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Hormonal Control of Calcium & Phosphate Metabolism

ﺩ.ﺑﺎﻥ ﺟﺎﺑﺭ

       

 

Objectives  

Understand the importance of maintaining homeostasis of body calcium and 

phosphate concentrations, and how this is accomplished. 

■ 

Describe the body pools of calcium, their rates of turnover, and the organs that 

play central roles in regulating movement of calcium between stores. 

■ 

Identify the major hormones and other factors that regulate calcium and 

phosphate homeostasis and their sites of synthesis as well as targets of their action. 

 

Extracellular fluid calcium concentration is normally regulated precisely,
the normal value of about 9.4 mg/dl, which is equivalent to 2.4 mmol /l. 
This precise control is essential because calcium plays a key role in many
physiologic  processes,  including  contraction  of  muscles;  blood  clotting;
and transmission of nerve impulses(Excitable cells, such as neurons, are 
sensitive to changes in calcium ion concentrations, hypercalcemia cause 
progressive depression of the nervous system; conversely, hypocalcemia
cause the nervous system to become more excited.  

  About 0.1 % of the total body calcium is in the extracellular fluid, 
  About  1 % is in the cells and its organelles, 
  The rest is stored in bones.  

The calcium in the plasma is present in three forms:

  40 % of the calcium is combined with the plasma proteins . 
  10  %  of  the  calcium  is  combined  with  anionic  substances  of  the

plasma  and  interstitial  fluids  (citrate  and  phosphate,  for  instance)
in such a manner that it is not ionized;  

  the  remaining  50  %  of  the  calcium  in  the  plasma  is  ionized.  This

ionic  calcium  is  the  form  that  is  important  for  most  functions  of
calcium  in  the  body,  including  the  effect  of  calcium  on  the  heart,
the nervous system, and bone formation. 

Approximately 85 % of the body's phosphate is stored in bones,14 to 15%
is  in  the  cells,  and  less  than  1  %  is  in  the  extracellular  fluid.  Although
extracellular fluid phosphate concentration is not nearly as well regulated
as  calcium  concentration,  phosphate  serves  several  important  functions
and is controlled by many of the same factors that regulate calcium. 


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Fluxes of Calcium and Phosphate

Maintaining  constant  concentrations  of  calcium  in  blood  requires  frequent 
adjustments, which can be described as fluxes of calcium between blood and 
other  body  compartments.  Three  organs  participate  in  this  process  when 
necessary: 

  The  small  intestine  is  the  site  where  dietary  calcium  is  absorbed. 

Importantly, efficient absorption of calcium in the small intestine is 
dependent  on  expression  of  a  calcium‐binding  protein  in  epithelial 
cells. 

  Bone  serves  as  a  vast  reservoir  of  calcium.  Bone  is  composed  of 

organic  matrix  that  is  greatly  strengthened  by  deposits  of  calcium 
salts  ;  known  as  hydroxyapatite,  which  contain    Ca/P  ratio  on  a 
weight  basis  varying  between  1.3  and  2.0.  Stimulating  net 
resorption  of  bone  mineral  ,  releases  calcium  and  phosphate  into 
blood, and suppressing this effect allows calcium to be deposited in 
bone.  

  The  kidney  is  critcally  important  in  calcium  homeostasis.  Under

normal blood calcium concentrations, almost all of the calcium that
enters  glomerular  filtrate  is  reabsorbed  from  the  tubular  system
back into blood 
 

 

Parathyroid hormone (PTH) 

Parathyroid  hormone  is  protein  hormone  secreted  from  cells  of  the 

parathyroid  glands  and  finds  its  major  target  cells  in  bone  and  kidney. 
Normally  there  are  four  parathyroid  glands  in  humans;  they  are  located 
immediately  behind  the  thyroid  gland.nIt  contains  mainly  chief  cells 
(secrete PTH) and a small number of oxyphil cells( not certain, but they are 
believed  to  be  modified  or  depleted  chief  cells  that  no  longer  secrete 
hormone). 


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Physiologic Effects of Parathyroid Hormone 

The  main  function  of  parathyroid  hormone  is  bring  calcium  ion 
concentrations in extracellular fluid back within the normal range if it fall 
below  normal.  Parathyroid  hormone  accomplishes  its  job  by  stimulating 
three processes (figure 1):  

 

Mobilization  of  calcium  from  bone:  PTH  stimulates  osteoclast 
activity  and  bone  resorption,  but  this  occurs  through  an  indirect 
mechanism. 

PTH binds to receptors on the adjacent osteoblasts, causing them 

to  release  cytokines,  which  activates  receptors  on  preosteoclast  cells,  causing 
them  to  differentiate  into  mature  osteoclasts.  The  mature  osteoclasts  then 
release enzymes and acids that promote bone resorption.

 

 

Enhancing  absorption  of  calcium  from  the  small  intestine:  PTH 
stimulates  this  process,  but  indirectly  by  stimulating  production  of 
the active form of 

vitamin D

 in the kidney. 

Vitamin D induces synthesis of 

a  calcium‐binding  protein  in  intestinal  epithelial  cells  that  facilitates  efficient 
absorption of calcium into blood. 

 

Suppression  of  calcium  loss  in  urine:  PTH  stimulates  tubular 
reabsorption  of  calcium.  Another  effect  of  PTH  on  the  kidney  is  to 
stimulate loss of phosphate ions in urine. 

Control of Parathyroid Hormone Secretion 

PTH  is  released  in  response  to  low  extracellular  concentrations  of  free 
calcium  .The  parathyroid  cell  monitors  extracellular  free  calcium 
concentration  via  an  integral  membrane  protein  that  functions  as  a 

calcium‐sensing  receptor

.  When  calcium  concentrations  fall  below  the 

normal  range,  there  is  a  steep  increase  in  secretion  of  parathyroid 
hormone.  Low  levels  of  the  hormone  are  secreted  even  when  blood 
calcium levels are high. 


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Disease States 

Excessive secretion of parathyroid hormone is seen in two forms:  

 

Primary  hyperparathyroidism  is  the  result  of  parathyroid  gland 
disease, most commonly due to a parathyroid tumor which secretes 
the hormone without proper regulation. Common manifestations of 
this disorder are hypercalcemia, kidney stones and decalcification of 
bone. 

 

Secondary  hyperparathyroidism  is  the  situation  where  disease 
outside  of  the  parathyroid  gland  leads  to  excessive  secretion  of 
parathyroid  hormone.  A  common  cause  of  this  disorder  is  kidney 
disease ‐ 

if  the  kidneys  are  unable  to  reabsorb  calcium,  blood  calcium  levels 

will  fall,  stimulating  continual  secretion  of  parathyroid  hormone  to  maintain 

normal calcium levels in blood. 

Secondary hyperparathyroidism can also 

result  from  inadequate  nutrition.  A  prominent  effect  of  secondary 
hyperparathyroidism is decalcification of bone, leading to pathologic 
fractures  

Inadequate  production  of  parathyroid  hormone  ‐  hypoparathyroidism  ‐
typically  results  in  decreased  concentrations  of  calcium  and  increased 
concentrations  of  phosphorus  in  blood.  Common  causes  of  this  disorder 
include  surgical  removal  of  the  parathyroid  glands  and  disease  processes 
that lead to destruction of parathyroid glands. The resulting hypocalcemia 
often leads to tetany and convulsions, and can be acutely life‐threatening. 


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Treatment  focuses  on  restoring  normal  blood  calcium  concentrations  by 
calcium infusions, oral calcium supplements and vitamin D therapy.  

 

Vitamin D (Calcitriol)

 

vitamin  D  or  calcitriol  is  a  steroid  hormone . Cholecalciferol  D3  is 

generated  in  the  skin  of  animals  when  light  energy  is  absorbed  by  a 

precursor  molecule  7‐dehydrocholesterol.  Vitamin  D3,  does  not  have 

significant biological activity. Rather, it must be metabolized within the 

body 

to 

the 

hormonally‐active 

form 

known 

as 

1,25‐

dihydroxycholecalciferol. This transformation occurs in two steps,  

  Within  the  liver,  cholecalciferal  is  hydroxylated  to  25‐

hydroxycholecalciferol by the enzyme 25‐hydroxylase. 

  Within  the  kidney,  1‐alpha‐hydroxylase    act  on  25‐

hydroxycholecalciferol, yielding 1,25‐dihydroxycholecalciferol, the 

biologically active form. 

1‐alpha‐hydroxylase  in  the  kidney  is  tightly  regulated  and  serves 

as  the  major  control  point  in  production  of  the  active  hormone. 

The  major  inducer  of  1‐alpha‐hydroxylase  is 

parathyroid 

hormone

; it is also induced by low blood levels of phosphate.Each 

of  the  forms  of  vitamin  D  is  hydrophobic,  and  is  transported  in 

blood bound to carrier proteins.  

Physiological Effects of Vitamin D 

Vitamin D is well known as a hormone involved in mineral metabolism 

and bone growth.  


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  Its  most  dramatic  effect  is  to  facilitate  intestinal  absorption  of 

calcium, although it also stimulates absorption of phosphate and 

magnesium  ions.  In  the  absence  of  vitamin  D,  dietary  calcium  is 

not  absorbed  at  all  efficiently.  Vitamin  D  stimulates  the 

expression  of  a  number  of  proteins  involved  in  transporting 

calcium from the lumen of the intestine, across the epithelial cells 

and into blood (calcium transporters ‐ calbindin). 

  The crutial effect  of vitamin D on bone is to provide the proper 

balance of calcium and phosphorus to support mineralization.  

  vitamin D has potent effects on the growth and differentiation of 

many types of cells.  

Disease States 

Vitamin  D  deficiency:  The  classical  manifestations  of  vitamin  D 

deficiency  is  rickets,  which  is  seen  in  children  and  results  in  bony 

deformaties  including  bowed  long  bones.  Deficiency  in  adults  leads  to 

the  disease  osteomalacia.  Both  rickets  and  osteomalacia  reflect 

impaired  mineralization  of  newly  synthesized  bone  matrix,  and  usually 

result  from  a  combination  of  inadequate  exposure  to  sunlight  and 

decreased  dietary  intake  of  vitamin  D.  Vitamin  D  deficiency  or 

insufficiency occurs in several other situations, which you might predict 

based on the synthetic pathway described above: like Genetic defects in 

the vitamin D receptor and Severe liver or kidney disease. 

Vitamin  D  toxicity:  Excessive  exposure  to  sunlight  does  not  lead  to 
overproduction of vitamin D. Vitamin D toxicity is inevitably the result of 
overdosing  on  vitamin  D  supplements.  However,  ingestion  of  excessive 
(milligram) quantities of vitamin D over periods of weeks of months can 
be severely toxic to humans.  


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Calcitonin

 hormone   

Calcitonin  is  a  peptide  hormone  known  to  participate  in  calcium  and 
phosphorus metabolism. It is from the parafollicular or C cells in the thyroid 
gland  

Physiologic Effects of Calcitonin 

 Calcitonin plays a role in calcium and phosphorus metabolism. In particular, 
calcitonin has the ability to decrease blood calcium levels at least in  part by 
effects on two well‐studied target organs:  

 

Bone: Calcitonin suppresses resorption of bone by inhibiting the activity 
of osteoclasts, a cell type that "digests" bone matrix, releasing calcium 
and phosphorus into blood. 

 

Kidney:  Calcitonin  inhibits  tubular  reabsorption  of  these  two  ions, 
leading to increased rates of their loss in urine. 

Control of Calcitonin Secretion 

The most prominent factor controlling calcitonin secretion is the extracellular 
concentration  of  ionized  calcium.  Elevated  blood  calcium  levels  strongly 
stimulate  calcitonin  secretion,  and  secretion  is  suppressed  when  calcium 
concentration falls below normal  

Disease States 

A  large  number  of  diseases  are  associated  with  abnormally  increased  or 
decreased  levels  of  calcitonin,  but  pathologic  effects  of  abnormal  calcitonin 
secretion are not generally recognized.  

•  There  are  several  therapeutic  uses  for  calcitonin.  It  is  used  to  treat 

hypercalcemia  resulting  from  a  number  of  causes.  Calcitonin  also 
appears  to  be  a  valuable  aid  in  the  management  of  osteoporosis
(excessive bone resorption and decreased bone formation)  


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Summary of Hormonal Control Systems 

Maintaining normal blood calcium and phosphorus concentrations is managed 
through the concerted action of three hormones that control fluxes of calcium 
in and out of blood and extracellular fluid:  

Parathyroid hormone

 serves to increase blood concentrations of calcium.

Mechanistically,  parathyroid  hormone  preserves  blood  calcium  by  several 
major effects:  

 

Stimulates  production  of  the  biologically-active  form  of  vitamin  D 
within the kidney. 

 

Facilitates mobilization of calcium and phosphate from bone. To prevent 
detrimental  increases  in  phosphate,  parathyroid  hormone  also  has  a 
potent effect on the kidney to eliminate phosphate (phosphaturic effect).

 

Maximizes  tubular  reabsorption  of  calcium  within  the  kidney.  This 
activity results in minimal losses of calcium in urine. 

Vitamin  D

  acts  also  to  increase  blood  concentrations  of  calcium.  It  is 

generated through the activity of parathyroid hormone within the kidney. The 
most important effect of vitamin D is to facilitate absorption of calcium from 
the  small  intestine.  In  concert  with  PTH,  vitamin  D  also  enhances  fluxes  of 
calcium out of bone.  

Calcitonin

  is  a  hormone  that  functions  to  reduce  blood  calcium  levels.  It  is 

secreted in response to hypercalcemia and has at least two effects:  

 

Suppression  of  renal  tubular  reabsorption  of  calcium.  In  other  words, 
calcitonin enhances excretion of calcium into urine. 

 

Inhibition of bone resorption, which would minimize fluxes of calcium 
from bone into blood. 

Although calcitonin has significant calcium-lowing effects in some species, it 
appears to have a minimal influence on blood calcium levels in humans.  

  

 

 


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10 

 

  

  

  

  

  

  

  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
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