Fosfor: opredelitev, sinteza, absorpcija, transport in distribucija

Fosfor je kemični element s simbolom elementa P. Kot nemetal je v 5. glavni skupini periodnega sistema in ima atomsko ali atomsko število 15. Številčnost fosfor v zemeljski skorji je 0.09%. Fosfor je bistven mineral za ljudi in je najpogostejši mineral v telesu po njem kalcij. Ker je fosfor zelo reaktiven, se v naravi pojavlja izključno v vezani obliki, predvsem v kombinaciji z kisik (O) kot sol fosforna kislina (H3PO4) - fosfat (PO43-), vodik fosfat (HPO42-), dihidrogen fosfat (H2PO4-) - in kot apatit (kratko in skupno ime za skupino kemično podobnih, neopredeljenih minerali s splošno kemijsko formulo Ca5 (PO4) 3 (F, Cl, OH)), kot so fluoro-, kloro- in hidroksiapatit. V človeškem organizmu je fosfor bistven gradnik organskih spojin, kot npr ogljikovi hidrati, beljakovin, lipidov, nukleinska kislina, nukleotidi in vitamini, pa tudi anorganske spojine, od katerih kalcij fosfat ali hidroksiapatit (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), ki je lokaliziran v okostju in zobeh, je še posebej pomemben. V svojih spojinah je fosfor prisoten predvsem v valenčnem stanju -3, +3 in +5. Fosfor je prisoten v praktično vseh živilih. Visoke količine fosfat najdemo zlasti v beljakovinsko bogati hrani, kot so mlečni izdelki, meso, ribe in jajca. Zaradi uporabe fosfatov - nekaterih ortofosfatov (PO43-), di-, tri- in polifosfatov (kondenzacijski produkti dveh, treh oziroma več ortofosfatov) - kot aditive za živila, na primer kot regulatorji kislosti (ohranjanje konstantnega pH), emulgatorji (kombiniranje dveh tekočin, ki se ne mešajo, kot sta olje in voda), antioksidanti (preprečevanje neželene oksidacije), konzervansi (protimikrobni učinek, konzerviranje) in sredstva za sproščanje, poleg tega pa industrijsko predelana živila, kot so mesni in klobasni izdelki, topljeni sir, kruh in pekovski izdelki, pripravljeni obroki in omake ter pijače in gazirane pijače, ki vsebujejo kola, imajo včasih visoko vsebnost fosfatov [4, 7-9, 15, 16, 18, 25, 27].

Absorpcija

Prehranski fosfat je večinoma v obliki organskih spojin - na primer fosfoproteinov, Fosfolipidi-in najprej morajo absorbirati posebne fosfataze (encimi, fosforna kislina iz estrov fosforne kisline ali polifosfatov) krtačne membrane enterocitov (celic epitelija od Tanko črevo), da se absorbira kot anorganski fosfat v dvanajstnik in jejunum. Polifosfati (kondenzacijski produkti več ortofosfatov), ​​ki predstavljajo približno 10% dnevnega vnosa fosfata, se prav tako podvržejo hidrolizi (cepitev z reakcijo z voda) s fosfatazami pred črevesjem absorpcija (absorpcija skozi črevesje), medtem ko se ortofosfati (PO43-) skoraj popolnoma absorbirajo v svoji prvotni obliki. Višja kot je stopnja kondenzacije (stopnje zamreženja) polifosfata, nižja je njegova encimska cepitev v črevesnem lumnu in več polifosfatov se izloči neabsorbiranih v blatu (blatu). Fosfat, raztopljen iz njegovega anorganskega fosfata - brez spojin - se v glavnem transportira v sluznica celice (sluznične celice) dvanajstnik (dvanajstnik) in jejunum (jejunum) z aktivnim, natrijev-odvisen mehanizem, ki se prednostno uporablja vodik fosfat (HPO42-) kot substrat. Poleg tega obstaja pasivni proces, pri katerem anorganski fosfat paracelularno (skozi intersticijske prostore črevesnih epitelijskih celic) vstopi v krvni obtok vzdolž elektrokemičnega gradienta. Paracelularno absorpcija, ki se pojavlja v celotnem črevesnem traktu, vključno z debelo črevo (debelo črevo), postane še posebej pomembno, če zaužijemo večje količine fosfata. V primerjavi z aktivnim absorpcija mehanizem pa pasivna črevesna absorpcija ni niti približno tako učinkovita, zato se celotna absorbirana količina absolutno poveča s povečanjem fosfata Odmerek, vendar se relativno zmanjša. Medtem ko je aktivnamasa transport skozi epitelijske celice črevesja) resorpcijo fosfatov ureja obščitnični hormon (PTH, peptidni hormon, sintetiziran v obščitnična žleza), kalcitriol (fiziološko aktivna oblika vitamin D) in kalcitonin (peptidni hormon, sintetiziran v celicah C Ščitnica), pasivni paracelični transportni proces ostaja nespremenjen hormoni naveden. Regulacija transcelularne reabsorpcije fosfata s PTH, kalcitriolin kalcitonin je podrobneje obravnavano spodaj. Hitrost absorpcije fosfatov je v fazi rasti višja kot v odrasli dobi. Na primer absorpcija fosfata pri dojenčku, malčku in otroku, ki ima pozitiven fosfat ravnovesje (vnos fosfata presega izločanje fosfata), je med 65-90%, medtem ko odrasli absorbirajo anorganski fosfat iz mešane prehrana pri 55-70%. Poleg biološke starosti še fosfat biološko uporabnost je odvisna tudi od ravni vnosa fosfatov v prehrani - inverzna korelacija (večja kot je vnos fosfatov, manjša je biološka uporabnost) - vrsta fosfatne spojine in interakcija s sestavinami hrane. Naslednji dejavniki zavirajo absorpcijo fosfatov:

  • Povečan vnos nekaterih minerali in elementi v sledovih, Kot je kalcij, aluminijin železo - Padavina prostega fosfata z nastankom netopnega kompleksa.
    • Prehransko razmerje kalcij: fosfat (Ca: P) mora biti pri otrocih 0.9-1.7: 1; od odraslih ne bi smeli zahtevati, da vzdržujejo določeno prehransko razmerje Ca: P
  • Fitinska kislina (heksafosfatni ester mio-inozitola) - v žitih in stročnicah je fosfat pretežno prisoten v vezani obliki kot fitinska kislina in ga zato človeški organizem ne more uporabiti zaradi odsotnosti fitaze (encima, ki z zadrževanjem vode cepi fitinsko kislino in sprošča vezani fosfat) v prebavnem traktu; samo z mikrobnimi fitazami ali aktiviranjem rastlinskih fitaz, na primer pri pridelavi kruha s pomočjo kvašenega testa ali posebnega testa, med fermentacijo in kalitvijo se lahko fosfat sprosti iz svojega kompleksa in resorbira

Zaradi včasih visoke vsebnosti fitinske kisline v rastlinski hrani, kot so žita, zelenjava, stročnice in oreški, fosfor iz živil živalskega izvora je večinoma bolj na voljo. Živila rastlinskega izvora, bogata s fitati, imajo lahko do 50% manj biološko uporabnost. Na primer, fosfor iz mesa se v povprečju absorbira ~ 69% iz mleko ~ 64% in iz sira ~ 62%, medtem ko iz polnozrnate rži kruh le približno 29% fosforja se v povprečju absorbira v črevesju. Naslednji dejavniki spodbujajo absorpcijo fosfatov:

  • 1,25-dihidroksilholekalciferol (1,25- (OH) 2-D3, kalcitriol - presnovno aktivna vitamin D).
  • Visok pH

Porazdelitev v telesu

Skupna količina fosforja v telesu je približno 17 g (0.5%) pri novorojenčku in med 600-700 g (0.65-1.1%) pri odraslih. Več kot 85% ga najdemo v anorganskih spojinah s kalcijem v obliki kalcijevega fosfata in hidroksiapatita (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2) v okostju in zobeh. 65-80 g (10-15%) telesnega fosforja je pretežno lokalizirano kot sestavina organskih spojin - z energijo bogatih fosfatnih spojin, kot je npr. adenozin trifosfat (ATP, univerzalni nosilec energije) in kreatin fosfat (PKr, dobavitelj energije v mišičnem tkivu), Fosfolipidiitd. - v preostalih tkivih, kot npr možganov, jetra in mišice. V zunajceličnem prostoru je le približno 0.1% telesnega fosforja [2, 5, 7-9, 11, 15, 18, 25, 27]. Približno 1.2 g (0.2–5%) celotne zaloge fosforja se zlahka zamenja in presnovi do desetkrat na dan, pri čemer se presnova fosfata najpočasneje možganov in najhitrejši v kri celice - eritrocitov (rdeče krvne celice), levkociti (bela kri celice), trombociti (trombociti). V telesnih tekočinah, fosfor je prisoten v približno 30% anorganski obliki, predvsem kot dvovalentni (dvovalentni) vodik fosfat (HPO42-) in monovalentni (monovalentni) dihidrogen fosfat (H2PO4-). Poleg tega obstajajo organske fosfatne spojine, kot so fosfatni estri, na lipide vezani in na beljakovine vezani fosfat. Pri fiziološkem pH 7.4 je razmerje HPO42- do H2PO4- 4: 1. Če pH naraste, se protoni (ioni H +), vezani na fosfat, vse bolj sproščajo v okolje, tako da se pod močno alkalnimi pogoji (pH = 13), najdemo predvsem PO43- in HPO42-. V nasprotju s tem v močno kislih pogojih (pH = 1) prevladujejo H3PO4 in H2PO4, saj fosfor vedno bolj odvaja ione H + iz okolja in jih veže. Tako fosfor deluje kot dihidrogen fosfat-hidrogenfosfatni sistem (H2PO4- ↔ H + + HPO42-) znotraj kislinsko-bazične ravnovesje kot medpomnilnik v celici, v kri plazmi kot tudi v urinu (→ vzdrževanje pH). Skupni fosfor v krvi je približno 13 mmol / l (400 mg / l). Anorganski fosfat v krvni plazmi (odrasli 0.8-1.4 mmol / l [2, 7, 25-27]; otroci 1.29-2.26 mmol / l) je 45% kompleksiran, 43% ioniziran in 12% vezan na beljakovin. Med organske fosfatne spojine v krvi spadajo lipoproteini (agregati lipidov in beljakovin) plazme in Fosfolipidi of eritrocitov (rdeče krvne celice). Na koncentracijo serumskega fosfata vplivajo naslednji dejavniki:

  • Cirkadiani (telesni periodični ritem) - koncentracija fosfata v serumu je najnižja zjutraj / zjutraj in najvišja popoldne / zvečer
  • Biološka starost
    • Dojenčki, majhni otroci in šolarji imajo znatno višjo koncentracijo fosfata v krvi kot odrasli (→ mineralizacija kosti).
    • S starostjo opazimo zmanjšanje koncentracije fosfata v serumu - v nasprotju s koncentracijo kalcija, ki je v razmeroma ozkih mejah in enaka skozi celo življenje
  • Spol
  • Kakovost in količina vnosa hrane
    • Vrsta in količina fosfatnih spojin
    • Razmerje zaviranja resorpcije do dejavnikov, ki spodbujajo resorpcijo.
    • Prekomerni vnos ogljikovih hidratov - lahko, zlasti pri diabetični ketoacidozi (huda presnovna iztiritev (prekomerna zakisanost) v odsotnosti inzulina zaradi prekomerne koncentracije ketonskih teles (organskih kislin) v krvi) ali ponovna uvedba (ponovni vnos hrane) po hudi podhranjenosti (podhranjenost) ), vodijo do padca koncentracije fosfatov zunaj celic (zunaj celic) - hipofosfatemija (pomanjkanje fosfata) - ker se zaradi povečane znotrajcelične (znotraj celic) glikolize (razgradnja ogljikovih hidratov) povečajo fosfatni estri, kot je ATP za reakcije fosforilacije (vezava fosfatna skupina v molekulo) in ADP (adenozin difosfat) za sintezo ATP, ki se odvzameta iz krvi
  • Količina fosfata, ki ga telo absorbira in izloči.
  • Hormonsko interakcije - obščitnični hormon, kalcitriol, kalcitonin in drugih hormoni (glej spodaj).
  • Sprememba porazdelitve fosfatov med znotrajceličnim in zunajceličnim prostorom, na primer pri zlorabi alkohola (zloraba alkohola) in po prekomernem (prekomernem) vnosu ogljikovih hidratov, kar lahko povzroči povečanje znotrajceličnega in zmanjšanje vsebnosti zunajceličnega fosfata zaradi povečane glikolize - odvisno glede vzroka se lahko pojavijo nihanja (nihanja) do 2 mg / dl, ki ne odražajo nujno premajhne ali prekomerne ponudbe oz.

Zaradi včasih močnega vpliva zgoraj naštetih mehanizmov raven serumskega fosfata ni primeren ukrep za določanje celotne zaloge fosforja v telesu.

Izločanje

Izločanje fosfata poteka 60-80% skozi ledvice in 20-40% z blatom (blato). Fosfat, ki se izloča z blatom, znaša od 0.9 do 4 mg / kg telesne teže. Od tega je večina (~ 70-80%) črevesno neabsorbiranega fosforja, manjši odstotek pa fosforja, ki se izloči (izloči) v prebavni trakt. v ledvice, fosfat se filtrira (140-250 mmol / dan) v glomerulih (kapilare vaskularni zapleti ledvice) in - v cotransport z natrijev ioni (Na +) - se v 80-85% reabsorbirajo v proksimalnem tubulu (glavni del ledvičnih tubulov). Količina ledvično izločenih (izločenih preko ledvice) fosfat je odvisen od serumskega fosfata koncentracija - pozitivna korelacija s privzemom fosfata (večji kot je vnos, večja je koncentracija fosfata v krvi) - in s količino fosfata, ki se tubularno reabsorbira. Če količina filtriranega fosfata preseže transportni maksimum proksimalnega tubula, se fosfat pojavi v urinu, to velja za vsebnost fosfata v krvni plazmi> 1 mmol / l, ki je pri zdravih posameznikih že presežena. Pri dojenčkih je zlasti sposobnost izločanja fosfata skozi ledvice še nizka zaradi še nerazvite ledvične funkcije. Skladno s tem Materino mleko ima nizko vsebnost fosforja. Za količinsko določitev izločanja fosfata skozi led je potrebno zbiranje 24-urnega urina, ker je pri izločanju ledvic fosfat odvisen od dnevnega in nočnega ritma - jutranji / jutranji urinski fosfat koncentracija je najnižja, popoldne / zvečer najvišja. V fizioloških pogojih (normalno za presnovo) se v urinu v urinu izloči 310-1,240 mg (10-40 mmol) fosfata. Obstaja več znakov, dafruktoza prehrana-20% celotne energije v obliki fruktoza (sadje sladkorja) -poveča izgubo fosfata v urinu in povzroči negativni fosfat ravnovesje (izločanje fosfatov presega vnos fosfata). A prehrana nizko v magnezijev hkrati okrepi ta učinek. Vzrok naj bi bil manjkajoči mehanizem povratnih informacij v fruktoza metabolizem, tako da se iz fruktoze v nadomestni količini sintetizira (tvori) fruktoza-1-fosfat jetra s porabo fosfata in se kopiči v celici - "ujemanje fosfatov". Ker je poraba fruktoze v Nemčiji strmo narasla od uvedbe fruktoznega sirupa oz glukoze-fruktozni sirup (koruza sirup) - s hkratnim upadom v magnezijev vnos - ta interakcija hranil postaja vse bolj pomembna. Proces izločanja fosfata skozi ledvice ali absorpcije tubularnega fosfata je hormonsko nadzorovan. Medtem obščitnični hormon (peptidni hormon, sintetiziran v obščitnična žleza), kalcitonin (peptidni hormon, sintetiziran v celicah C Ščitnica), estrogen (steroidni hormon, ženski spolni hormon) in tiroksin (T4, ščitnični hormon) poveča izločanje fosfatov skozi ledvice, zmanjša ga rastni hormon, insulina (kri sladkorja-peptidni hormon) in Kortizol (glukokortikoid, ki aktivira katabolične (razgradne) presnovne procese). Spodbujevalni učinek na izločanje fosfata skozi ledvice ima tudi povečan vnos kalcija in acidoza (hiperacidnost telesa, pH krvi <7.35).

Hormonska regulacija fosfatne homeostaze

Uravnavanje fosfatne homeostaze je pod hormonskim nadzorom in poteka predvsem skozi ledvice. Poleg tega kost sodeluje tudi pri uravnavanju ravnovesja fosfatov zaradi svoje fiziološke funkcije kot zaloge mineralov Tanko črevo. Presnovo fosfata uravnavajo različni hormoni, med katerimi so najpomembnejši:

  • Paratiroidni hormon (PTH)
  • Kalcitriol (1,25-dihidroksilholekalciferol, 1,25- (OH) 2-D3)
  • Kalcitonina

Našteti hormoni vplivajo na sproščanje ali absorpcijo fosfata v kosti, absorpcijo fosfata v črevesju oziroma na izločanje fosfata skozi ledvice. Presnova anorganskega fosfata je tesno povezana s presnovo kalcija. Paratiroidni hormon in kalcitriol

Ko koncentracija kalcija v serumu pade - zaradi nezadostnega vnosa, povečanih izgub ali zmanjšane absorpcije v črevesju zaradi prekomernega vnosa fosfata (→ tvorba netopnega kompleksa kalcijevega fosfata) ali prekomerne ravni fosfatov v krvni plazmi (→ blokada ledvic Sinteza 1,25- (OH) 2-D3) - obščitnični hormon (PTH) se vse bolj sintetizira v obščitničnih celicah in izloča (izloča) v krvni obtok. PTH doseže ledvice in spodbuja ekspresijo 1-alfa-hidroksilaze (encima, ki v molekulo vstavi hidroksilno (OH) skupino) v proksimalnem tubulu (glavni del ledvičnih tubulov), s čimer pretvori 25-OH-D3 (25 -hidroksiholekalciferol, kalcidiol) v 1,25- (OH) 2-D3, biološko aktivno obliko vitamin D [1-4, 14, 15, 18, 25, 27]. Na kosti PTH in 1,25- (OH) 2-D3 spodbujata aktivnost osteoklastov, ki vodi do razgradnje kostne snovi. Ker se kalcij v skeletnem sistemu shrani v obliki hidroksiapatita (Ca10 (PO4) 6 (OH) 2), se kalcijevi in ​​fosfatni ioni hkrati sproščajo iz kosti in sproščajo v zunajcelični prostor [1-3, 15, 16, 18 ]. Na mejni membrani krtače dvanajstnik in jejunuma, 1,25- (OH) 2-D3 spodbuja aktivno transcelularno reabsorpcijo kalcija in fosfata in s tem transport obeh minerali v zunajcelični prostor [1-4, 15, 16, 18, 25, 27]. V ledvicah PTH zavira reabsorpcijo tubularnega fosfata, hkrati pa spodbuja tubularno reabsorpcijo kalcija. Nazadnje pride do povečanega izločanja fosfata skozi ledvice, ki se nabere v krvi z mobilizacijo iz kosti in reabsorpcijo iz črevesja. Zmanjšanje ravni serumskega fosfata na eni strani preprečuje obarjanje kalcijevega fosfata v tkivih, na drugi strani pa spodbuja sproščanje kalcija iz kosti - v korist serumskega kalcija koncentracija [1-3, 15, 16, 18, 27]. Rezultat učinkov PTH in kalcitriola na gibanje kalcija in fosfata med posameznimi predelki (deli telesa, razmejeni z biomembrano) je povečanje zunajcelične koncentracije kalcija in znižanje ravni serumskega fosfata. Pri bolnikih z kronična ledvična insuficienca (kronično odpoved ledvic), se hitrost glomerulne filtracije zmanjša, kar povzroči nezadostno izločanje fosfata in nezadostno reabsorpcijo kalcija. Rezultat je zmanjšana koncentracija kalcija v serumu (hipokalcemija) in povečana vsebnost fosfatov v krvni plazmi (hiperfosfatemija (presežek fosfatov)). Nazadnje pride do povečanega izločanja sekundarnega PTH hiperparatiroidizem (hiperfunkcija obščitnice) - ki povzroča zgoraj naštete učinke na ledvice, črevesje in kosti (→ povečana mobilizacija kalcijevega fosfata poveča tveganje za osteoporoza (izguba kosti)). Vendar pa zaradi motenega delovanja ledvic povečane koncentracije fosfata v serumu ni mogoče normalizirati s PTH. Če se raven serumskega fosfata dvigne nad 7 mmol / l, se fosfat združi s kalcijem in tvori slabo topen, ne absorbirajoč kompleks kalcijevega fosfata, kar poslabša padec ravni kalcija v serumu in je povezano s kalcifikacijo (usedline kalcija) v zunajkostnih (zunaj kosti), kot je kri plovila, ledvice (→ nefrokalcinoza), spoji, in mišice, sčasoma pa jih lahko spremlja reaktivno vnetje in nekroza prizadetega tkiva (→ patološka celična smrt). Tako je treba pri obstoječi ledvični insuficienci vnos fosfatov s hrano omejiti na 800-1,000 mg / dan in, odvisno od resnosti bolezni, dodatno uporabo fosfatnih veziv (droge ki odstranjujejo fosfat iz absorpcije s kompleksiranjem), kot je kalcij soli, je označeno (označeno). V preteklosti, aluminij spojine so pogosto uporabljali za zaviranje absorpcije fosfatov pri bolnikih z nezadostno ledvico. Dandanes te spojine v glavnem nadomeščajo kalcijev karbonat, od aluminij ima toksični (strupeni) učinek v večjih količinah. Dolgotrajno povišana raven kalcitriola v serumu vodi do zaviranja sinteze in proliferacije PTH (rasti in razmnoževanja) obščitničnih celic - negativne povratne informacije. Ta mehanizem poteka preko receptorjev vitamina D3 obščitničnih celic. Če kalcitriol zaseda te receptorje, specifične zase, lahko vitamin vpliva na presnovo ciljnega organa. Kalcitonin

Povečanje koncentracije kalcija v serumu povzroči, da celice C ščitnice sintetizirajo in izločajo (izločajo) povečane količine kalcitonina. Na kosti kalcitonin zavira aktivnost osteoklastov in s tem razgradnjo kostnega tkiva ter spodbuja odlaganje kalcija in fosfata v okostje. V dvanajstniku (Tanko črevo) in jejunuma (prazno črevo), peptidni hormon zmanjša aktivno absorpcijo kalcija in fosfata v enterocite (celice tankega črevesa epitelija). Hkrati kalcitonin spodbuja izločanje kalcija in fosfata v ledvicah z zaviranjem tubulne reabsorpcije. S temi mehanizmi kalcitonin vodi do znižanja koncentracije kalcija in fosfata v serumu. Kalcitonin predstavlja neposrednega antagonista (nasprotnika) PTH. Ko se torej poveča zunajcelični prosti kalcij, se sinteza in izločanje PTH iz obščitnična žleza in s PTH povzročena proizvodnja 1,25- (OH) 2-D3 ledvic se zmanjša. Posledica tega je zmanjšana mobilizacija kalcijevega fosfata iz kosti, zmanjšana reabsorpcija kalcija in fosfata v črevesju ter zmanjšana tubularna reabsorpcija kalcija, kar povzroči povečano izločanje kalcija skozi ledvice. mehanizem delovanja kalcitonina - je zmanjšanje zunajcelične koncentracije prostega kalcija in ravni serumskega fosfata. Hormonska regulacija metabolizma fosfatov omogoča prilagajanje spreminjajočim se nivojem vnosa fosfatov ali toleranco na razmeroma visoke ravni fosfata, kar je bistvenega pomena, ker dnevni vnos fosfatov Nemcev in Nemk - v povprečju 1,240–1,350 mg / dan - presega priporočila 700 mg / dan. Za razliko od kalcija, katerega koncentracija v serumu je konstantna v razmeroma ozkih mejah, je fosfatna homeostaza manj natančno regulirana [6-8, 15, 18, 27].