Ca2+

Giriş• Kalsiyum iyonları bir grup önemli fizyolojik ve

biyokimyasal olayları düzenler. – Kas-sinir uyarılabilirliği, – Kan pıhtılaşması, – Salgılama olayları, – Zarın bütünlüğü ve plazma zarından taşınma,– Enzim tepkimeleri, – Hormon ve nörotransmitter salınması ve hormon etkisi– Kemiğin mineralizasyonu

• Bütün bu işlemlerin normal şekilde çalışması için plazma Ca+2’u çok dar sınırlar içinde sürdürülür.

Biyomedikal Önem• İyonize kalsiyum düzeyinin normal dışına sapması

yaşamı tehdit eden bir çok bozukluğa neden olur.• Kalsiyum homeostaz bozukluğu vakaları hastaneye

yatan hastaların %3’ünü oluşturur. Kalsiyum kemik ve hücre dışı sıvıda bulunur

• İnsan vücudunda yaklaşık 1 kg kalsiyum bulunur.• Bunun % 99’u fosfat ile birlikte hidroksiapatit

kristalleri (CaPO4) şeklinde kemikte bulunur.• Kemik dinamik bir dokudur. • Kemik mekanik rolüne ek olarak bir kalsiyum

deposu olarak hizmet görür.

• Kemikteki kalsiyumun çoğu hücre dışı kalsiyum ile serbest değiş tokuşa uğratılamaz.

• Ca+2 ’un karışabilen havuzu: %1 kadar serbest değiş tokuşa uğratılan havuz + periostal aralıkta bulunan bir diğer %1 kadar kalsiyum

• Hormonlar kalsiyumun hücre dışı sıvı aralığı ile periostal sıvı aralığını ayıran zar üzerinden taşınmasını etkileyerek hücre dışı Ca miktarını düzenlerler (Primer olarak PTH).

Plazma kalsiyumu 3 biçimde bulunur

1. Organik asitlerle karma yapmış: % 6 kadarı sitrat, fosfat ve diğer anyonlar.

2. Proteine bağlı Geri kalanı hemen

3. İyonlaşmış hemen eşit miktarda

• İyonize kalsiyum biyolojik olarak aktif payı oluştu-rur. Bu düzeyin normal sınırlar dışına çıkmasına, vücudun çok az toleransı vardır.

• Ca+2 düzeyi Aşırı uyarılma ve tetanik çırpınmalar

• Ca+2 düzeyi Kas felci, koma ve ölüm

• Kalsiyum ve karşıt iyonu olan fosfat plazmada çözünürlük çarpımlarına eşit veya çok yakın bir değerde bulunur.

• Proteine bağlanma çökelmeden ve ektopik kalsifikasyondan korunma sağlayabilir.

• Plazma protein konsantrasyonunda bir değişiklik olması total plazma Ca düzeyinde pareleldeğişikliklerle sonuçlanır (Her gr albumin düşmesi başına 0.8 mg Ca düşer)

• Kalsiyumun plazma proteinleri ile birlikteliği pH’ya bağımlıdır.

• Asidoz iyonize formu

• Alkaloz Bağlı formu , Ca+2 düşer.

• Hiperventilasyon sendromu Akut solunumsal alkaloz karıncalanma ve keçelenmede

Kalsiyum metabolizmasının düzenlenmesinde temel olarak 3 hormon etkilidir

1. Parathormon: Ca+2 , P

2. Kalsitriol: Ca ve P

3. Kalsitonin: Ca ve P

• Bunlar üzerine hipotalamus ve hipofizin herhangi bir kontrol etkisi yoktur.

PARATHORMON• 84 amino asit içeren bir peptiddir.

• Karbonhidrat veya kovalent bağlı bileşik içermez.

• Amino ucundaki ilk 34 amino asit molekülün biyolojik etkinliğinden sorumludur.

• 25-34 arasındaki amino asit’ler reseptöre bağlanma-dan, karboksi ucundaki 2/3 kısımlık bölüm ise periferik dokularda yıkımın geciktirilmesinden sorumludur.

PTH’un biyosentezi• 115 aminoasit’li bir öncül molekül halinde

sentezlenir.• PreproPTH’nın amino ucunda hidrofob doğaya

sahip 25 aminoasit’lik sinyal peptidi bulunur.• Sinyal dizesi molekülün ER’un iç kısmına

aktarılmasını sağlar.• ER iç kısmında peptidazların etkisi ile sinyal peptidi

ayrılır ve proPTH (90 aminoaasit) sentezlenir.

• ProPTH amino ucunda yer alan ve işlevi bilinmeyen ileri derecede bazik bir hekzapeptid taşır.

• ProPTH golgi aygıtına aktarılır ve burada bir enzim tarafından hekzapeptid uzaklaştırılması ile PTH sentezlenir.

• Golgiden salgı veziküllerine aktarılan PTH’un 3 olası akibeti;1. Depolanır 2. Yıkıma uğrar 3. Salgılanır.

PTH yapımının düzenlenmesi

• ProPTH’nın yapım ve yıkım hızı ortamdaki Ca+2

derişiminden etkilenmez (PTH etkilenir).

• Sentezlenen proPTH’nın çoğu hızla yıkıma uğrar.

• Yıkım hızının Ca+2 düşükse azaldığı, yüksekse arttığı keşfedilmiştir.

• Bu gözlem, Ca+2’un PTH üretimini, yıkım hızını denetleyerek etkilediğini gösterir.

• Hücre dışı Ca+2’da büyük dalgalanmalar olsa bile PTH mRNA düzeyi değişmemektedir.

• Bir organizmanın PTH sentezini artırabileceği tek yol paratiroid bezindeki PTH üreten ana hücrelerin boy ve sayısını artırmaktır.

PTH metabolizmasının düzenlenmesi• Proteolitik yıkım sırasında PTH’nın çok özgül

parçaları ortaya çıkar ve dolaşımda karboksi ucu parçaları bulunur. (PTH37-84)

• Bunun herhangi bir biyolojik işlevi tanımlanmamışsa da hormonun dolaşımdaki yarı ömrünü uzatabilir.

• Paratiroid bezinde Katepsin B ve D’yi içeren bir grup proteolitik enzim tanımlanmıştır.

• Katepsin B, PTH’yı PTH1-36 ve PTH37-84 olarak 2 parçaya böler.

• PTH1-36 hızla di- ve tripeptidlere yıkılırken, PTH37-84daha fazla yıkılmaz.

• ProPTH dolaşımda hiçbir zaman yer almaz.• PTH proteolizinin çoğu bez içinde görülür.• Karaciğer ve böbrek salgılanan PTH’nın çevresel

metabolizmasına katılır. Periferik proteolizin ana noktası Karaciğer’deki Kupffer hücreleridir.

• PTH salgısı – paratiroiddeki hücre içi cAMP düzeyi arasında doğrusal ilişki

PTH salgısının düzenlenmesi

• PTH düzeyi ortamdaki Ca+2 ve Mg+2 derişimi ile ters orantılıdır.

• Bu ilişki, paratiroid hücreleri üzerine yerleşik spesifik bir G proteinine eşlenik Ca+2 reseptörütarafından düzenlenir.

• Serum Ca düzeyi 10.5 mg/dL veya üzerinde iken biyolojik olarak aktif PTH varlığı HİPERPARATİROİDİZM

• Hücre içi Ca ve cAMP düzeyleri arasında ters bir ilişki olduğundan bu olaya Ca+2 düzeyi katılıyor olabilir.

• Ca+2 bu etkisini fosfodiesteraz üzerine veya adenilat siklazı inhibe ederek gösterebilir.

• Fosfatın PTH salgısı üzerine hiçbir etkisi yoktur.• Paratiroid bezindeki salgı taneciklerinde sadece 1.5

saat salgılamaya yetecek düzeyde hormon bulunur.• Sürekli üretilip salgılanması zorunludur.• Zıt olarak insülin günlerce, tiroid hormonları

haftalarca yetecek kadar depolanabilir.

PTH bir zar reseptörü yoluyla etki eder

• Reseptörler kemik ve böbrekte birbirinin aynı olup hedef dışı dokularda bulunmaz.

• Adenilat siklaz cAMP’de artış Hücre içi kalsiyumda artış Özgül hücre içi proteinlerin kinazlar ile fosforilasyonu ......

• Reseptörler bastırıcı düzenlemeye ve duyarsızlaştı-rılmaya maruzdur.

PTH kalsiyum homeostazını etkiler

• Hücre dışı Ca konsantrasyonunu doğrudan kemik ve böbrek üzerine etki yaparak ve dolaylı olarak barsak mukozası üzerine etki göstererek normale getirir.

• En hızlı değişiklikler böbrek üzerine olan etki, En büyük etki ise kemik üzerine olandır.

• PTH hipokalsemiyi kemik cevherinin sarfı pahasınaönler.

Başlıca 3 etkisi vardır.

1. Kemiklerden kalsiyumun salınımını artırır

2. Kalsiyumun böbreklerden atımını azaltır.

3. Kalsitriol sentezini uyararak barsaktan kalsiyum emilimini artırır.

PTH fosfat homeostazını etkiler

• Kalsiyumun mutad karşıt iyonu fosfattır.

• Kemiğin mineral yatağının uyarılmasında kalsiyum ile beraber fosfat salınır.

• Fosfatın renal klirensini artırır.

• Net etki, hücre dışı sıvısı fosfat derişimini azaltmaktır.

Fizyopatoloji• PTH’nın yetersiz miktarda oluşu hipoparatiroidizm

ile sonuçlanır.• Hipokalsemi ve hiperfosfatemi görülür.• Belirtiler: kas krampları, tetani, solunum kaslarında

tetanik felç, laringospazm, ölüm• Başlıca nedenleri, boyun cerrahisi sırasında beze

hasar ve otoimmun harabiyettir.• PTH’nın aşırı üretilmesi hiperparatiroidizm.• Nedenleri: Paratiroid adenomu, hiperplazisi, PTH

veya PTH ile akraba peptidin (PTHRP) ektopik üretimi.

• PTHRP yapısal ve işlevsel yönden PTH’ya benzeyen 141 aminoasit’li bir proteindir. Çeşitli kanserlerde saptanmıştır. Buna malignitenin hiperkalsemisi eşlik eder.

• Hiperparatiroidizmde: PTH, hiperkalsemi, hipofosfatemi.

• Uzun süre devam ederse; aşırı kemik rezorpsiyonu, böbrek taşları, sık idrar yolu enfeksiyonu ve böbrek fonksiyon bozukluğu

• Sekonder hiperparatiroidizm:– İlerleyici böbrek harabiyeti bulunan olgularda– 25(OH)D3 1,25 (OH)2D3 çevriminde azalma – Bezlerde hiperplazi ve aşırı PTH salgılanması

KALSİTRİYOL• Barsaktan kalsiyum ve fosfat emilmesini uyarır.• Barsak hücre zarının her iki yanında bulunan

konsantrasyon gradiyentine karşı kalsiyumun hareketini teşvik eden tek hormondur.

• Besinlerdeki kalsiyum içeriğinde geniş dalgalanmalar olsa bile hücre dışı kalsiyumu denetleyen ince bir mekanizma vardır.

• Bu mekanizma, kemikte kollajen lifler üzerine Ca ve P’ın depolanması için uygun derişimi güvenceye alır.

• D vitamini eksikliğinde yeni kemik oluşumu yavaşlar ve kemiğin yeniden biçimlenmesi bozulur. (PTH + Kalsitriol)

• Kalsitriol, PTH’nın renal kalsiyum geri emilimi üzerine olan etkilerini de şiddetlendirir.

Kalsitriol biyosentezi

• Kalsitriol her yönden bir hormondur.

• Öncül moleküllerin bir grup farklı dokuya plazma ile taşınmasını kapsayan bir dizi enzimatik tepkime ile üretilir.

• Hedef organdaki biyolojik etkileri steroid hormonlara benzer şekilde oluşmaktadır.

Sentez aşamaları başlıca deri, Karaciğer ve böbrekte gerçekleşir

• Hormonun öncül molekülü olan D vitamini yumurta sarısı, balık, Karaciğer gibi besinlerde bulunmakla beraber, kalsitriol sentezi için gerekli vitaminin büyük kısmı deride 7-Dehidrokolesterol’den elde edilir.

• Kolekalsiferol oluşumunda nonenzimatik fotoliz tepkimesi ile UV ışınları kullanılır.

• Oluşan kolekalsiferol miktarı UV ışınlarının miktarı ile doğru, ciltteki pigmentasyon miktarı ile tersorantılıdır.

• Epidermiste yaşa bağlı bir 7-Dehidrokolesterol kaybı görülür.

• D vitamini bağlayan protein denen özgül bir taşıyıcı protein D3’ü deri ve barsaktan KC’e taşır.

• D3, KC’de 25-Hidroksilasyona uğrar.• 25-Hidroksilasyon ER’da O2, NADPH, Mg

gerektiren bir tepkimeyle gerçekleşir.• NADPH’a bağımlı sitokrom P450 redüktaz ve

sitokrom P450 enzimleri olaya katılır.• Bu reaksiyon düzenlemeye uğramaz ve böbrek ve

barsakta da daha düşük etkinlikte görülür.• 25OH-D3 dolaşım yoluyla böbreğe taşınır ve

plazmadaki ana formdur.

• 25OH-D3 zayıf bir agonisttir ve biyolojik aktivite için 1. konumda hidroksillenmelidir.

• Bu olay NADPH, Mg, O2 ve 3 enzim (ferrodoksin, ferrodoksin redüktaz ve sitokrom P450) gereksinen bir monooksijenaz reaksiyonu ile böbrek proksimal tübül mitokondrilerinde gerçekleşir.

• 1,25(OH)2-D3, D vitamininin en güçlü metabolitidir.• Kalsitriolün önemli bir böbrek dışı kaynağı 1-

hidroksilaz etkinliğine sahip plasentadır.• Bu enzimin etkinliği kemik dahil bir grup dokuda

bulunmuştur. Fakat fizyolojik önemi azdır.

Yapım ve metabolizmanın düzenlenmesi

• Sıkı bir geribildirim mekanizması ile kontrol edilir.

• Düşük kalsiyum diyetleri ve hipokalsemi 1-hidroksilaz aktivitesinde belirgin bir artış yapar. (Bu etki PTH gerektirir)

• Düşük fosfor diyetleri ve hipofosfatemi 1-hidroksilaz üzerine daha zayıf bir etki yapar.

Primer düzenleyiciler Sekonder düzenleyiciler

Hipokalsemi PTH Hipofosfatemi Kalsitriol

ÖstrojenlerAndrojenler İnsülin, tiroid hormonuGH, prolaktin

Renal 1-hidroksilazın düzenlenmesi

• Kalsitriol kendi üretiminin önemli bir düzenleyicisidir.

• Kalsitriol , 1-hidroksilaz ve aktif olmayan bir yan ürün (24,25-(OH)2D3) oluşturur.

• Temel sterol molekülü farklı metabolik yollarla değişikliğe uğratılabilir. 20’den çok metabolit bulunmuş fakat hiçbirinin biyolojik etkinliği saptanmamıştır.

Kalsitriol steroid hormonlara benzer şekilde etki yapar

• Barsak villus ve cripta hücreleri, osteoblastlar ve distal renal tubul hücrelerinin çekirdeklerine olan bir yerleşim gösterilmiştir.

• Bu hormonun hedef olduğundan şüphelenilen bazı dokularda da çekirdekte birikimi görülür (Deri, pankreas, beyin vs)

• Şaşırtıcı bir şekilde paratiroid hücrelerinde kalsitriol bağlanması görülmüştür.

• Kalsitriol reseptörü steroid reseptör ailesinin bir üyesidir.

• Bu reseptörün ligand bağlayıcı domeni kalsitriolü yüksek afinite, düşük sığa ile bağlar.

• Bir DNA bağlayıcı bölge içerir (Zn parmak motifi içeriyor)

• Kalsitriol-reseptör kompleksi D vitamini yanıt elemanına bağlanır.

Kalsitriole bağımlı gen ürünleri• mRNA sentezinin artmasına bağlı olarak barsaklarda

iki özgün protein olan Ca+2ATPaz ve kalsiyum bağlayıcı protein (CBP) sentezi hızlanmaktadır.

• Kemik ve böbreklerdeki etki mekanizmasının barsaktakine benzer olduğu düşünülmektedir. Sentezleri uyarılan proteinler hakkında henüz bilgi yoktur.

Kalsitriolün barsak mukozası üzerine etkileri

• Ca+2 ve PO4-3’ın barsak mukozasından taşınması

1. Fırça kenar ve mikrovillus zarı üzerinden yakalama2. Mukoza hücre zarı üzerinden taşınma3. Bazal lateral zar üzerinden hücre dışı sıvıya akışı

gerektirir.

• Kalsitriolün bu basamaklardan hangisini etkilediğini tam kesin değildir.

Plazma kalsiyumu

Paratiroid hormon

1,25-(OH)2D3

Kemikten Ca Mobilizasyonu

Böbrekten Ca geriemilimi

Böbrekten Ca atılımı

İnce barsakta Ca emilimi

Plazma kalsiyumu

Fizyopatoloji• Raşitizm: Düşük plazma Ca ve P düzeyleri ve

iskelet deformitelerine eşlenik kemikte zayıf mineralizasyon ile karakterizedir.

• En sık rastlanan nedeni D vitamini eksikliğidir.• İki tip D vitaminine bağlı raşitizm vardır:

– Tip I: 25-OHD3’ün kalsitriole çevriminde kusur– TipII: Reseptör kusuru

• Erişkinlerde D vitamini eksikliği Osteomalasi ile sonuçlanır.

• Ca ve P emilimi azalmış olup hipokalsemi ve hipofosfatemi vardır.

• Kemiğin mineralizasyonu bozulmuş olup çatısı zayıflamıştır.

Renal Osteodistrofi

• Böbrek parankimindeki hasara bağlı kalsitriol oluşumu azalır ve Ca emilimi düşer.

• Hipokalsemiyi telafi etmek için PTH miktarı artar.• PTH’nın etkisiyle aşırı kemik çevrimi ve yapı

değişiklikleri ortaya çıkar.

KALSİTONİN• İnsan tiroidinin parafoliküler C hücrelerinden

salgılanan 32 aminoasit’li bir peptiddir.• Amino ucundaki 1. ve 7. aminoasit’ler arasında bir

disülfit köprüsü, karboksi ucunda ise prolinamid yer almaktadır.

• Tamamı biyolojik aktiviteden sorumludur.• Doğadan elde edilen CT’lerin en güçlü olanı

alabalık CT’ninidir.

Biyolojik etkileri• Temel hedef organ olan kemiklerde resorpsiyonu

kısıtlayarak kemikten Ca ve P kaybını önlemekte ve serum Ca ve P düzeylerini azaltmaktadır.

• Kemik resorpsiyonundaki azalmaya ALP ve pirofosfataz sentezinde azalma ve idrar hidroksiprolin atılımında azalma eşlik eder.

• GİS’te Ca emilimi ile ilgili etkisi yoktur.• Böbreklerde Ca ve P’un tubuler geri emilimini

azaltarak klirensi artırıcı etki gösterir.

• Böbrekler ve kemik üzerine olan etkileri parathormona zıt yöndedir.

• Ancak kalsitoninin insan kalsiyum homeostazındaki rolü henüz kesin bir biçimde aydınlatılamamıştır.

Plazma kalsiyum konsantrasyonunun homeostatik regülasyonu

Plasma Calcium Regulation• Plasma calcium totals 2.4 mM (9.4 mg/dl)

– Free calcium is 1.2 mM

• Free calcium is tightly regulated (5%)– Too low = neuronal hyper-excitability– Too high = neuronal depression

• Control points for calcium– Absorption – Via intestines– Excretion – Via urine– Temporary storage – Via bones

Plasma Calcium Regulation

Regulating blood calcium levels

Increased blood Ca++

Thyroid

ParathyroidsLow blood Ca++

Parathyroidhormone (PTH)

Increased absorptionof Ca++ from intestine due to PTH activation of Vitamin D

Reabsorption of Ca++ &excretion of PO4

Osteoclasts dissolve CaPO4crystals in bone, releasing Ca++

–Negativefeedback

Active Control of Calcium

• Vitamin D3– Diet and sun

• Parathyroid hormone– Parathyroid gland

• Calcitonin– Thyroid gland

• Skeletal loading– Osteoblasts and osteoclasts

Vitamin D3 and Calcium Control

• Vitamin D3 (Cholecalciferol)– Converted to precursor in liver

• Initially stored• Converted to 25-Hydroxycholecalciferol• Feedback control limits concentration

– Converted to active form in kidney • 1,25-Dihydroxycholecalciferol• Under the feedback control of parathyroid hormone

(PTH)

Effects of Active Form of Vit D3• Promotes intestinal absorption of calcium• Causes synthesis of calcium-binding protein and

related facilitated transport• Takes a couple of days to fully develop response• Has slight effect to increase calcium re-absorption

in kidneys• Works with PTH to cause calcium absorption

from bone

Parathyroid Hormone• Secreted by parathyroid glands

– Rapid response to reduced calcium (minutes)• Polypeptide

– 84 amino acid residues– 9,500 daltons M.W.

• Peptide fragments can be active for periods measured in hours

• Operates in tissues via cAMP second messenger

Parathyroid Hormone

• G-Protein Coupled Receptor• Activates Phospholipase C

– Leads to increased Diacylglycerol (DG) and Inositol trisphosphate (IP3) as secondary messengers

– Inhibits adenylate cyclase to reduce cAMP

• Present in C cells of Thyroid Gland– Regulates calcitonin secretion

Calcium Signal Transduction in Parathyroid Gland

600 AA externaldomain

200 AA internaldomain

Phosphorylationsites

• Increases calcium absorption from bone– Existing osteocytes stimulated (minutes to hours)

to transport calcium – calcium pumps– Existing osteoclasts activated and new

osteoclasts formed (days to weeks) to digest bone and release calcium

• Stimulated indirectly by osteoblasts

Effects of PTH

• Decreases excretion of calcium by kidneys– Important to prevent bone deterioration

• Increases calcium absorption– Effect manifested via Vitamin D3

• Produces most active form of D3 in the kidney (1,25-dihydroxy-cholecalciferol)

Other Effects of PTH

Hyperparathyroidism

Calcitonin• Secreted by the thyroid gland• Effects are much less than those of PTH

• Attenuates absorptive ability of osteoclasts• Inhibits formation of new osteoclasts

– Osteoclast decrease causes osteoblast decrease– Effect to decrease calcium is transitory– Causes reduced bone turnover

• Has weak effect in kidney and intestines

Effects of Calcitonin

Non-Hormonal Control of Plasma Calcium

• Changes in calcium intake can be rapidly accommodated – Buffer capacity of amorphous calcium in bone– Calcium is sequestered in intracellular spaces– Can help restore plasma calcium in tens of

minutes

PhosphatePhysiological function :• 80% of the total body phosphate is contained in

bone .• High-energy phosphate bond in ATP• Essential element in

- Phospholipid cell membranes - Nucleic acids - Phosphoproteins

• Phosphate is critical for activity for several important enzyme

Regulation:• PTH lowers blood phosphate concentrations by

Increasing renal excretion .• Vitamin D acts to increase phosphate in the blood

due to- Increase phosphate absorption in the intestine -Increase phosphate reabsorption in the kidney

Clinical Application:- Hypophosphatemia- Hyperphosphatemia

Overview of Calcium-Phosphate Regulation

Hypophosphatemia• Hypophosphatemia is very common in hospitalized patients • Infusion of dextrose solution • Use of antacids that bind phosphate• Alcohol withdrawal

Hyperphosphatemia• Renal failure : ↓ phosphate excretion • Neonates are susceptible to hyperphosphatemia• Increased breakdown of cellseg: - severe infections - neoplastic disorders