6-3)引起高钙血症(hypercalcemia)的原因包括溶骨作用增强、小肠钙吸收增加以及肾对钙的重吸收增加等。高钙血症是由于过多的钙进入细胞外液，超过了细胞外液钙浓度调节系统的调节能力或钙浓度调节系统的异常所致。较多见的是恶性肿瘤，其次是原发性甲状旁腺功能亢进症。

上述引起高钙血症的原因中，最多见的是由于溶骨作用而引起的高钙血症。PTH、前列腺素、破骨细胞激活因子(osteoclastactivationfactor，OAF)、甲状腺素、1α，25-(OH)₂-D₃等都可促进溶骨作用。现将几种常见的高钙血症略加说明。

⒈原发性甲状腺功能亢进和PTH异位分泌这两种情况都造成PTH过多，促进溶骨作用，又促进了维生素D的活化，间接地促进了肠管对钙的吸收，引起高钙血症。

⒉恶性肿瘤恶性肿瘤骨转移是引起血钙升高的最常见的原因。65%的乳腺癌病人有骨转移，多发性骨髓瘤和Burkitt淋巴肉瘤亦多有骨转移。这些肿瘤细胞可分泌破骨细胞激活因子，这种多肽因子能激活破骨细胞。肾癌、胰腺癌、肺癌等即使未发生骨转移亦可引起高钙血症，这与前列腺素(尤其是PGE₂)的增多导致溶骨作用有关。

表6-3 高钙血症的病因学分类

⒊维生素D中毒治疗甲状旁腺功能低下或预防佝偻病而长期服用大量维生素D可造成维生素D中毒，维生素D在体内的半寿期长，中毒可持续数月，高钙高磷血症引起头痛恶心等一系列症状及软组织和肾的钙化。

⒋甲状腺功能亢进甲状腺素具有溶骨作用，中度甲亢病人约15%-20%伴有高钙血症。

(二)低钙血症

低钙血症(hypocalcemia)的病因学分类见表6-4。

表6-4 低钙血症的病因学分类

⒈急、慢性肾功能不全肾小球滤过率在20-30ml/min以下时，肾排磷减少，血磷上升，血钙降低，PTH的分泌增多。肾的病变使1α，25-(OH)₂-D₃的生成减少，血浆钙浓度降低，也有利于高磷血症的发生。

⒉甲状旁腺甲状旁腺功能低下，尿排磷减少，导致血磷增高。

⒊维生素D中毒由于维生素D的活性型促进溶骨，并促进小肠对钙、磷的吸收以及肾对磷的重吸收，因而维生素D中毒时伴有高磷血症。

⒋甲状腺功能亢进同时出现高钙血症与高磷血症，这与溶骨作用亢进有关。

⒌肢端肥大症活动期可出现高磷血症。生长激素可促进小肠对钙的重吸收，增加尿钙排出，减少尿磷排泄，导致血磷增高。

(四)低磷血症

血清无机磷的降低即低磷血症(hypophosphoremia)可由于小肠磷吸收减低、尿磷排泄增加、磷向细胞内转移等所引起，引起低磷血症的病因学分类见表6-6。

表6-6 低磷血症

⒈甲状旁腺功能亢进症无论原发性或继发性甲状旁腺功能亢进均可使PTH过多，无机磷随尿排出增多，造成低磷血症。

⒉维生素D缺乏维生素D摄入减少或肾1α-羟化酶受抑制，1α，25-(OH)₂-D₃合成不足，均可引起小肠磷吸收降低，尿排磷增加，导致低磷血症。

⒊肾小管性酸中毒与Fanconi综合征肾小管性酸中毒时由于H⁺排出受阻导致钙磷代谢障碍，出现骨软化症、肾钙化、肾结石等。酸中毒可抑制肾小管对钙的重吸收，出现低钙血症、高PTH和低磷血症。Fanconi综合征表现为高钙血症、低磷血症和高碱性磷酸酶血症。低磷血症是由于肾小管对磷的重吸收显著减低所致。病人尿中大量排磷，即使血磷很低，尿磷仍很高。

四、尿路结石症的生物化学

尿路结石症是地区性常见病、多发病。我国尿石症的多发地区是广东、广西、贵州、云南、四川、福建、台湾、浙江、江西、安徽、湖南、湖北、陕西、河南东部、山东、苏北、吉林双城堡等地。

尿石症大体可分为上尿路结石症(肾结石、输尿管结石)与下尿路结石症(膀胱结石、尿道结石等)。随着工农业生产的发展和生活水平的提高，上尿路结石就诊率明显升高，下尿路结石明显下降。

(一)尿路结石的化学组成及结构特点

尿石一般由三部分组成：①中心部或核；②沉积的晶体物质；③基质。

尿石的核心通常位于尿石的中心，是尿石生成中最早出现的部分。核心的组成常能反映当时体内的代谢变化。对尿石核心的分析对探讨尿石的成因也有一定价值。有的尿石核心由晶体物质及基质组成，也有的尿石核心是凝血块、细胞碎屑、管型、菌落、异物等。

尿石的基质是各种尿石共有的成分，是由粘蛋白类构成，基质在含钙尿石中占结石总量的2.5%左右，在胱氨酸结石中基质约占9%-11%，而在罕见的基质结石中基质可达结石总重量的60%左右。基质作为结石的网架，晶体沉积于其上。

尿石的晶体物质种类较多，其性质及来源各不相同，尿石的晶体成分见表6-7。

表6-7 尿石的晶体成分

一种尿石可含一种或数种晶体成分，据国内有关报告初步统计，我国国内尿路结石以含草酸钙的混合结石最为多见，个别地区尿酸结石较其他地区为高。尿石分析可用化学分析方法、微量重结晶分析法、X线粉晶分析、红外线光谱分析、偏光显微镜分析等。

尿石的结构及其意义见表6-8。

(二)尿路结石的成因及形成机制

尿路结石的成因问题颇为复杂，它涉及结石成分由尿中排泄增加、尿液pH的变化、环境及某些生活习惯、营养因素、神经因素及尿液淤滞等。

表6-8 尿石的结构特点及其意义