background image

Calcium, 

Phosphorus

Magnesium

 and 

Related 

Disorders 

(By Basil OM Saleh)

 

Objective

: 1.

Calcium & Phosphorus     

homeostasis,

 

Hypercalcaemia

, and 

Hypocalcaemia.

 

2. 

Magnesium homeostasis ,

Hypo- and Hyper-

Magnesiemia. 

References

: 1.

Clinical chemistry & Metabolic Medicine 2006

 

2.

Tietz Text book of Clinical Chemistry &Molecular Diagnostics

 

 


background image

Calcium

 

is the most abundant mineral in 

the human body; 1 Kg in a 70 Kg adult human. 

Approximately 99 % of it is found in the bone 

in 

combination 

with 

phosphate 

(as 

hydroxyapatite).

 

Phosphate

 

is  also  one  of  abundant 

mineral;  approximately    600  mg  (0.60  Kg)  

present in 70 Kg adult human mainly 85 % is 

in 

the 

bone. 

The small fraction (~1 %) of body’s calcium is 

found in the extra-osseous compartment that 

is  very  important  for  normal  physiology  of 

human  body  because  of  its  effect  on 

neuromuscular 

excitability 

and 

cardiac 

muscle 

physiology.  

 


background image

In  blood,  calcium  is  found  in  three  forms: 

1.  biologically  and  functionally  active 
fraction; the ionized or Free calcium    Ca 

++

 

(50-65 %),      

2. Calcium-protein bound-mainly 

albumin  (30-45  %), 

3.  Calcium  Complexed 

with  anions  like  citrate,  oxalate,..,  (5-10  %). 

The  measured  serum  or  plasma  Total  Ca  is 

the  summation  of  these  three  forms,  but  the 

physiologically  active  one  is  the  Free  Ca. 

Terms:

   

Free  Ca  (Ca

++

), 

Hypocalcaemia 

(abnormal 

low 

circulated 

 

Ca

++

), 

Hypercalcaemia  (abnormal  high  circulated 
Ca

++

), 

active  vitamin    D  (Dihydroxy 

cholecalciferol [Dihydroxy D3  (DOHD3)]. 


background image

The  intracellular  calcium-binding  protein  is 

Calmodulin.

  This  protein  is  very  important  to 

regulate  the  intracellular  calcium  and  its 

release  from  the  sarcoplasmic  reticulum 

(Muscle’  s  mitochondria)  into  the  sarcoplasm 

(cytoplasm  of  muscle)  and  subsequent 
muscle 

contraction

  and  relaxation. 

Important 

Notes

 

 

•  Plasma  albumin  concentration:  Change  in 

serum  or  plasma  protein  (in  particular 

albumin)  leads  to  parallel  change  in  serum 

calcium-protein  bound  fraction  and  so  total 

calcium  concentration,  but  the  free  calcium 
(the  ionized  Ca

++

)  concentration  remains 

unchanged.  


background image

Therefore,  measurement  of  serum  Free 
calcium  Ca

++

  is  the  correct  choice,  if 

technically  difficult,  measurement  of 

both

 

Total Calcium and albumin (or total protein) is 

preferred  rather  than  the  total  Ca  alone  to 

correct 

for 

protein 

concentration 

abnormalities. 

•Changes  in  Hydrogen  ion  concentration  [H+] 

is  accompanied  by  parallel  changes  in  Free 

calcium  concentration,  but  the  total  calcium 
remains  unchanged. 

In  alkalosis,  [H

+

]  is 

decreased  ,  the  Ca

++

  is  decreased  and 

Tetany

  may  occur  even  the  measured  total 

Ca level is normal.  


background image

In  case  of  acidosis  the  free  Ca

++

  is 

increased due  to increasing of [H+] ions 

and  also  because  of  buffering  of  the 

bone  by  acid  media  (increase  Ca 

solubility)  and  so  increasing  release  of 

Ca  from  the  bones  into  the  ECF. 

Homeostasis 

of 

Blood 

Calcium: 

Control of Blood (plasma or serum) Ca is 

maintained  in  the  presence  of  several 

factors 

and 

organs; 

These 

factors 

are:                                                                       

-Parathyroid 

Hormone 

PTH                                                   

-Active  Vitamin  D3  [1,25  dihydroxy 

cholecalciferol (or dihydroxy Vitamin D3, 

DOHVD3)] 


background image

Normal  Functioning  of  Organs,  include:                        

                                             

1.  Intestine  2.  Parathyroid  Gland  3.  Kidneys. 

First, 

about 

Factors:  

DOHVD3.

 

There are two types of vitamin D; D2 

(ergocalciferol-plant  source  and  D3-animal 

source. In our body, the animal Vitamin D (D3) 

is  the  important  source  and  it  is  synthesized 

from  cholesterol  in  skin  under  UV  effect  of 

the 

sun 

light. 

However, 

when 

the 

requirements  of  vitamin  D  is  high,  as  during 

growth  &  pregnancy,  and  when  the  animal 

source  is  low  because  of  low  sunlight 

exposure  as  in  elderly  and  chronically  sick 

subjects  who  are  confined  indoor  and  in 

infants,  the  plant  dietary  sources  are 

important.   

The synthesized vitamin in skin is 

cholecalciferol  (D3)  which  is  biologically 

inactive.  This  D3  is transported by  blood  to 


background image

the liver where it is converted by hepatic   25-

hydroxylase  enzyme  to  25  OH-cholecalciferol 

(25OHD3)  which  still  inactive 

till  it  is 

transported  to  the  Kidneys  (proximal  renal 

tubular  cells)  where  it  is  activated  to  active 

vitamin D3 (DOHD3  or DOHcholecalciferol) by 

renal enzyme 1-alpha-hydroxylase. 

This latter 

enzyme  is  stimulated  by  hypophosphataemia 

and  high  plasma  PTH  levels  ,  while  it  is 

inhibited 

by 

hyperphosphataemia 

Hypercalcaemia. 

So,  kidney  is  endocrine 

organ  synthesizing  and  secreting  active  D3 

(considered  as  hormone

),  impairment  of  this 

hydroxylation (1-alpha hydroxylation) leads to 

hypocalcaemia as in chronic renal failure 


background image

The predominant form of D3 in circulation and 

which is usually measured in cases of vitamin 

D3  deficiencies  is  25OHD3,  but  the  active 

form  that  is  required  for  Ca  homeostasis  is 

DOHD3 which its measurement is indicated in 

cases  of  vitamin  D3  metabolism  defect  or 

impairment  (kidney  failure). 

The  actions  of 

active  D3  (DOHD3)  in  Ca  homeostasis 

involved:

  1.  It  is  essential  for  intestinal 

absorption  of  dietary  Ca

++

  and  PO4

---

.  2.  It 

acts  synergistically  in  combination  with  PTH 
to  release  of  Ca

++

  and  PO4

---

  from  bone 

(bone  resorption)

  in  response  to    decreased 

circulated  Ca

++

 (hypocalcaemia). 


background image

PTH. 

It  is  a  single  chain  poly  peptide 

(protein)  hormone  with  84  amino  acids  and 

the  first  N-terminal  34-amino  acids  the 

biologically  active  peptide  sequence.  It  is 

secreted  from  parathyroid  gland  in  response 

to hypocalcaemia. 

The normal actions of this 

hormone  in  maintaining  of  normal  blood  Ca 
levels are 

1. indirect intestinal absorption 

of  Ca  and  inorganic  phosphate;  this  is 

achieved  by  PTH  stimulation  of  renal      

1-alpha-hydroxylase  enzyme  and  the 

consequent  formation  of  active  D3 

(DOHD3).  


background image

2.  increased  the  Bone  resorption  of 
Ca

++

  and  PO4

---

  by  stimulation  of 

osteoclasts  activities  with  resultant 

increased blood concentrations of these 

two  elements.     

3.  PTH  increases  the 

renal  reabsorption  of    Ca

++

  and  renal 

excretion  of  PO4

---

  (phosphaturia),  this 

step is important in determining 

the NET 

action of PTH as (this latter action step- 

3  overcome  the  sum  of  the  previous 

above actions 1 & 2). 

SO, the net of PTH 

action is: increases the circulated  levels of 
Ca      and  decreases  that  of  PO4--. 

Control  of  PTH  secretion  is  depend  on  the 

blood Ca++ concentration.  


background image

A  fall  in  blood  Ca

++

  increases  the  secretion 

(and so the blood) PTH levels till the correction 
of  Ca

++

  blood  levels,  then 

in  the  presence 

normal  physiology,

  the  PTH  secretion  (and 

blood  levels)  returns  to  normal.  PTH  secretion 

is  also  enhanced  by 

hypomagnesaemia

.  

The  combination  of  PTH  and  DOHD3  actions  is 

revealed when  there is hypocalcaemia. In  this 
case,  a  fall  in  plasma  Ca

++

  level  stimulates 

PTH  synthesis  and  secretion.  The  PTH 

enhances  1-alpha-hydroxylase  enzyme  activity 

and therefore increases the synthesis of active 

D3 

(DOHD3) 

by 

kidney.  

 


background image

These  mechanisms  act  till  the  correction  of 

plasma  Free  Ca,  hence  both  PTH  and  DOHD3 

secretion 

is 

suppressed.  

So,  PTH  &  DOHD3  act  synergistically  on  the 
osteoclasts  of  bone,  releasing  Ca

++

  into  the 

blood, DOHD3 also increases Ca

++

 intestinal  

absorption.                                                                  

Human body also contains what is known the 

Parathyroid  related  protein 

PTHrP.

  This 

protein  is  structurally  similar  to  PTH 

(contains  the  active  N-terminal  34  amino 

acids  sequence)  and  therefore  activating  the 

PTH receptors mimicking the hormone action 
in  respect  to  Ca

++

  metabolism.  It  is  widely 

distributed  throughout  the  body  but  it  is 

repressed (inhibited).  


background image

In  certain  tumors  as  that  of  bronchus  & 

head  tumors  is  derepressed  (activated) 

and  may  leads  to  abnormal  condition  of 

Hypercalcaemia.   

                                                                        

Another,  but  less  important  factor  is 

Calcitonin

 hormone that is secreted from 

parafollicular  cells  of  Thyroid  gland 

(Thyroid  medulla).  This  hormone  has  an 

opposite  action  to  blood  PTH  and  so 

decreasing  the  bone  release  of  Ca 

(reduce  bone  resorption  of  ca)  and  may 

be used in 

treatment of Hypercalcaemia.  




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 14 عضواً و 195 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل