第六节　骨的生理生化

骨矿内环境平衡的调节主要依靠以下几个器官间功能的平衡,即皮肤、甲状腺、甲状旁腺、肝、肾、肾上腺和性腺。骨矿内环境平衡也是多因素联控的结果,其中包括维生素D3代谢物、甲状旁腺激素和降钙素等。这些激素亦一起调节饮食中的钙吸收、骨矿吸收和形成以及钙和磷在肾脏中的排泌和回收。因此,控制血清钙浓度是骨矿内环境平衡的关键。

一、维生素D

维生素D是一种具有多种生理功能的类固醇激素,可以直接调节钙平衡或通过影响各种钙调节细胞系统的分化和生成而发挥作用。维生素D可促进骨形成,降低骨折的危险因素。维生素D与骨改建的关系主要表现在维生素D对成骨细胞的调控。成骨细胞和破骨细胞中均存在维生素D受体（VDR）,并且已成功从骨细胞中分离出VDR。大多数学者认为,1,25-二羟维生素D3是通过分子途径介导成骨细胞功能的,包括基因途径（核内受体介导生物活性）和非基因途径（细胞膜活化介导生物活性）。在成熟的成骨细胞中1,25-二羟维生素D3积蓄作用将导致靶基因转录,而靶基因转录则需要核内受体VDR介导。

活性维生素D代谢物是有效的促钙吸收的激素,其主要作用是增强小肠对钙磷的吸收和增强骨内的钙磷吸收。1,25-二羟维生素D3是维生素D最具活性的代谢产物。当皮肤经紫外线光照射后,7-脱氢胆固醇即可内源性转化成维生素D3（表2-6-1）。浅肤色人种如白种人每日日晒一小时即可产生400U的维生素D。而要产生同样数量的维生素,黑种人或其他深色种族的人,则需要长时间的日晒。自然植物中维生素D含量少,有必要在一些食物中添加维生素D（维生素D2）。维生素D2和D3在肝脏中转化后形成25-羟维生素D3。维生素D3和25-羟维生素D3是属于非活性维生素。血清中25-羟维生素D3水平是反映体内维生素D3储存量的最好指标。当甲状旁腺激素水平升高出现低钙血症或低磷血症时,肾脏近曲小管中线粒体酶就会羟化25-羟维生素D3成为活性1,25-二羟维生素D3。当出现甲状旁腺激素浓度下降、高钙血症或高磷血症时,25-羟维生素D就会变成无活性的代谢物24,25-二羟维生素D。图2-6-1描述了维生素的代谢通道。

二、钙内环境平衡与维生素D、甲状旁腺激素和降钙素

生命体内细胞内环境中钙浓度梯度的保持是十分重要的。一般情况下,细胞外液中钙的浓度要比细胞中高5个数量级（105）。细胞内一系列复杂的系统调节细胞内钙环境的平衡。人体中99%的钙储存在骨骼中,只有1%在细胞外液中循环。就是这1%的钙由甲状旁腺激素-维生素D-降钙素的内分泌系统调控。其中有三类促钙吸收的激素和其他旁分泌因子结合不仅调节细胞外液中的血清钙浓度,而且也调控钙离子由细胞外运送到细胞内。内分泌对细胞内外钙和相关的磷代谢的影响见表2-6-2及图2-6-1。

三、营养性钙补充

钙是人体内必不可少的元素,也是机体中含量最多的无机盐。健康成人体内钙含量约为1000～1300g。钙的摄取来自食物,钙的吸收随机体的需要而异,食物中约20%的钙被机体吸收,其余的或不能吸收或未被吸收随大便排除。在小肠,钙通过钙结合蛋白主动运输至十二指肠,而在空肠则主要是通过钙的被动弥散作用。正常情况下,钙是通过尿的排泄以保持对钙吸收的平衡。每天从胃肠道吸收的钙以及从尿液排出的钙平均约为150～200mg。

从食物中摄取钙的需求量随年龄而异。在生长发育期间,对钙的需求量较大,这种需求量将一直持续到骨量峰值完成时（20～30岁）。在此后的生活中,增加食物中钙的摄取量以弥补骨吸收所导致的钙丢失是十分必要的。因此,适宜的含钙营养对保持骨质十分重要。长期营养性缺钙会导致骨钙负平衡和骨矿的丢失。在年轻人中,15%～25%的营养钙可被消化吸收。而这一比例随年龄增大而不断降低。由于年老后肾脏内25-羟维生素D转化成活性1,25-二羟维生素D的效率降低,从而老年人有必要增加饮食钙而保持有足够数量的钙通过肠道进入血液。在生长发育成成年人达骨峰值阶段、妇女怀孕期,特别是哺乳期有必要进行补钙。

表2-6-3列出了与年龄和活动水平相关的每日理想钙摄取量标准。内分泌系统的反馈调节也可防止有害的低钙血症。当血清钙离子水平降低时就会引发自体保护机制,通过提高从胃肠道对钙吸收率,从肾脏进行钙的回收和从骨中释放钙来恢复正常血钙水平。当这些调节系统出现原发疾病时,可出现慢性低钙血症或高钙血症以及诱发有临床症状的疾病。图2-6-2列出了细胞外液正常钙浓度的主要代谢通道。

四、骨的矿化

骨组织基质的矿化是一个尚未完全弄清楚的复杂而微妙的过程。简而言之,骨的矿化主要指在有机质内有秩序地沉积无机盐的过程。成骨细胞通过胞间隙钙的释放而调节钙离子在基质中的浓度。同时,成骨细胞分泌的骨钙素、骨连接素、磷酸化的黏蛋白、小蛋白多糖等大分子,决定着钙化的初始位置和速度。

骨组织的矿化过程可被认为分为两个不同的阶段:①在多处形成初始的矿物沉积;②大量矿物晶体在最初矿物沉积的基础上增积。在骨质全部骨矿中,只有一小部分属于初始沉积矿质,而大多数骨矿物是由初始矿晶体的增长而来。

矿化过程的起始需要多种因素的结合,包括沉淀离子局部浓度的增加、矿核的形成及暴露/矿化过程抑制剂的排除或调整。体内大多数矿物质是类似于自然合成的矿质,例如羟基磷灰石。沉积在骨中的初始矿物晶体的性质及它们所沉积的地方现在仍然未知。远离胶原纤维的细胞外的基质小泡,被认为是骨质钙化中的软骨或幼骨中最初矿物沉积的地方,但骨中大多数矿物都和初始骨矿与胶原纤维密切相关。

形成初始的矿物沉积要比在已经形成晶体的基础上增加离子或离子群体需要更多的能量。继发的晶体聚集成核,小的晶体从其他小晶体的表面增生所需要的能量也比形成新的初始矿物沉积要少。为防止磷灰石最初构成物的形成需要巨大的能量,从而可能首先发生不稳定的前置阶段,接着或直接转变成磷灰石,或形成磷灰石的非均匀核心。磷灰石非均匀核心是一个或多个平面提供磷灰石结晶生长的异体物质。一旦原发性聚核作用发生,电子显微镜可观察到从晶体核心到最初的固体小粒在体积上会出现一早期快速的增长,这个过程称为晶体生长。原发聚核和晶体生长这两个过程主导了骨矿繁殖。

在组织胶原中,只有Ⅰ型胶原（存在于骨、腱、皮肤中）能支持体外磷灰石沉积。现已清楚地发现,矿化的Ⅰ型胶原存在有交联,这与未被矿化的骨质在化学成分上有明显区别。这种胶原交联作用也可以矿物质在胶原内的分布。是什么影响板层骨基质原纤维的定向作用仍不清楚,但其形态结构的形成显然发生在骨基质矿化之前。

一些非胶原蛋白,如骨黏蛋白、牙质磷蛋白及骨连胶原蛋白结合物,似乎可以提高体外胶原的矿化作用。而且,一定量的蛋白脂质和酸性磷脂磷酸钙混合物也可以提高羟基磷灰石在体外实验中的沉积。细胞外的基质小泡能通过三种方式加速钙化:①离子浓度;②提供一个无矿化抑制剂的保护环境;③提供基质调节酶,这些酶可通过下列途径促进软骨钙化:a.水解焦磷酸盐减低其浓度,焦磷酸盐有抑制钙化的作用,被水解后就为钙盐结晶沉积创造了有利条件。b.增加局部正磷酸盐的浓度,从而促进钙化。c.参与运输钙与磷酸盐。d.水解三磷酸腺苷,为钙及磷酸盐的摄入提供能量。

图2-6-3显示通过核心的形成或暴露,及抑制剂的去除或调节均可提高初始的矿物沉积。体外研究发现从钙化和非钙化的软骨中提取的大分子蛋白多糖能阻止磷灰石的生长。胶原最初矿化可能与几种基质蛋白有关,但它们的确切作用仍在研究中。

当磷酸钙晶体沉积到胶原之中后,类骨质开始钙化。通过更多晶体加入,骨的刚度得到增强。尽管最初的聚核过程中有新的矿物质不断结合到类骨质中,但大多数矿物质的加入则是通过继发的聚核作用,使新的磷灰石晶体沉积在现有的羟基磷灰石的核上,在胶原上的“洞”和“孔”中增长。另外,晶体的融合也可促进磷灰石的生长。通过新的矿物质连续不断地增积,骨会被完全矿化。然而,即使完全矿化成熟的骨也只含70%的矿物质,细胞则被一薄层类骨质与矿物质分隔。有些基质蛋白被认为与限制晶体生长以及阻止矿物在某些区域沉积有关。

总之,从理化角度讲,矿物在组织中不断沉积的过程是通过:①原发的或异原的成核作用;②晶体生长;③在已成形晶体基础上继发的聚集作用;④所有这些矿物晶体的聚合。伴随矿物沉积,胶原纤维中有更多数量的矿物小颗粒出现于胶原的“小洞”和“小孔”中。显微镜观察显示,三维空间中矿化是一非连续过程开始于“小洞区”,接着发生在“小孔区”。同时,类骨质原纤维内分散的部位被矿化小颗粒所浸渗,形成大量的矿化点。这样,就出现了在胶原纤维内不同部位同时出现初始矿化。

（沈慧勇）