第二十章 钙、磷及微量元素代谢
钙和磷是体内含量较多的无机物，它们除参与骨和牙齿的组成之外，尚有广泛的生理功能，本章重点讨论钙，磷在体内的生理功能及维生素 D、甲状旁腺素和降钙素对钙磷代谢的调节作用。此外，对微量元素作简要介绍。
第一节 钙、磷的含量、分布及生理功能一、钙、磷的含量及分布
成人体内钙总量约 700~1400 克，磷总量约 400~ 800 克，其中 99.3% 的钙和 86% 的磷以骨盐形式存在于骨骼和牙齿中。体液及其它组织中存在的钙不足总量的1％（约7~8 克）。磷约为总量的14％，它们均具有重要的生理功用。
二、生理功用
（一）钙的生理功用
1．以骨盐形式组成人体骨架 骨骼由骨细胞、骨基质和骨盐组成。骨盐主要成分磷酸钙（占84％）、其它还有碳酸钙（10％）、柠檬酸钙（2％）、磷酸氢钠（2％）、磷酸镁（1%）及微量钾氟化物等。骨盐主要以无定形的磷酸氢钙（CaHPO4）及柱状或针状的羟磷灰石〔Ca10（PO4）6（OH）2 〕结晶形式存在。前者是钙盐沉积的初级形式，它进一步钙化结晶而转变成后者，分布于骨基质中。羟磷灰石结晶称骨晶（bonycrystal），非常坚硬，因为它有规律的平行附着在胶原纤维上，故有良好的韧性。1克骨盐中含有 1016 个结晶体，总表面积大，可达 100M2，有利于它和细胞外液进行离子交换，故对维持细胞外液的钙,磷含量具有重要作用。它是钙、磷的储存库，当细胞外液钙浓度减少时，可迅速动员骨盐补充之。骨盐中的羟基被氟取代后，骨骼硬度增加溶解度降低，所以适量的氟有助于预防龋齿。
2、Ca2＋的生理功能 Ca2＋的含量虽不到其总量的0.1%,但有异常重要的生理功用。
（1）作为细胞内的信使 在细胞内离子钙是最常见到的信号转导者，这是因为细胞内部或外部的剌激（如物理、电的、或化学的），可以通过细胞内钙储存库释放钙离子或使细胞外的钙离子进入胞内，造成细胞的特定区域钙离子浓度的升高，这些钙离子能可逆地与胞内许多蛋白质结合，这是钙离子发挥细胞内信使作用的必要条件，而且对控制游离钙离子的浓度有重要作用。此外在维持细胞内钙平衡中起重要作用的是细胞质膜，它有 Ca2＋Mg2＋-ATP酶泵，该泵受胞内 Ca2＋ 受体钙调蛋白的激活后，可以把 Ca2＋从胞浆泵至细胞外液，致使胞浆钙离子浓度很快回到原先的水平。
（2）传递信息 外部或内部剌激如激素或神经传递介质结合到质膜的 G 蛋白偶联的受体，或者是酪氨酸激酶受体，然后激活磷酯酶 C,使磷酯酰肌醇-4,5 二磷酸（ PIP2 ）水解成肌醇-1,4,5 三磷酸（ InP3 ）和二酯酰甘油（ DG ）。（参见信号转导）
（3）作为细胞外酶和蛋白酶的辅助因子 钙离子对许多蛋白水解酶和参与血液凝固的酶的稳定和发挥最大的催化活性是必需的（详见血液凝固），而且这一功能不受细胞外液钙离子浓度变化的影响。
（4）其它 钙离子有利于心肌的收缩，并与促进心肌舒张的钾离子相拮抗，这对维持心肌正常功能非常重要；钙离子参与肌肉收缩，降低神经肌肉兴奋性，故血浆钙离子浓度降低时可引起神经肌肉兴奋性增高，甚至引起肌肉自发性收缩（搐搦）；钙离子尚有降低毛细血管和细胞膜通透性的作用。
（二）磷的生理功用：
1.无机磷酸盐是骨、牙齿的重要组成成分巳如上述。
2以磷酸盐的形式 (细胞外液为 Na2HPO4/NaH2PO4,细胞内液为 K2HPO4/KH2PO4 组成缓冲对，在维持体液的酸碱平衡中发挥作用。
3.组成含磷的有机化合物，发挥广泛的生理作用。含磷有机化合物包括：磷脂类，磷蛋白类,单核苷酸类（包括cAMP），辅酶类，核酸，含磷的代谢中间产物等。
第二节 钙、磷的一般代谢一、钙的吸收与排泄
钙主要在十二指肠及小肠上部吸收，巳知钙的吸收有二种途径，一种是主动吸收也称转细胞吸收（transcellular absorption）,它由钙结合蛋白（calbindin）参与并受维生素 D 的调节（详见维生素D对小肠的作用）。另一种是被动性吸收也称旁细胞吸收（paracellular absorption）,它是通过细胞之间的间隙由体液运送到血液，吸收的多少与钙含量及细胞间隙的大小有关。影响钙吸收有多种因素，这些因素是：
1,活性维生素 D 是影响钙吸收的主要因素,它可促进小肠中钙和磷的吸收,因此.维生素 D 缺乏或维生素 D 不能转化为活性形式时，可导致体内钙,磷缺乏。
2,溶解状态的钙盐易吸收。钙盐在酸性溶液中易于溶解，故凡能使消化道 pH 下降的食物如乳酸，乳糖,某些氨基酸及胃酸等均有利于钙盐的吸收。胃酸缺乏将会使钙吸收率降低。
3,钙吸收与机体需要量有关。婴幼儿、孕妇、乳母对钙需要量增加，吸收率也增加。钙吸收与年龄亦有关，随着年龄增加，钙吸收率下降。老年人易得骨质疏松症与钙吸收率降低密切相关。
4,食物中钙磷的比例对钙的吸收有一定影响，实验证明，钙/磷比值一般以1.5~2:1为宜。
5,凡促使生成不溶性钙盐的因素均影响钙的吸收，如食物中过多的磷酸盐、草酸、谷物中的植酸等均可与钙结合成不溶性钙盐而影响钙吸收。
人体每日排出的钙约80％通过肠道随粪便排出，20％由肾脏排出。肾小球每日滤出的钙达10 克，绝大部分在肾小管被重吸收，仅150mg左右由尿排出。尿中钙的排出受维生素D和甲状旁腺素的调节。
二、磷的吸收与排泄
人体每日摄入的磷约1~1.5克。磷吸收部位在小肠，以空肠吸收最快。影响磷吸收的因素大致与钙相似。酸性增加有利于磷的吸收。吸收形式主要为酸性磷酸盐（BH2PO4 ），吸收率可达 70％。Ca2＋，Mg2＋,Al3＋和 Fe3＋可与磷酸根结合成不溶性盐，故食物中钙过多会影响磷吸收,严重肾病患者血磷过高时，常服用Al (OH)3乳胶以减少磷的吸收。
磷由肾及肠道排泄，肾排出量占总排出量的70％，肾排出磷也受甲状旁腺素和维生素 D的调节。肾功能不良导致磷排出减少时使血磷增高。
三、血钙和血磷正常人血清钙含量为2.25~2.9mmol/L(9~11 mg/dL,4.5~5.8mEq/L),儿童常处于上限值。(表19-1).。
血钙主要以离子钙和结合钙两种形式存在,数量各占一半 (见表 19-1) 。与血浆蛋白（主要为白蛋白）结合的钙不能透过毛细血管壁，称为不可扩散钙（ nondiffusible calcium），不具有生理活性。离子钙则称为可扩散钙（diffusible calcium），包括离子钙和少量与柠檬酸络合而成的溶解钙以及磷酸氢钙中的钙，离子钙是血钙中直接发挥生理功能的部分。离子钙和结合钙的浓度处于动态平衡，随 pH 不同而互相转变。
当血浆 pH 值降低时（如酸中毒），离子钙浓度升高；相反,pH 值升高（碱中毒）时，血浆钙离子含量减少，当降至 0.87m mol/L(3.8mg/dl) 时，神经肌肉的兴奋性提高,可出现抽搐现象。
血磷通常指血浆中无机磷酸盐中的磷，正常成人血浆中无机磷含量为 0.96~1.44mmol/L(3.0~4.5mg/dl),儿童为 1.28~2.24m mol/L(4.0~7.0mg/dl) 。
血浆中钙、磷含量之间关系密切。正常人每100ml 血浆中钙的毫克数和无机磷的毫克数的乘积是35~40，即〔Ca〕×〔P〕＝35~40 。当两者乘积大于40时，钙和磷以骨盐形式沉积在骨组织，若乘积低于35 时，妨碍骨组织钙化，甚至使骨盐再溶解，影响成骨作用，会引起佝偻病或软骨病。
第三节 钙、磷代谢的调节
正常人每日钙的摄入量与排出量相等，体液中钙磷与骨组织中的钙磷交换量相等，血浆中钙和磷的含量亦保持相对恒定，说明体内钙磷代谢受到精细的调节。调节钙磷代谢的物质主要有三种，即维生素D,甲状旁腺素（parathyroid hormone,PTH）和降钙素（calcitonin，CT）。它们均作用于小肠、肾和骨组织，主要调节钙磷的吸收、肾的排出及骨组织和体液之间的平衡，从而维持钙、磷代谢的正常进行。
一,维生素 D 的调节作用
（一）维生素D的来源
维生素D为脂溶性维生素。有来自植物中的D2和动物组织中的D3。人体内的D3亦可由胆固醇脱氢生7-脱氢胆固醇后经紫外线照射生成。人体每日约合成维生素D3200~400 国际单位。
（二）维生素D3在体内的代谢转变
维生素D3在体内先后经过肝脏和肾脏的羟化作用才成为高活性的1,25-(OH)2-D3.。在肝细胞的微粒体中有维生素D3-25羟化酶系，在NADP、O2和Mg2＋参与下，使维生素D3羟化成25-OH-D3，后者尚无活性，进入血液与血浆中一种特异的(-球蛋白（MW，52，000 ）结合运到肾脏。肾脏皮质细胞线粒体内膜上有25-羟维生素D3-1(羟化酶(简称1(羟化酶),它是由黄素酶，铁硫蛋白和细胞色素P450组成的混合功能氧化酶，可使25-OH-D3进一步羟化为 1,25-(OH)2-D3，后者即为维生素D3的活性形式。肾线粒体中还含有24-羟化酶,可使25-OH-D3转变成24,25-(OH)2-D3，后者还可能转变成1,24,25-(OH)3-D3（图19-1)，但24,25-(OH)2-D3和1,24,25-(OH)3-D3的生理活性均极低。
（三）1,25-(OH)2-D3合成的调节
1,25,-(OH)2-D3的合成受到本身的负反馈调节和PTH、血钙、血磷的调节(图19-2).。
1,1,25-(OH)2-D3的反馈调节：1,25-(OH)2-D3能抑制1(-羟化酶的自身合成,同时诱导24-羟化酶的合成,前者使1,25-(OH)2-D3合成减少,后者使24,25-(OH)2-D3生成增加,结果是反馈抑制。
2 PTH的调节作用是通过促进1(-羟化酶系的合成而使1,25-(OH)2-D3合成增加。同时能通过抑制24,25-(OH)2-D3的合成，使之减少。
3,血中Ca2(浓度降低，可促进PTH分泌，因此间接使1,25-(OH)2-D3合成增加。
4,血磷含量可影响1,25-(OH)2-D3的生成,血磷增加抑制1(-羟化酶,使其生成降低，由此减少肠中钙、磷吸收，并增加尿中钙、磷排出，使血钙、血磷降低。当血磷降低时则促进1,25-(OH)2-D3合成增加。
（四）1,25-(OH)2-D3的生理作用
1,25-(OH)2-D3作用的靶组织是小肠、骨、和肾脏。
1,对小肠的作用：1,25-(OH)2-D3是促进小肠对钙和磷的吸收。小肠粘膜细胞对钙的吸收通过钙结合蛋白，钙结合蛋白的生成受活性维生素D的调节，因为小肠粘膜细胞具有对1,25-(OH)2-D3有高度亲和力的维生素D受体（VDR。钙结合蛋白是小分子可溶性蛋白质，哺乳类小肠粘膜细胞的钙结合蛋白分子量为9kD，对钙有高度亲和力，蛋白质分子中有两个钙结合部位。钙结合蛋白在细胞表面结合钙离子，进入细胞后通过内吞囊泡（endocytic vesicles）并与溶酶体融合，在溶酶体内酸性环境中结合的钙释放后，钙结合蛋白再回到细胞表面，Ca2+通过细胞基底膜运出细胞。钙结合蛋白在这里作为钙的传送者。活性维生素D3促进钙吸收还可能涉及ATP-依赖的钙泵的激活，钙泵能对抗电化学梯度把钙排入血浆(图19-3)。
2,对骨的作用,成骨细胞具有与1,25(OH)2-D3反应的受体，体外的研究证明1.25-(OH)2 D3与受体结合后能增加碱性磷酸酶的活力和骨钙蛋白（osteocalcin）基因及骨桥蛋白（osteopontin）基因的表达。维生素D对健康骨骼的生成和保持是必需的，因为维生素D可调节保持细胞外液钙和磷浓度呈超饱和状态，这种超饱和状态可促进骨的矿化。
3,对肾脏的作用：1,25(OH)2-D3亦能诱导肾远曲小管和集合管细胞合成钙结合蛋白,与小肠细胞不同，肾细胞合成的钙结合蛋白分子量为28kD，每分子钙结合蛋白能结合四个钙离子，而且与小肠细胞的钙结合蛋白相比较无程序上的同源性。给大鼠1,25-(OH)2-D3可诱导转录钙结合蛋白的mRNA和维生素D受体的mRNA，然而在维生D缺乏的动物并未见到高钙尿，这就提出肾细胞的钙结合蛋白的作用机制可能不同于小肠细胞。维生素D不足可见到肾排钙减少，但甲状旁腺激素（PTH）缺乏则有肾钙排出增加，说明肾保留钙的主要作用耒自PTH。
二、甲状旁腺素的调节作用
（一）甲状旁腺素的合成与分泌
甲状旁腺素是甲状旁腺主细胞合成并分泌的单链84肽。先在主细胞粗面内质网合成115个氨基酸残基组成的前甲状旁腺素原，再将领头的信号肽去除而成甲状旁腺素原，在分泌前又在高尔基体经第二次降解成由84个氨基酸残基的甲状旁腺素。PTH的半寿期约20分钟，因此其合成和分泌的调节甚为重要。PTH的分泌受血钙、1,25(OH)2-D3、降钙素等的调节，其中血钙浓度是PTH合成分泌的主要调节因素，两者呈反比关系。1,25(OH)2-D3可抑制PTH的分泌,这可能与它升高血钙有关。降钙素可直接或间接的促进PTH的分泌。
（二）PTH的生理作用
调节细胞外液钙浓度主要依靠PTH，当血浆钙浓度降低时，甲状旁腺受到剌激即刻分泌PTH，后者通过它作用的靶器官使升高血钙，降低血磷。PTH的靶器官是骨骼、肾脏和小肠。
1.对骨的作用 PTH主要促进溶骨作用来增加血浆钙和血磷。PTH使融合后的单核细胞分裂增生并转化为破骨细胞，使破骨细胞的数目增多,PTH对破骨细胞的作用是间接的。
2.对肾脏的作用 PTH对肾脏的作用主要是促进磷的排泄和钙的重吸收，使血磷降低，血钙升高。PTH直接作用于肾近曲小管上皮细胞，抑制磷重吸收使尿磷排出增多。PTH对肾远曲小管上皮细胞的作用是增加钙的重吸收，减少尿钙的排泄，这对保证正常的血钙浓度有重要作用。
3.对小肠的作用 PTH亦有促进肠道对钙吸收的作用，但作用较小，有人认为PTH分泌增加，可促进1(-羟化酶合成增加，后者使1,25(OH)2-D3生成增加,从而促进小肠对钙、磷的吸收。
PTH对钙、磷代谢的主要作用是动员骨中钙、磷转移到细胞外液；降低尿钙的排出；促进尿磷排出，结果血钙浓度升高，血磷浓度降低。
三、降钙素的调节作用
（一）降钙素的合成和分泌
降钙素主要由甲状腺滤泡旁细胞（parafollicular cell，又称C细胞）合成和分泌的一种由32个氨基酸残基组成的单链多肽，分子量为3,500。
CT的分泌直接受血钙浓度的控制，高血钙促进其分泌，低血钙抑制其分泌。动物实验证明，胰高血糖、肠促胰酶素、促胃液素等均有促进CT分泌的作用。
（二）降钙素的生理作用
降钙素的生理作用与PTH相拮抗，它的靶器官亦是骨、肾和小肠。
1.对骨的作用 CT抑制PTH对破骨细胞溶解骨盐的作用，使血钙、血磷浓度降低。
2.对肾的作用 主要是抑制肾近曲小管对磷和远曲小管对钙的重吸收，使尿磷、尿钙排出增加，血钙、血磷浓度降低。
3.对小肠的作用 生理浓度的CT可抑制小肠对钙的吸收。但大剂量CT可促进钙吸收，可能大剂量CT使血钙降低，而继发引起肠吸收钙增强。
正常人通过1,25(OH)2-D3、PTH和CT对钙、磷代谢进行调节，使血钙、血磷的浓度保持动态平衡状态。上述三种调节物质的作用总结于表19-2。
第四节 某些微量元素的生理作用构成人体的元素有几十种,其中有十余种元素因含量极少（每克湿重组织约10-12~10-9克)，故称微量元素。目前认为铁、铜、锌、锰、铬、钼、硒、镍、钒、锡、钴、氟、碘、硅十四种微量元素是人类和动物所必需的，其中碘、锌、铜、钴、铬等几种微量元素巳观察到人类的缺乏症，并能用相应元素的补充加以纠正。微量元素在临床的应用亦逐渐受到重视，对它们在体内的生理作用方面的研究正在深入进行。现重点介绍几种微量元素的作用。
一、铁和碘
铁和碘在体内的代谢和生理功能分别见血液章和激素章。
二、氟
氟是骨骼和牙齿的组成成分，当氟取代羟磷灰石的羟基即成为氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2 )，氟磷灰石比羟磷灰石更坚固而有弹性，所以膳食中适量的氟有保护骨和牙齿的作用。氟主要耒源于水，一般饮水中约含1mg/L，茶叶含氟较多，干燥茶叶可高达100mg/kg。若食物和饮水中含氟量过少，影响牙齿的形成，易患龋齿；含量过高，则引起牙齿斑釉及慢性中毒，一般认为饮水中氟的含量以百万之一（1ppm,相当于1mg/L）较为合适 。
三、锌
正常成人全身含锌总量约2~4g，血浆含锌量约为100~140(g/dl，其中30~40％与(2-巨球蛋白相结合。红细胞中锌含量约为血浆的十倍，主要存在于碳酸酐酶中。
锌在体内参与多种酶的组成或为酶催化活性所必需。现知体内有200多种酶含锌，重要的有碳酸酐酶、DNA和RNA聚合酶、碱性磷酸酶、羧基肽酶、丙酮酸羧化酶、谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和醇脱氢酶等。锌作为一类细胞核内蛋白质因子的成分，组成具有锌指结构的反式作用因子参与基因表达的调控。锌在体内储存很少，所以人和动物的食物中锌供应不足，很快出现缺乏症，如食欲减退，生长不良，皮肤病变，伤口难愈，味觉减退，胎儿畸形等。长期缺乏还可引起性机能障碍和矮小症。营养学会推荐成人每日供给量为15mg，孕妇和哺乳期妇女应增加至20mg。
四、铜
人体各组织均含铜，其中以肝、脑、心、肾和胰含量较多。成人体内铜总量约100~150mg。
铜是许多酶类的组成成分，血浆铜兰蛋白含有铜，细胞色素氧化酶，铜锌超氧物歧化酶（Cu、Zn superoxide dismutase）、过氧化氢酶、酪氨酸酶、单胺氧化酶、抗坏血酸氧化酶等均含铜。含铜酶多属氧化酶类。机体缺铜时这些酶活性下降。
铜缺乏的主要表现为贫血，因铜缺乏时铜兰蛋白含量降低，影响铁的吸收、运输和利用。
五、硒
硒是谷胱甘肽过氧化物酶（GSHPX）与磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶（PHGSHPX）的成分，每克分子GSHPx含有4克原子硒，每克分子PHGSHPx含1克原子硒。两者均能催化还原型谷胱甘肽氧化。GSHPx催化此反应时可还原过氧化氢、脂氢过氧化物等过氧化物质，PHGSHPx则能使生物膜中的磷脂氢过氧化物还原，并能催化低密度脂蛋白中的磷脂酰胆碱及胆固醇的氢过氧化物还原，因此能阻止生物膜脂质的过氧化反应，保护生物膜的正常结构与功能。它们与超氧化物歧化酶等组成体内防御氧自由基损伤的重要酶体系。硒对心肌的保护作用、抗癌作用等可能均与此有关。此外硒还有拮抗镉、汞、砷等的毒性作用。上世纪60年代我国医学工作者已查明,克山病与人群硒摄入量不足有关。克山病流行区居民的血硒.和发硒水平,以及血GSHPx,活力均低于非病区人群，采用亚硒酸钠防治克山病取得显著效果。
六、钴
体内钴主要存在于维生素B12中，食物中的无机钴，在小肠可与铁共用同一主动转运机制吸收，从尿、粪便、汗液及毛发排出。肠道细菌能利用钴合成维生素B12，是人体吸收利用的耒源（见维生素章）。
七、锰
锰是体内某些金属酶的成分，也是一些酶的激活剂。如精氨酸酶、丙酮酸羧化酶及锰- 超氧化物歧化酶（Mn-SOD)等，另有一些如糖苷转移酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶以及谷氨酰胺合成酶则必需由Mn2(激活。因此锰是人体必需的微量元素之一。
人体锰缺乏的典型病例尚未有报道，但发现某些疾病存在锰代谢紊乱，如癫痫患者血锰含量降低。此外锰缺乏还可能是关节疾病、精神忧郁、骨质疏松及先天畸形等疾病的发生有关因素。锰在食物中分布广泛，通常能满足需要。
此外，钼是醛氧化酶、黄嘌呤氧化酶及亚硫酸盐氧化酶的组成成分。铬是胰岛素作用的辅助因素－糖耐量因子(GTF)的成分。镍在较高等的植物和微生物中已证实是尿酶等的成分。钒与细胞内氧化还原反应有关，并可能参与Na,K-ATP酶、磷酸转移酶及蛋白激酶等的调节。锡可能对大分子物质的结构有影响。硅与结缔组织及骨骼的形成有关。
钙和磷是体内含量较多的无机物，它们除参与骨和牙齿的组成之外，尚有广泛的生理功能，本章重点讨论钙，磷在体内的生理功能及维生素 D、甲状旁腺素和降钙素对钙磷代谢的调节作用。此外，对微量元素作简要介绍。
第一节 钙、磷的含量、分布及生理功能一、钙、磷的含量及分布
成人体内钙总量约 700~1400 克，磷总量约 400~ 800 克，其中 99.3% 的钙和 86% 的磷以骨盐形式存在于骨骼和牙齿中。体液及其它组织中存在的钙不足总量的1％（约7~8 克）。磷约为总量的14％，它们均具有重要的生理功用。
二、生理功用
（一）钙的生理功用
1．以骨盐形式组成人体骨架 骨骼由骨细胞、骨基质和骨盐组成。骨盐主要成分磷酸钙（占84％）、其它还有碳酸钙（10％）、柠檬酸钙（2％）、磷酸氢钠（2％）、磷酸镁（1%）及微量钾氟化物等。骨盐主要以无定形的磷酸氢钙（CaHPO4）及柱状或针状的羟磷灰石〔Ca10（PO4）6（OH）2 〕结晶形式存在。前者是钙盐沉积的初级形式，它进一步钙化结晶而转变成后者，分布于骨基质中。羟磷灰石结晶称骨晶（bonycrystal），非常坚硬，因为它有规律的平行附着在胶原纤维上，故有良好的韧性。1克骨盐中含有 1016 个结晶体，总表面积大，可达 100M2，有利于它和细胞外液进行离子交换，故对维持细胞外液的钙,磷含量具有重要作用。它是钙、磷的储存库，当细胞外液钙浓度减少时，可迅速动员骨盐补充之。骨盐中的羟基被氟取代后，骨骼硬度增加溶解度降低，所以适量的氟有助于预防龋齿。
2、Ca2＋的生理功能 Ca2＋的含量虽不到其总量的0.1%,但有异常重要的生理功用。
（1）作为细胞内的信使 在细胞内离子钙是最常见到的信号转导者，这是因为细胞内部或外部的剌激（如物理、电的、或化学的），可以通过细胞内钙储存库释放钙离子或使细胞外的钙离子进入胞内，造成细胞的特定区域钙离子浓度的升高，这些钙离子能可逆地与胞内许多蛋白质结合，这是钙离子发挥细胞内信使作用的必要条件，而且对控制游离钙离子的浓度有重要作用。此外在维持细胞内钙平衡中起重要作用的是细胞质膜，它有 Ca2＋Mg2＋-ATP酶泵，该泵受胞内 Ca2＋ 受体钙调蛋白的激活后，可以把 Ca2＋从胞浆泵至细胞外液，致使胞浆钙离子浓度很快回到原先的水平。
（2）传递信息 外部或内部剌激如激素或神经传递介质结合到质膜的 G 蛋白偶联的受体，或者是酪氨酸激酶受体，然后激活磷酯酶 C,使磷酯酰肌醇-4,5 二磷酸（ PIP2 ）水解成肌醇-1,4,5 三磷酸（ InP3 ）和二酯酰甘油（ DG ）。（参见信号转导）
（3）作为细胞外酶和蛋白酶的辅助因子 钙离子对许多蛋白水解酶和参与血液凝固的酶的稳定和发挥最大的催化活性是必需的（详见血液凝固），而且这一功能不受细胞外液钙离子浓度变化的影响。
（4）其它 钙离子有利于心肌的收缩，并与促进心肌舒张的钾离子相拮抗，这对维持心肌正常功能非常重要；钙离子参与肌肉收缩，降低神经肌肉兴奋性，故血浆钙离子浓度降低时可引起神经肌肉兴奋性增高，甚至引起肌肉自发性收缩（搐搦）；钙离子尚有降低毛细血管和细胞膜通透性的作用。
（二）磷的生理功用：
1.无机磷酸盐是骨、牙齿的重要组成成分巳如上述。
2以磷酸盐的形式 (细胞外液为 Na2HPO4/NaH2PO4,细胞内液为 K2HPO4/KH2PO4 组成缓冲对，在维持体液的酸碱平衡中发挥作用。
3.组成含磷的有机化合物，发挥广泛的生理作用。含磷有机化合物包括：磷脂类，磷蛋白类,单核苷酸类（包括cAMP），辅酶类，核酸，含磷的代谢中间产物等。
第二节 钙、磷的一般代谢一、钙的吸收与排泄
钙主要在十二指肠及小肠上部吸收，巳知钙的吸收有二种途径，一种是主动吸收也称转细胞吸收（transcellular absorption）,它由钙结合蛋白（calbindin）参与并受维生素 D 的调节（详见维生素D对小肠的作用）。另一种是被动性吸收也称旁细胞吸收（paracellular absorption）,它是通过细胞之间的间隙由体液运送到血液，吸收的多少与钙含量及细胞间隙的大小有关。影响钙吸收有多种因素，这些因素是：
1,活性维生素 D 是影响钙吸收的主要因素,它可促进小肠中钙和磷的吸收,因此.维生素 D 缺乏或维生素 D 不能转化为活性形式时，可导致体内钙,磷缺乏。
2,溶解状态的钙盐易吸收。钙盐在酸性溶液中易于溶解，故凡能使消化道 pH 下降的食物如乳酸，乳糖,某些氨基酸及胃酸等均有利于钙盐的吸收。胃酸缺乏将会使钙吸收率降低。
3,钙吸收与机体需要量有关。婴幼儿、孕妇、乳母对钙需要量增加，吸收率也增加。钙吸收与年龄亦有关，随着年龄增加，钙吸收率下降。老年人易得骨质疏松症与钙吸收率降低密切相关。
4,食物中钙磷的比例对钙的吸收有一定影响，实验证明，钙/磷比值一般以1.5~2:1为宜。
5,凡促使生成不溶性钙盐的因素均影响钙的吸收，如食物中过多的磷酸盐、草酸、谷物中的植酸等均可与钙结合成不溶性钙盐而影响钙吸收。
人体每日排出的钙约80％通过肠道随粪便排出，20％由肾脏排出。肾小球每日滤出的钙达10 克，绝大部分在肾小管被重吸收，仅150mg左右由尿排出。尿中钙的排出受维生素D和甲状旁腺素的调节。
二、磷的吸收与排泄
人体每日摄入的磷约1~1.5克。磷吸收部位在小肠，以空肠吸收最快。影响磷吸收的因素大致与钙相似。酸性增加有利于磷的吸收。吸收形式主要为酸性磷酸盐（BH2PO4 ），吸收率可达 70％。Ca2＋，Mg2＋,Al3＋和 Fe3＋可与磷酸根结合成不溶性盐，故食物中钙过多会影响磷吸收,严重肾病患者血磷过高时，常服用Al (OH)3乳胶以减少磷的吸收。
磷由肾及肠道排泄，肾排出量占总排出量的70％，肾排出磷也受甲状旁腺素和维生素 D的调节。肾功能不良导致磷排出减少时使血磷增高。
三、血钙和血磷正常人血清钙含量为2.25~2.9mmol/L(9~11 mg/dL,4.5~5.8mEq/L),儿童常处于上限值。(表19-1).。
血钙主要以离子钙和结合钙两种形式存在,数量各占一半 (见表 19-1) 。与血浆蛋白（主要为白蛋白）结合的钙不能透过毛细血管壁，称为不可扩散钙（ nondiffusible calcium），不具有生理活性。离子钙则称为可扩散钙（diffusible calcium），包括离子钙和少量与柠檬酸络合而成的溶解钙以及磷酸氢钙中的钙，离子钙是血钙中直接发挥生理功能的部分。离子钙和结合钙的浓度处于动态平衡，随 pH 不同而互相转变。
当血浆 pH 值降低时（如酸中毒），离子钙浓度升高；相反,pH 值升高（碱中毒）时，血浆钙离子含量减少，当降至 0.87m mol/L(3.8mg/dl) 时，神经肌肉的兴奋性提高,可出现抽搐现象。
血磷通常指血浆中无机磷酸盐中的磷，正常成人血浆中无机磷含量为 0.96~1.44mmol/L(3.0~4.5mg/dl),儿童为 1.28~2.24m mol/L(4.0~7.0mg/dl) 。
血浆中钙、磷含量之间关系密切。正常人每100ml 血浆中钙的毫克数和无机磷的毫克数的乘积是35~40，即〔Ca〕×〔P〕＝35~40 。当两者乘积大于40时，钙和磷以骨盐形式沉积在骨组织，若乘积低于35 时，妨碍骨组织钙化，甚至使骨盐再溶解，影响成骨作用，会引起佝偻病或软骨病。
第三节 钙、磷代谢的调节
正常人每日钙的摄入量与排出量相等，体液中钙磷与骨组织中的钙磷交换量相等，血浆中钙和磷的含量亦保持相对恒定，说明体内钙磷代谢受到精细的调节。调节钙磷代谢的物质主要有三种，即维生素D,甲状旁腺素（parathyroid hormone,PTH）和降钙素（calcitonin，CT）。它们均作用于小肠、肾和骨组织，主要调节钙磷的吸收、肾的排出及骨组织和体液之间的平衡，从而维持钙、磷代谢的正常进行。
一,维生素 D 的调节作用
（一）维生素D的来源
维生素D为脂溶性维生素。有来自植物中的D2和动物组织中的D3。人体内的D3亦可由胆固醇脱氢生7-脱氢胆固醇后经紫外线照射生成。人体每日约合成维生素D3200~400 国际单位。
（二）维生素D3在体内的代谢转变
维生素D3在体内先后经过肝脏和肾脏的羟化作用才成为高活性的1,25-(OH)2-D3.。在肝细胞的微粒体中有维生素D3-25羟化酶系，在NADP、O2和Mg2＋参与下，使维生素D3羟化成25-OH-D3，后者尚无活性，进入血液与血浆中一种特异的(-球蛋白（MW，52，000 ）结合运到肾脏。肾脏皮质细胞线粒体内膜上有25-羟维生素D3-1(羟化酶(简称1(羟化酶),它是由黄素酶，铁硫蛋白和细胞色素P450组成的混合功能氧化酶，可使25-OH-D3进一步羟化为 1,25-(OH)2-D3，后者即为维生素D3的活性形式。肾线粒体中还含有24-羟化酶,可使25-OH-D3转变成24,25-(OH)2-D3，后者还可能转变成1,24,25-(OH)3-D3（图19-1)，但24,25-(OH)2-D3和1,24,25-(OH)3-D3的生理活性均极低。
（三）1,25-(OH)2-D3合成的调节
1,25,-(OH)2-D3的合成受到本身的负反馈调节和PTH、血钙、血磷的调节(图19-2).。
1,1,25-(OH)2-D3的反馈调节：1,25-(OH)2-D3能抑制1(-羟化酶的自身合成,同时诱导24-羟化酶的合成,前者使1,25-(OH)2-D3合成减少,后者使24,25-(OH)2-D3生成增加,结果是反馈抑制。
2 PTH的调节作用是通过促进1(-羟化酶系的合成而使1,25-(OH)2-D3合成增加。同时能通过抑制24,25-(OH)2-D3的合成，使之减少。
3,血中Ca2(浓度降低，可促进PTH分泌，因此间接使1,25-(OH)2-D3合成增加。
4,血磷含量可影响1,25-(OH)2-D3的生成,血磷增加抑制1(-羟化酶,使其生成降低，由此减少肠中钙、磷吸收，并增加尿中钙、磷排出，使血钙、血磷降低。当血磷降低时则促进1,25-(OH)2-D3合成增加。
（四）1,25-(OH)2-D3的生理作用
1,25-(OH)2-D3作用的靶组织是小肠、骨、和肾脏。
1,对小肠的作用：1,25-(OH)2-D3是促进小肠对钙和磷的吸收。小肠粘膜细胞对钙的吸收通过钙结合蛋白，钙结合蛋白的生成受活性维生素D的调节，因为小肠粘膜细胞具有对1,25-(OH)2-D3有高度亲和力的维生素D受体（VDR。钙结合蛋白是小分子可溶性蛋白质，哺乳类小肠粘膜细胞的钙结合蛋白分子量为9kD，对钙有高度亲和力，蛋白质分子中有两个钙结合部位。钙结合蛋白在细胞表面结合钙离子，进入细胞后通过内吞囊泡（endocytic vesicles）并与溶酶体融合，在溶酶体内酸性环境中结合的钙释放后，钙结合蛋白再回到细胞表面，Ca2+通过细胞基底膜运出细胞。钙结合蛋白在这里作为钙的传送者。活性维生素D3促进钙吸收还可能涉及ATP-依赖的钙泵的激活，钙泵能对抗电化学梯度把钙排入血浆(图19-3)。
2,对骨的作用,成骨细胞具有与1,25(OH)2-D3反应的受体，体外的研究证明1.25-(OH)2 D3与受体结合后能增加碱性磷酸酶的活力和骨钙蛋白（osteocalcin）基因及骨桥蛋白（osteopontin）基因的表达。维生素D对健康骨骼的生成和保持是必需的，因为维生素D可调节保持细胞外液钙和磷浓度呈超饱和状态，这种超饱和状态可促进骨的矿化。
3,对肾脏的作用：1,25(OH)2-D3亦能诱导肾远曲小管和集合管细胞合成钙结合蛋白,与小肠细胞不同，肾细胞合成的钙结合蛋白分子量为28kD，每分子钙结合蛋白能结合四个钙离子，而且与小肠细胞的钙结合蛋白相比较无程序上的同源性。给大鼠1,25-(OH)2-D3可诱导转录钙结合蛋白的mRNA和维生素D受体的mRNA，然而在维生D缺乏的动物并未见到高钙尿，这就提出肾细胞的钙结合蛋白的作用机制可能不同于小肠细胞。维生素D不足可见到肾排钙减少，但甲状旁腺激素（PTH）缺乏则有肾钙排出增加，说明肾保留钙的主要作用耒自PTH。
二、甲状旁腺素的调节作用
（一）甲状旁腺素的合成与分泌
甲状旁腺素是甲状旁腺主细胞合成并分泌的单链84肽。先在主细胞粗面内质网合成115个氨基酸残基组成的前甲状旁腺素原，再将领头的信号肽去除而成甲状旁腺素原，在分泌前又在高尔基体经第二次降解成由84个氨基酸残基的甲状旁腺素。PTH的半寿期约20分钟，因此其合成和分泌的调节甚为重要。PTH的分泌受血钙、1,25(OH)2-D3、降钙素等的调节，其中血钙浓度是PTH合成分泌的主要调节因素，两者呈反比关系。1,25(OH)2-D3可抑制PTH的分泌,这可能与它升高血钙有关。降钙素可直接或间接的促进PTH的分泌。
（二）PTH的生理作用
调节细胞外液钙浓度主要依靠PTH，当血浆钙浓度降低时，甲状旁腺受到剌激即刻分泌PTH，后者通过它作用的靶器官使升高血钙，降低血磷。PTH的靶器官是骨骼、肾脏和小肠。
1.对骨的作用 PTH主要促进溶骨作用来增加血浆钙和血磷。PTH使融合后的单核细胞分裂增生并转化为破骨细胞，使破骨细胞的数目增多,PTH对破骨细胞的作用是间接的。
2.对肾脏的作用 PTH对肾脏的作用主要是促进磷的排泄和钙的重吸收，使血磷降低，血钙升高。PTH直接作用于肾近曲小管上皮细胞，抑制磷重吸收使尿磷排出增多。PTH对肾远曲小管上皮细胞的作用是增加钙的重吸收，减少尿钙的排泄，这对保证正常的血钙浓度有重要作用。
3.对小肠的作用 PTH亦有促进肠道对钙吸收的作用，但作用较小，有人认为PTH分泌增加，可促进1(-羟化酶合成增加，后者使1,25(OH)2-D3生成增加,从而促进小肠对钙、磷的吸收。
PTH对钙、磷代谢的主要作用是动员骨中钙、磷转移到细胞外液；降低尿钙的排出；促进尿磷排出，结果血钙浓度升高，血磷浓度降低。
三、降钙素的调节作用
（一）降钙素的合成和分泌
降钙素主要由甲状腺滤泡旁细胞（parafollicular cell，又称C细胞）合成和分泌的一种由32个氨基酸残基组成的单链多肽，分子量为3,500。
CT的分泌直接受血钙浓度的控制，高血钙促进其分泌，低血钙抑制其分泌。动物实验证明，胰高血糖、肠促胰酶素、促胃液素等均有促进CT分泌的作用。
（二）降钙素的生理作用
降钙素的生理作用与PTH相拮抗，它的靶器官亦是骨、肾和小肠。
1.对骨的作用 CT抑制PTH对破骨细胞溶解骨盐的作用，使血钙、血磷浓度降低。
2.对肾的作用 主要是抑制肾近曲小管对磷和远曲小管对钙的重吸收，使尿磷、尿钙排出增加，血钙、血磷浓度降低。
3.对小肠的作用 生理浓度的CT可抑制小肠对钙的吸收。但大剂量CT可促进钙吸收，可能大剂量CT使血钙降低，而继发引起肠吸收钙增强。
正常人通过1,25(OH)2-D3、PTH和CT对钙、磷代谢进行调节，使血钙、血磷的浓度保持动态平衡状态。上述三种调节物质的作用总结于表19-2。
第四节 某些微量元素的生理作用构成人体的元素有几十种,其中有十余种元素因含量极少（每克湿重组织约10-12~10-9克)，故称微量元素。目前认为铁、铜、锌、锰、铬、钼、硒、镍、钒、锡、钴、氟、碘、硅十四种微量元素是人类和动物所必需的，其中碘、锌、铜、钴、铬等几种微量元素巳观察到人类的缺乏症，并能用相应元素的补充加以纠正。微量元素在临床的应用亦逐渐受到重视，对它们在体内的生理作用方面的研究正在深入进行。现重点介绍几种微量元素的作用。
一、铁和碘
铁和碘在体内的代谢和生理功能分别见血液章和激素章。
二、氟
氟是骨骼和牙齿的组成成分，当氟取代羟磷灰石的羟基即成为氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2 )，氟磷灰石比羟磷灰石更坚固而有弹性，所以膳食中适量的氟有保护骨和牙齿的作用。氟主要耒源于水，一般饮水中约含1mg/L，茶叶含氟较多，干燥茶叶可高达100mg/kg。若食物和饮水中含氟量过少，影响牙齿的形成，易患龋齿；含量过高，则引起牙齿斑釉及慢性中毒，一般认为饮水中氟的含量以百万之一（1ppm,相当于1mg/L）较为合适 。
三、锌
正常成人全身含锌总量约2~4g，血浆含锌量约为100~140(g/dl，其中30~40％与(2-巨球蛋白相结合。红细胞中锌含量约为血浆的十倍，主要存在于碳酸酐酶中。
锌在体内参与多种酶的组成或为酶催化活性所必需。现知体内有200多种酶含锌，重要的有碳酸酐酶、DNA和RNA聚合酶、碱性磷酸酶、羧基肽酶、丙酮酸羧化酶、谷氨酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶和醇脱氢酶等。锌作为一类细胞核内蛋白质因子的成分，组成具有锌指结构的反式作用因子参与基因表达的调控。锌在体内储存很少，所以人和动物的食物中锌供应不足，很快出现缺乏症，如食欲减退，生长不良，皮肤病变，伤口难愈，味觉减退，胎儿畸形等。长期缺乏还可引起性机能障碍和矮小症。营养学会推荐成人每日供给量为15mg，孕妇和哺乳期妇女应增加至20mg。
四、铜
人体各组织均含铜，其中以肝、脑、心、肾和胰含量较多。成人体内铜总量约100~150mg。
铜是许多酶类的组成成分，血浆铜兰蛋白含有铜，细胞色素氧化酶，铜锌超氧物歧化酶（Cu、Zn superoxide dismutase）、过氧化氢酶、酪氨酸酶、单胺氧化酶、抗坏血酸氧化酶等均含铜。含铜酶多属氧化酶类。机体缺铜时这些酶活性下降。
铜缺乏的主要表现为贫血，因铜缺乏时铜兰蛋白含量降低，影响铁的吸收、运输和利用。
五、硒
硒是谷胱甘肽过氧化物酶（GSHPX）与磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶（PHGSHPX）的成分，每克分子GSHPx含有4克原子硒，每克分子PHGSHPx含1克原子硒。两者均能催化还原型谷胱甘肽氧化。GSHPx催化此反应时可还原过氧化氢、脂氢过氧化物等过氧化物质，PHGSHPx则能使生物膜中的磷脂氢过氧化物还原，并能催化低密度脂蛋白中的磷脂酰胆碱及胆固醇的氢过氧化物还原，因此能阻止生物膜脂质的过氧化反应，保护生物膜的正常结构与功能。它们与超氧化物歧化酶等组成体内防御氧自由基损伤的重要酶体系。硒对心肌的保护作用、抗癌作用等可能均与此有关。此外硒还有拮抗镉、汞、砷等的毒性作用。上世纪60年代我国医学工作者已查明,克山病与人群硒摄入量不足有关。克山病流行区居民的血硒.和发硒水平,以及血GSHPx,活力均低于非病区人群，采用亚硒酸钠防治克山病取得显著效果。
六、钴
体内钴主要存在于维生素B12中，食物中的无机钴，在小肠可与铁共用同一主动转运机制吸收，从尿、粪便、汗液及毛发排出。肠道细菌能利用钴合成维生素B12，是人体吸收利用的耒源（见维生素章）。
七、锰
锰是体内某些金属酶的成分，也是一些酶的激活剂。如精氨酸酶、丙酮酸羧化酶及锰- 超氧化物歧化酶（Mn-SOD)等，另有一些如糖苷转移酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶以及谷氨酰胺合成酶则必需由Mn2(激活。因此锰是人体必需的微量元素之一。
人体锰缺乏的典型病例尚未有报道，但发现某些疾病存在锰代谢紊乱，如癫痫患者血锰含量降低。此外锰缺乏还可能是关节疾病、精神忧郁、骨质疏松及先天畸形等疾病的发生有关因素。锰在食物中分布广泛，通常能满足需要。
此外，钼是醛氧化酶、黄嘌呤氧化酶及亚硫酸盐氧化酶的组成成分。铬是胰岛素作用的辅助因素－糖耐量因子(GTF)的成分。镍在较高等的植物和微生物中已证实是尿酶等的成分。钒与细胞内氧化还原反应有关，并可能参与Na,K-ATP酶、磷酸转移酶及蛋白激酶等的调节。锡可能对大分子物质的结构有影响。硅与结缔组织及骨骼的形成有关。
