VÁPNÍK A JEHO VÝZNAM V METABOLISMU KOSTÍ Doc. Ing. Jana Jurčovičová, CSc. Ústav normální, patologické a klinické fyziologie 3. lékařská fakulta UK

VÁPNÍK 2% hmotnosti organismu 99% v kostech 1% v tělních tekutinách Plasma (ECT) 2,25 – 2,75 mmol/L Buňka (ICT) cytozol 10-5 – 10-4 mmol/L endoplasmatické retikulum 0.3 -0.8 mmol/L

VÁPNÍK V PLASMĚ Rozpustný - difuzibilní 48% (50%) Ca2+ ionizovaný 6% (10%) v kombinaci s ionty (citrát, fosfáty) – nedisociovaný Nerozpustný - nedifuzibilní 46% (40%) v kombinaci s plasmtickými proteiny Vazba s proteiny závisí na pH. Zvyšuje se při alkalóze – vyšší nabídka záporně nabitých proteinů Guyton and Hall, 1996

ZASTOUPENÍ IONTŮ V ICT A ECT mmol/T ICF Na+ 136-146 20 K+ 3.8-5.4 150 Ca2+ 2.25-2.75 c. 10-4 ER 0.8 Cl- 97-109 3 HCO3- A- 22-26 155 10

ÚLOHA VÁPNÍKU uvolňování transmitrů ze synapse neuromuskulární transmise a svalová kontrakce skládání proteinů v endoplasmatickém retikuku systém druhých poslů stimulace sekreční aktivity endokrinních a exokrinních žláz koagulace krve aktivace kadherinů mineralizace kostí

UVOLNĚNÍ TRANSMITRŮ ZE SYNAPSE Ligand-gated ion channels Napětím aktivované iontové kanály

SYNAPSE Synapse Chemické – secernují neurotransmitry Elektrické - přímé otevírání kanálů, které předávají elektrický náboj z buňky do buňky (gap junction)

DĚJE NA NERVOSVALOVÉ PLOTÉNCE 1. Akční potenciál 2. Napěťové Ca++ kanály 3. Exocytoza Ach vesiklů 4. Navázání Ach na receptor 5. Vtok Na+ do svalové buňky vyvolá ploténkový potenciál 6. Dodatečné otevření napěťových Na+ kan.

REGULACE INTRACELULÁRNÍHO VÁPNÍKU kalciová pumpa konc. 2.25-2.75 mM 10-4 mM store operated Ca2+ entry sensor protein 0.8mM kalciová pumpa

DRUHÝ POSEL Signální dráhy aktivované fosfolipázou C. Aktivovaná fosfolipáza C hydrolyzuje membránový inositolfosfolipid, vzniká inositol1,4,5,-trifosfát. Ten difunduje do ER, naváže sa na Ca2+ kanály a uvolňuje Ca2+ Vazba na kalmodulin (CaBP). Kalmodulim mění konformaci, váže se k řadě cílových proteinů a mění jejich aktivitu. CaM-kinázy – po navázání Ca-kalmodulínu spouštějí kaskádu fosforylací vybraných proteinů

REGULACE SEKRECE Exokrinní buňky Endokrinní buňky Uvolňování neurotransmiterů Spouštěcí mechanismus na regulaci exocytózy Ca2+ do buňky Uvolnění Ca2+ z enoplasmatického retikula

KOAGULACE KRVE Agregace destiček se mění na definitivní sraženimu díky fibrinu. Fibrinogen se mění na nerozpustný fibrin Tato reakce je katalyzována za přítomností Ca2+ AKTIVACE KADHERINŮ Molekuly KADHERINU v epiteliálních buňkách jsou vázány za přítomnosti extracelulárního Ca2+

MINERALIZACE KOSTÍ Ukládání krystalických solí do organické matrice kosti ve formě hydroxy apatitu Ca10(PO4)6 (OH)2 Iniciální ukládání kalciových solí není ve formě krystalů hydroxyapatitu, ale amorfních solí, CaHPO4 x 2H2O, Ca3(HPO4)2 x 3H2O. Tyto se přebudují na hydroxyapatit v průběhu týdnů. Amorfní soli představují rychle směnitelný pool vápníku.

METABOLISMUS VÁPNÍKU Ganong, Přehled lékařské fyziologie

METABOLISMUS VÁPNÍKU Guyton a Hall

FOSFÁTY 80% v kostech a zubech 10% v krvi a svalech 10% jako součást dalších látek Plazma (ECT) 0,65 – 1,62 mmol/lL Buňka (ICT) 65 mmol/L (včetně organických fosfátů) Fosfát vápenatý (kosti) Anorganické ionty: HPO32-, H2PO3- Organické:DNA, fosfolipidy ATP, cAMP, kreatinfosfát Ca, P příjem denně 1g

SLOŽENÍ KOSTI Skeletální vápník 99% skeletálního vápníku je stabilní (neúčastní se výměny mezi kostí a ECT) 1% tvoří aktivní pool vápníku Organická matrice 95 – 95 %kolagen typu I, 5% ECT, proteoglykány (chondroitin sulfát, heparan sulfát),kyselina hyaluronová Buňky tvořící kost Osteoblasty: Vznikají z pluripotentních mesenchymových fibroblastů Secernují kolagen typu 1, alkalickou fosfatázu, proteoglykány kyselinu hyaluronovou osteoblasty obklopené mineralizovanou matricí se stávají osteocyty Osteoklasty – “požírači” multijádrové buňky jsou zodpovědné za resorpci dříve utvořené kosti. Jsou hematopoetického původu, typu monocyty-makrofágy.

STRUKTURA KOMPAKTNÍ A TRABEKULÁRNÍ KOSTI koncentrické vrstvy mineralizovaného kolagénu REMODELACE KOSTI cyklus 100 dní 1. diferenciace osteoklastů (M-CSF) 2. resorpce kosti (15 dní) 3. reverzní fáze (ostoblasty plní póry) výživa z ECT Ganong, Přehled lékařské fyziologie

STRUKTURA DLOUHÉ KOSTI STRUKTURA KOSTI Ganong, Přehled lékařské fyziologie

RŮST DLOUHÉ KOSTI Dlouhé kosti se tvoří enchndrální osifikací na diafýze.Během růstu se tvoří epifyzární ploténka, která má několik zón. Zóna klidové chrupavky je přvrácená k epifyzární kosti. Proliferující zóna je charakteristická vertikálním uspořádáním chondrocytů, které expandují ploténku. Chndrocyty následně směrem k metafýze hypertrofují a polarizují. Zvětšené chondrocyty produkují alkalickou fosfatázu, tvoří se kalcifikovaná chrupavka s následnou tvorbou hydroxyapatitu.

AKTIVITA OSTEOBLASTŮ A OSTEOKŮLASTŮ Růstové faktory pro osteoblasty: TGF-ß (transforming growth factor - ß IGF-1 (insulin-like growth factor) produkovaný v játrech ale také v osteoblastech (IGF-1 je regulovaný adenohypofyzárním somatotropinem) Activátory osteoklastů: osteoklasty diferenciační faktor RANKL, interleukin-1ß, interleukin-6, tumor nekrotizující faktor-α, makrofágový kolony stimulující faktor (produkované v osteoblastech) další proteiny formující kost: trombospondín, osteopontin, osteokalcín

OSTEOBLASTOVÁ REGULACE OSTEOKLASTŮ mesenchymální kmenová bunka hematopoietická kmenová bunka chondrocyty proosteoblast proosteoklast RANKL ODF OPG osteoblast osteoklast Makrofagový kolony stimulující faktor

SIGNÁLNÍ DRÁHY NORMÁLNÍ TVORBY OSTEOKLASTŮ - osteoklasty diferencující faktor osteoprotegerÍn adaptorový protein transcripční faktory Boyce and Xing, Arth Res Ther, 2007

REMODELACE KOSTÍ Osteoklastová resorpce kosti je spřažená s osteoblastovou tvorbou kosti částečně díky uvolňování skeletálních růstových faktorů

OSTEOKLASTOVÁ RESORPCE KOSTI Ganong, Přehled lékařské fyziologie Osteoklasty vysílají klkovité výběžky směrem ke kosti vytvářející zvrásněné rozhraní. Klky sekretují proteolytické enzymy (z lyzosomů) a kyseliny. Enzymy natráví organickou matrici kosti a kyseliny rozpustí kostní soli. Osteoklasty pohlti fagocytózou malé částice kostní matrice a krystaly, které následně rozpustí a transcytózou uvolní do ECT

WOLFFŮV ZÁKON Wolffův zákon je teorie německého anatoma a chirurga Juliuse Wolffa (1835-1902) z 19. století. Předpokládá, že obnova kosti je přímo závislá na jejím zatížení. Když je zatížení určité kosti vyšší, dochází k remodelaci kosti a kost zesílí, aby odolala zátěži. Naopak: když je zátěž nižší, kost slábne a ubývá kostní hmoty.

PŘÍKLADY WOLFFOVA ZÁKONA Tenisté mají silnější kosti na paži, kde drží raketu. Astronauti, kteří tráví delší čas v prostoru bez tíže mají po návratu na zem slabší kostru. Vzpěrači mají značně silnější kostru a kosterní denzitu. Při dlouhodobém upoutání na lůžku či zlomenině v sádře také dochází k úbytku kostní hmoty.

POHLAVNÍ ROZDÍLY Ganong, Přehled lékařské fyziologie

VĚKEM INDUKOVANÉ ZMĚNY KOSTNÍ HMOTY Doporučený denní příjem Ca2+ adolescenti :1200 – 1500 mg dospělí: 1000 mg těhotné ženy: 1500 mg kojící ženy: 1500 mg senioři: 1500 mg

HORMONÁLNÍ REGULACE METABOLISMU VÁPNÍKU PARATHORMON (receptory na osteoblastech) 2. KALCITRIOL 3. KALCITONÍN (receptory na osteoklastech)

ŠTÍTNÁ ŽLÁZA A PŘÍŠTITNÁ TĚLÍSKA size: 6 x 4 x 2 mm release PTH (function?) Guyton a Hall

PARATHORMON Polypeptid 84 aminokyselin Sekrece je stimulována– nízkou hladinou vápníku v krvi Funkce – ZVYŠOVÁNÍ hladiny vápníku v krvi aktivuje interakce osteoblastů a osteoklastů stimuluje absorpci vápníku a fosforu z kostí Zvyšuje reabsorpci vápníku ledvinami Zvyšuje exkreci fosfátů ledvinami Stimuluje syntézu kalcitriolu v ledvinách (hydroxylace 25-(OH)D3 na 1,25-(OH)D3

START HERE

SYNTÉZA KALCITRIOLU dieta Cholesterol 7-Dehydrocholesterol uv záření 290 – 310 nm cholekalciferol vitamín D 25-hydroxycholekalciferol játra, 25-hydroxyláza ledviny, 1-hydroxyláza dieta KALCITRIOL (1,25-hydroxycholekarciferol)

KALCITRIOL Kůže: 7-dehydrocholesterol - UV záření (290 – 310 nm) : cholecalciferol Játra: 25-hydroxycholecalciferol Ledviny:1,25-dihydroxycholecalciferol (hydroxylace regulovaná PTH Funkce – ZVYŠOVAT hladinu vápníku v krvi Zvyšuje absorpci vápníku ve střevě prostřednictvím aktivace tvorby „calcium-binding“ proteinů v epitelových buňkách Jiné funkce: Regulace iimunitních funkcí, prevence autoimunitních onemocnění (reumatoidní artritida , lupénka, ulcerativní kolitida)

ÚČINEK VYSTAVENÍ UV ZÁŘENÍ NA HLADINY CHOLEKALCIFEROLU A: Hladiny cirkulujícího vitaminu D po expozici 1 MED (minimal erythema dose ) slunečního záření s použitím opalovacího krému anebo placeba B: Hladiny cirkulujícího vitaminu D po celotělové expozici 1 MED zdravých mladých a starších jedinců Holick MF, Am J Clin Nutr, 2004

SOUHRN REGULACE PLASMATICKÉHO Ca2+ uv světlo 290 -310 nm PŘÍŠTITNÁ TĚLÍSKA PTH KOST KŮŽE osteoblast (RANKL) osteoklast D3 LEDVINY 25-(OH)D3 1-hydroxyláza Ca2+ resorpce PO3-4 resorpce JÁTRA 25-hydroxyláza 1,25-(OH)2D3 25-(OH)D3 PO3-4 Ca2+ DUODENUM JEJUNUM Ca2+ PO3-4 resorpce sekrece Stimulace inhibice

KALCITONIN Parafolikulární buňky štítné žlázy (C-buňky) Peptid 32 aminokyselin Sekrece je stimulována – vysokou hladinou vápníku v krvi Funkce – snižovat hladinu vápníku a fosfátů v krvi inhibicí osteolýzy (snižuje absorpci vápníku a fosfátů z kostí)

VZTAH - KONCENTRACE Ca2+ V PLASMĚ X HORMONY

ÚČINKY DALŠÍCH HORMONŮ tyroxin - aktivuje remodelaci kostí, nadprodukce aktivuje ostoklasty kortisol – inhibuje maturaci osteoblastů estrogeny – stimulují tvorbu osteoblastů zvyšováním TGF-β, inhibují produkci interleukinů v osteoblastech a následně snižují aktivitu ostoklastů testosteron – stimuluje aktivitu osteoblastů růstový hormon – stimuluje IGF-1 a následně zrání osteoblastů

DYSREGULACE KALCIOVÉ HOMEOSTÁZY Hypokalcémie – nedostatek parathormonu svalová tetanie - carpopedální spasmus srdeční dilatace zvýšení permeability membrán narušení krevní srážlivosti iritabilita centrálního nervového systému

CARPOPEDÁLNÍ SPASMUS Guyton a Hall

DYSREGULACE KALCIOVÉ HOMEOSTÁZY Hyperkalcémie - vysoká sekrece parathormonu v důsledku nedostatečné inhibice vápníkem, anebo v důsledku maligního procesu deprese nervového systému, a reflexní aktivity, pomalost chronická únava svalová atrofie, hyporeflexe narušená funkce ledvin v důsledku přetížení - kalciuria nefrolitiáza kalcifikace renálního epitelu primární arteriální hypertenze dekalcifikace kostí zlomeniny (Osteitis fibrosa cystica)

ZMĚNY V HLADINÁCH KALCITRIOLU NEDOSTATEK KŘIVICE (rachitis)– děti OSTEOMALACE – dospělí měknutí kostí v důsledku snížené absorpce kalcia a zvýšené exkrece fosfátů co zapříčíňuje abnormální mineralizaci kostí Pozor! Osteoporóza je snížení kostní hmoty (matrix a minerálů) křivice normál křivice

OSTEOPORÓZA tichá pandémie století; asi 60% postmenopauzálních žen má riziko fraktur Aktivita ostoblastů je snížena – důsledek: snižuje se remodelace kostí Příčíny: snížená fyzická aktivita, nedostatek zátěže na kosti v důsledku hypoaktivity nedostatek produkce kalcitriolu, snížení Ca2+ resorpce Nedostatek vitaminu C U postmenopauzálních žen nedostatek estrogenů 1. zvyšuje cytokinovou kaskádu – TNFalpha, IL-1beta, IL-6, 2. snižuje TGF-beta (normálně aktivuje tvorbu nových osteoblastů) Při nedostatku estrogenů zvyšuje se resorpce kostí zvýšené cirkulující kalcium inhibuje PTH , a následně se reabsorbuje méně 1, 25(OH)2D Léčba: kalcitonin, parathormon estrogeny

CHRUPAVKA patří mezi podpůrné pojivové tkáně tvořené choíndrocyty, většinou pokrývá plochy kloubů Její strukturu tvoří: agrekan- gykoaminoglykány (chondroitin sulfát, keratan sulfát), hyaluronan, kolagény (majoritní kolagen typu I and typu VI) plus minoritní kolageny typu IX, X, XI podpůrné matricové proteiny Proteoglykány jsou pružné, odolávají deformacím Kolagen typu II má mechanické vlastnosti - pevnost v tahu Kolagen typu IV hraje roli v tvorbě matrixu Chrupavka není vaskularizována, má velmi malou proliferační aktivitu

USPOŘÁDÁNÍ KOLAGENU V CHRUPAVCE formace pentamerických kolagenových vláken je regulována matricovými proteiny

STRUKTURA A ORGANIZACE PROTEOGLYKÁNOVÝCH AGREGÁTŮ Molekuly chndroitin- and keratan sulfátu se vážou na dlouhý řetězec hyaluronanu prostřednictvím G1 a G2 globulárních proteinů a dalších spojovacích proteinů formujíc velké agregáty, které odolávají deformacím