课件：骨代谢异常生物化学诊断教学.ppt

骨代谢异常的生物化学诊断,河北医科大学第三医院实验中心,李亚,细胞：,35%有机成分：,65%无机物 钙磷镁,少量糖蛋白，骨磷蛋白和-羟化蛋白,主要为 型胶原,骨基质,骨质,成骨细胞 破骨细胞 骨细胞 骨原细胞,骨的功能,机械支撑 保护脏器 参与代谢,骨代谢异常的生物化学诊断,第一节 钙和磷的代谢及调节,钙、磷、镁在体内的分布(%),钙 磷 镁 骨和牙齿： 99 85 55 软组织： 1 15 45 细胞外液 0.2 0.1 1 总量g(mol) 1000(25) 600(19.4) 25(1.0),血浆中钙的存在形式,血钙通常指血浆钙，正常值为 2.252.75mmol/L 血钙 血浆蛋白结合钙40%（不可扩散）,与弱酸根结合的钙15,离子钙45,可扩散,血浆中磷的存在形式 蛋白结合磷，游离磷（离子化），复合物磷 正常成人血浆无机磷含量为0.71.1mmol/L,血浆磷不如血钙稳定，儿童时期血磷增高，此后随年龄增长而下降，在15岁时达成人水平。此变化与碱性磷酸酶的活性有关。,血钙与血磷之间有一定浓度关系,以mg / dl计算每 100 ml 血液中钙磷的质量之积是一常数, Ca P ,= 36 40,成骨作用 溶骨作用, Ca P , 40,成骨作用 溶骨作用, Ca P , 35,成骨作用 溶骨作用,（正常成人）,（少年儿童）,（ 佝 偻 症 ）,一、钙和磷的生理功能,（一）钙的生理功能 1.细胞内钙 含量：10-6 10-7 mol/L 与磷脂、 二羧酸、 钙结合蛋白结合 线粒体、 肌浆 、内质网,细胞内钙的功能,1.触发神经-肌肉收缩偶联 骨骼肌细胞内储存Ca2+受神经冲动而释放，Ca2+浓度增大到10-7-10-5mol/L时，Ca2+可迅速地与钙蛋白的钙结合亚基结合，引起一系列构象改变后导致肌肉收缩。 2.作用于质膜，降低细胞膜的通透性 3.为细胞内第二信使，参与细胞内信号传递 4.酶的辅助因子 5.抑制维生素D3-1-羟化酶的活性，参与钙磷代谢 6.钙结合蛋白-钙调蛋白为酶的调节物质,细胞外钙的功能,1.是细胞内钙的来源 2.稳定神经细胞膜影响其应激性。降低神经、肌肉的兴奋性。抽搐 3. 钙离子可以作为凝血因子，参与凝血过程,Ca+ ,（二）磷的生理功能,1.构成多种重要的核苷酸（如ATP、GTP、UTP、CTP等） 2.构成核苷酸辅酶类（如NAD+、NADP+、CoA等）和含磷酸根的辅酶（如TPP、磷酸吡哆醛等） 3.细胞膜磷脂在构成生物膜结构、维持膜的功能以及代谢调控上均发挥重要作用。如 酶蛋白及多种功能性蛋白质的磷酸与脱磷酸化 4.细胞内的磷酸盐参与许多酶促反应如磷酸基转移反应、加磷酸反应等。,细胞外磷的功能,1.血中磷酸盐（HPO42-/H2PO4-）是血液缓冲体系的重要组成成分。 2.细胞外磷酸盐为细胞内以及骨矿化所需磷酸盐的来源,食物钙,肠吸收,血钙 （2.25-2.75 mmol/L） 蛋白结合 有机酸结合,钙的正常代谢,二、钙和磷的代谢,Ca+/ P2/1,钙的代谢 1.吸收 每日摄入0.6 1.0g 部位：小肠上段，主指十二指肠 方式：在活性VitD3下的主动吸收过程 影响因素： 肠道pH： 酸促进吸收，乳酸， 胃酸, 草酸 植酸 Ca(H2PO4) 2 Ca3(PO4)2 食物中钙磷比例： Ca:P=2:1时吸收最佳 肠道中活性VitD3的影响 年龄的影响。 2.排泄 部位： 肾（20）和肠道（80） 由消化道排泄的钙量占总量的80(未吸收钙及分泌钙600mg ）。由肾排出的钙占总排钙的20（150mg)。,磷的正常代谢,食物,磷,肠吸收,血磷 （0.81.6 mmol/L）,磷的代谢,1.吸收 每日摄入1.0 1.5g 部位：小肠上段主指空肠（70） 方式：食物中的磷主指有机磷酸酯在磷酸酶的作用下生成H2PO4-，才能被吸收； 影响因素： 食物中金属离子的影响: 长期口服氢氧化铝凝胶以及食物中钙、镁、铁离子过多，均可由于形成不溶性磷酸盐而影响磷的吸收。 2.排泄：肾是磷排泄的主要器官，肾排磷占总排磷的70，其余30由粪便排泄,三、钙和磷及骨代谢的激素调节,甲状旁腺素 维生素D 降钙素 甲状旁腺激素相关蛋白,（一）甲状旁腺素 parathyroidhormone，PTH,合成部位：甲状旁腺的主细胞 前甲状旁腺素原 (115个Aa) 粗面内质网 25Aa 甲状旁腺素原 (90个Aa) 高尔基复合体 -6Aa 甲状旁腺素 (84个Aa单链多肽 ) 分子量9500,PTH对血钙和血磷的调节作用,PTH是维持血钙正常水平的最重要的调节因素，它有升高血钙、降低血磷和酸化血液、促进溶骨等作用，其主要靶器官是骨、肾小管，其次是小肠粘膜等。,作用机制：作用于靶细胞膜，活化腺苷酸环化酶系统，激活ATP生成cAMP及PPi，cAMP能促使线粒体的钙转入细胞浆，PPi则作用于细胞膜外侧，使膜外侧的钙进入细胞的，致细胞的内Ca2+升高，并激活胞膜上的钙泵将Ca2+主动转至胞外。引起血钙升高。具体如图,1.对骨的作用：PTH浓度升高时，骨细胞则有溶骨效应。 间质网状细胞破骨细胞成骨细胞骨细胞 PTH的作用机理可表现在二个方面 使前破骨细胞和间质细胞向破骨细胞的转化，抑制破骨细胞向成骨细胞的转化，导致溶骨和骨钙的大量释放。 使破骨细胞的活动性增强，骨盐溶解，血钙升高 溶酶体释放各种水解酶；抑制异柠檬酸脱氢酶的活性，使细胞内柠檬酸，异柠檬酸，乳酸，碳酸及透明质酸浓度增加；胶原酶活性增加,2 . 对肾作用 促进远曲小管和髓袢上段对钙的重吸收，抑制近曲小管及远曲小管对磷的重吸收，结果使血钙升高，血磷降低，尿钙减少，尿磷增加 3. 促进活性VitD3的形成。 4. 对小肠的作用 为一种间接反应，促进肠道对钙磷的重吸收,(二) 维生素D (Vitamin D, VitD),合成 肝和肾是VitD3活化的主要器官 麦角固醇紫外线 麦角钙化醇(D2) D2 脱氢 7-脱氢胆固醇 紫外线 胆钙化醇(D3),高Ca2+,外源性食物,内源性 (皮肤),维生素D3,肝脏 25-羟化酶,1,25-(OH)2D3,25-(OH)D3,低P3-,高P3-,肾 1-a羟化酶,降钙素,甲状旁腺素,无生物活性,微弱生物活性,生物活性明显增加,低Ca2+,( ),( ),( ),( ),( ),( ),对小肠的作用 促进小肠对钙磷的吸收,改变膜磷脂结构，增加对钙的通透性。,上调与钙转运相关的蛋白质的表达,提高腺苷环化酶的活性，作为第二信使发挥 作用。,2. 对骨骼的作用： 直接作用是促进溶骨：加速破骨细胞的形成，增强破骨细胞的活性 间接作用是促进骨的钙化：促进肠道对钙磷的吸收，增加血钙 结果表现为促进骨组织的更新 3. 对肾的作用：促进肾小管上皮细胞对钙磷的重吸收（同PTH比较） 其机制是增加细胞内钙结合蛋白的生物合成，从而促进钙磷的吸收。,（三） 降钙素（calcitonin, CT）,合成：由甲状腺滤泡旁细胞合成和分泌的一种单链多肽。32Aa, 分子量3418 血钙增高时，CT分泌增多；血钙降低时，CT分泌减少 作用： 1.对骨的作用 抑制骨基质分解和骨盐溶解：抑制破骨细胞的活性； 促进骨盐沉积：促使破骨细胞向成骨细胞的转化，导致骨盐沉积。 2.对肾脏的作用 CT可直接作用于肾脏的近曲小管，抑制钙磷的重吸收，使尿钙的排出增加。 3.对小肠的作用：主要是间接作用，通过抑制活性D3的形成，而抑制小肠的钙磷的重吸收。,甲状旁腺素、维生素D、降钙素对钙磷代谢的影响,（四）甲状旁腺激素相关蛋白 (PTHrP),1987年研究某些癌症引起恶性肿瘤体液性高钙血症(humoral hypercalcemia of malignancy，HHM)时发现。约有7580%恶性肿瘤并发高钙血症，如乳癌,肾癌,多发性骨髓瘤,淋巴瘤和白血病等。 它与PTH的氨基酸结构相近，可与PTH受体结合，并发挥甲状旁腺素的功能，引起血钙升高。,第二节 钙、磷、镁代谢紊乱,一、 钙代谢异常 （一）低钙血症,hypocalcemia (血清钙 2.2 5mmol/L),应注意血钙与血Ca+的区别,原因与机制 低清蛋白血症，血清总钙降低,Vit D 代谢障碍,Vit D 缺乏,食物中缺乏VD 营养性佝偻病 肠吸收障碍：慢性腹泻等,Vit D 羟化障碍,甲状旁腺功能减退,原发性,一组多原因疾病，与自身免疫有关,继发性,医源性,慢性肾功能衰竭,高磷血症,低钙症状,口周麻木 四肢远端感觉异常（早期） 神经 肌肉兴奋性上升 肌肉痉挛 抽搐 佝偻病：方颅 X形腿 O形腿 鸡胸 念珠胸 ALP 白内障 皮肤干燥 毛发枯燥 指甲易断 出牙异常 CT影像学检查 头颅有基底结钙化,佝偻病,佝偻病就是我们常说的婴幼儿“缺钙”，（老年人缺钙容易引起骨质疏松）即使是现在的生活水平提高了很多，但是现在佝偻病的发病率还是很高的。 据报道，在南方，1岁以下婴幼儿，发生的佝偻病的比率为2030，在北方就更高了，（2045，与日照时间有密切关系）但是，有一点值得高兴，绝大多数都是轻中度的缺钙，重度缺钙的现在已经很少见了 只是偶尔从一些乡下来的孩子可以看到类似鸡胸、O型腿等,佝偻病实例图片,鸡胸病实例图片,O型腿实例图片,(二）高钙血症,主要原因：溶骨作用于增强，小肠钙吸收增强，以及肾对钙的重吸收增加所致 1.钙溢出细胞外液：恶性肿瘤 2.肾对钙重吸收增加：噻嗪类药物 3.肠道对钙的吸收增加：VitD中毒 4.骨骼的重吸收增加 5.原发性甲状旁腺机能亢进,hypercalcemia (血清钙 2.7 5mmol/L),二、磷代谢异常,（一）低磷血症,hypophosphatemia (血清磷 0.81 mmol/L),原因与机制,胃肠道吸收减少,肾磷酸盐阈值降低,呕吐 腹泻 Vit D 缺乏,细胞外转向细胞内,呼吸性碱中毒 大量葡萄糖，胰岛素,甲状旁腺功能亢进 遗传性肾小管重吸收,（三）高磷血症,原因： 1.肾排出减少 急慢性肾功能不全,急慢性肾功能不全,肢端肥大症 2.磷摄入过多 3.磷向细胞外移出及细胞破坏 乳酸酸中毒， 呼吸性酸中毒， 细胞溶解,hyperphosphatemia (血清磷1.4 5mmol/L),补钙是预防低钙高磷摄入对骨质不良影响的最佳方案，当然作什么事情都有度，过分补钙也有不良影响，如钙奶综合征等。 有人提出 “大量饮用可乐会增加妇女骨质疏松的危险”。,镁的代谢及其异常,总量与分布：2128g，居构成机体元素的第11位，,调节细胞代谢，调控细胞生长,镁的生理功能： 1.细胞内镁的功能： Mg2+是近300种酶的辅助因子，广泛参与各种生命活动。 参与酶的底物形成。 是许多酶的变构激活因子。 氧化磷酸化、糖酵解、细胞复制、核苷酸代谢、蛋白质。,2019/4/19,42,可编辑,2. 细胞外镁的功能,血清镁：正常值：0.751.00mmol/L 血清镁的存在形式：蛋白结合镁30，离子镁55，镁盐15,1 . 细胞内镁的来源 2 . 降低神经、肌肉的兴奋性 3 . 在突触前的神经末梢竞争性的抑制Ca+的进入,功能,镁的代谢,食物 250mg,镁,肌肉镁： 在有核细胞中存在的镁约有80存在于肌肉中。肌肉是维持镁平衡的重要组织。 镁缺乏：急性血清镁与肌肉镁无交换 慢性血清镁与肌肉镁有交换 镁增加： 无论是急性与慢性均无血清镁与肌肉镁的交换,（一）低镁血症 血镁1.00mmol/L临床较少见 原因：过多镁盐摄入 静脉输入,三、 镁的代谢异常,第三节 骨代谢异常的临床生化,一、骨的组成：,骨的功能：,1.机械支撑 2.保护脏器 3.参与钙磷等的储备和代谢,二、骨的代谢：,1.成骨作用（两个过程） （P298） 骨的有机质形成 骨盐沉积 2.溶骨作用,三、骨细胞的凋亡：,概念：骨细胞的程序性死亡,（一）破骨细胞的凋亡,1.表现（丫啶橙荧光染色） 正常细胞：体积大，多核，发绿色荧光 凋亡细胞：体积缩小，核固缩发橙红色荧光 坏死细胞：细胞肿胀，可见均匀淡红色荧光,三、骨细胞的凋亡：,（一）破骨细胞的凋亡,2.调节 多种细胞因子、激素和维生素 维持破骨细胞生存：M-CSF、IL-1、 促进破骨细胞凋亡：TGF- 破骨细胞凋亡调节：雌激素和VitK,（二）软骨内成骨细胞的凋亡（P300） 1.骺板软骨细胞的凋亡现象 2.细胞凋亡与软骨发育不良 3.关节生长发育和功能改建中细胞凋亡,（一）骨质疏松症（osteoporosis) 概念： 是因多种原因引起的骨组织显微结构受损，骨矿成分和骨基质等成分比例减少，骨质变薄，骨小梁数量减少，骨脆性增加，使骨折危险度增高的一种全身骨代谢障碍性疾病。 在美国由于骨质疏松，每年引起150万骨折。1/3的65岁以上女性有脊柱压迫性骨折。一生中患髋骨骨折的约15%。在我国根据流行病学调查，60岁以上的老年人患骨质疏松的男女比例分别为35.8%和73%；4559岁者为16.9%和51.5%。据估计我国患骨质疏松者约有60008000万之多。,二、 代谢性骨病的临床生物化学,病因： 1.生长发育期钙和维生素D摄入不足 2.激素水平不稳定 3.1，25（OH）2D3合成不足 4某些药物 罗格列酮、糖皮质激素类药物, 临床表现： 1.疼痛。原发性骨质疏松症最常见的症症，以腰背痛多见，占疼痛患者中的70%-80%。 2.身长缩短、驼背。 3.骨折。这是退行性骨质疏松症最常见和最严重的并发症。 实验室检查 X光片、骨密度扫描,骨质软化症 （osteomalacia)佝偻病,是继发于骨质疏松的疾病 骨矿物质吸收，显微镜下非矿化骨类骨质（非矿化有机质）增加， 1.病因：维生素D缺乏，磷酸盐缺乏,胃肠切除术 小肠疾病 肝胆疾病 胰腺功能不全 ， 依赖维生素D型佝偻病（缺乏1,25-(OH)2D羟化酶）， 依赖维生素D型佝偻病（受体与1,25-(OH)2D结合的亲合力差） 低磷血症骨质软化症： (维生素D抵抗佝偻病）肾小管磷酸盐转运缺陷，大量排泄磷酸盐 药物,维生素D缺乏,肠Ca2+、P3- 吸收,血Ca2+ ,甲状旁腺代偿机制增强,尿P3- 排出,旧骨脱钙,血 P3- ,血钙正常或稍低,钙磷乘积,骨样组织钙化障碍,骨质软化,骨样组织堆积,成骨作用,肌无力，张力过低 骨骼改变： 脊柱侧弯， “O”、“X”形腿,其它：外伤易骨折,肋骨串珠 方颅,2.临床表现,3. 实验室检查：,血清碱性磷酸酶测定、钙、磷、,血清25(OH)D浓度测定,肾小管磷酸盐最大吸收率：,测定空腹血清磷酸盐肌酐和同时收集的2小时尿磷酸盐、肌酐，分别计算出磷酸盐和肌酐的清除率,肾磷酸盐转运缺陷,Pagets病 变形性骨炎,骨的局部性病变，骨吸收后被混乱形式的骨质所替代。 1.临床表现： 受侵部位出现局部骨痛和发热，骨胳变形，关节炎，神经压迫。 2.实验室检查：血清ALP, B-ALP增高，尿脱氧吡啶酚、羟脯氨酸增高，,肾性骨营养障碍 （renal osteodystrophy),各种原因导致的肾衰引起的骨骼异常。 纤维性骨炎，骨软化症，骨发育不全，骨骼淀粉样变 发病机制 临床表现： 骨痛：小腿臀部脊柱 儿童骨骼畸形 骨组织外骨化：关节周区域，动脉中间层，肺，心肌,实验室检查：,血清尿素氮、肌酐升高，高磷、低钙、高镁血症 PTH升高， 1,25-(OH)2D减少,第四节 骨代谢疾病的生化标志物与检测,一、 骨代谢的标志物 骨形成标志物 骨钙素 骨性碱性磷酸酶 前胶原肽 骨吸收标志物 胶原交联 耐酒石酸酸性磷酸酶 尿半乳糖羟赖氨酸 尿羟脯氨酸,骨钙素(osteocalcin),分子量为5669，含49个氨基酸， 骨钙素是在骨中含量十分丰富的非胶原蛋白，其总量占骨组织中非胶原蛋白的1520。骨钙素由成骨细胞合成和分泌，与羟磷灰石有较强的亲和力，约50沉着于骨基质，其余50进入血循环。 1，25(OH)2D可以促进其合成。 生理功能是维持骨的正常矿化速率，抑制异常的羟基磷灰石结晶的形成，抑制软骨矿化速率。 血清骨钙素可以反映成骨细胞的活性或者是骨的形成的指标,骨碱性磷酸酶(bone alkaline phosphatase):,在骨内碱性磷酸酶来源于成骨细胞。 成骨细胞活性和骨形成增加时，骨碱性磷酶活性增加。 在血清中稳定，不受昼夜变化影响 在反映骨细胞活性及骨形成上优于骨钙素,碱性磷酸酶：骨，肝，肾，小肠，胎盘,前胶原肽,I型胶原前肽是最常见的骨胶原，是骨基质的重要组成部分，几乎组成总蛋白部分的90。,反映成骨细胞活动和骨形成以及反映I型胶原合成速率的特异指标。,前胶原,胶原,前胶原氨基端肽（PINP）,前胶原羧基端肽（PICP）,（二）骨吸收标志物,1. 胶原交联 骨由无机质和有机质组成，胶原的成分占到有机质的90% ， I型胶原 I型胶原结构:由两条a1(I)和一条a2 (I)链组成，其结构为a1(I)2 a2 (I),I型前胶原（N-、C-末端延伸链）1000Aa,140kD,脯氨酸赖氨酸羟基化 糖基化 三链间二硫键形成,三股螺旋结构,N-、C-端前肽,I型胶原分子,未成熟纤维,分子内部、分子间共价交联,分泌后,2羟赖氨酸侧链，1赖氨酸侧链,脱氧吡啶酚/赖氨酸吡啶酚,3个羟赖氨酸侧链,吡啶酚/羟赖氨酰吡啶酚,成环,稳定的成熟纤维,吡啶酚和脱氧吡啶酚,吡啶酚 存在于硬连接组织：软骨 *脱氧吡啶酚 存在于骨、韧带、主动脉,脱氧吡啶酚： 由胶原自然合成，非生物合成 从尿中排出前不被代谢 骨是脱氧吡啶酚的重要来源 仅来源于天然基质的降解产物，不受饮食等干扰。,特异、灵敏地反映骨吸收,耐酒石酸酸性磷酸酶（Tartratercsistant acid phosphatase, TRAP）,血浆抗酒石酸酸性磷酸酶主要存在于破骨细胞，而成骨细胞和骨细胞中含量甚少。 骨吸收时，TRAP由破骨细胞释放入血循环中，所以血浆中TRAP水平被认为是骨吸收的一项生化指标，主要反映破骨细胞活性和骨吸收状态。,3.尿半乳糖羟赖氨酸,胶原纤维,糖基化,半乳糖羟赖氨酸,糖化半乳糖羟赖氨酸,羟赖氨酸,骨胶原,皮肤胶原,4.尿羟脯氨酸,体内胶原代谢的终产物之一，其中一半来自骨胶原的破坏，还有一部分来自骨以外的各种胶原组织及饮食中胶原的破坏。反映骨吸收和骨转换程度，但不特异。,3. 实验室检查,骨吸收标志物,尿钙，尿胶原交联（尿N端肽、脱氧吡啶酚、 C端肽),血碱性磷酸酶，骨钙素,骨形成标志物,第五节 骨代谢相关指标的 实验室检查,一、 钙、磷、镁的实验室检查 （一）钙测定 1.总钙测定 (1)分光光度法,邻甲酚酞络合酮,PH12,Ca,紫红色獒合物 570-580nm,偶氮砷,pH 6,蓝紫色复合物 650-660nm,(2)原子吸收分光光度法,镧-盐酸溶液（50）,血清Ca（1）,乙炔火焰,基态钙原子吸收 422.7nm光波,8-羟基喹啉遮盖镁离子,Ca,检测吸光值,离子选择电极法,游离（离子) 钙的测定,（二）血清磷的测定,无机磷,钼酸铵,磷钼酸络合物,340nm,(三)镁测定,1.血清总镁测定 分光光度法：钙镁试剂(calmagite ) ，羟甲基偶氮苯萘酚磺酸盐,邻苯二胺,钼蓝,600-700nm,Mg,Mg-Calmagite 530-550nm,EGTA-Ca KCN-金属离子 聚乙烯吡咯烷酮 表面活性剂,蛋白质，脂血,甲基麝香草酚蓝,Mg,蓝色复合物,原子吸收分光光度法,镧-盐酸溶液（50）,血清Mg（1）,乙炔火焰,基态镁原子吸收 285.2nm光波,检测吸光值,2.游离镁离子测定