골격계와 뼈 칼슘 대사

골격계와 뼈 칼슘 대사

 

 사람의 뼈는 세 가지 중요한 기능을 가진다.

(1) 뼈는 인체의 형태를 유지하는 구조와 강도를 제공한다.

(2) 뼈는 혈액 세포를 생산하는 장소이다.

(3) 뼈는 칼슘을 보관하고 혈액의 칼슘농도 조절에 관여한다.

 칼슘은 인체에서 가장 풍부한 무기염류이다. 그것은 인간의 뼈와 이를 구성하는 단단하고 밀도가 높은 물질인 칼슘포스페이트을 형성하기 위하여 인과 작용한다. 사실, 인체의 골격은 몸 전체 칼슘의 99%를 포함하고 있다. 나머지 칼슘은 혈장의 칼슘 이온이다. 혈장 칼슘은 신경과 근육의 정상적인 기능에 필수적이며 혈액응고와 많은 효소 활성에 기능을 수행한다.

 

 

 

1) 부갑상선과 갑상선 호르몬들은 혈액 칼슘의 균형을 조절한다.

 

 혈장 칼슘 농도는 대개 9~10 mg/dl 정도의 아주 좁은 범위에서 유지될 필요가 있다. 이런 Ca 29 농도의 유지는 매우 중요하여 진화는 혈장 Ca조절 기능을 위한 샘인 부갑상샘 ( parathyroid gland ) 을 만들었다. Ca 농도가 9 mg/dl 아래로 떨어지면, 부갑상샘은 부갑상선 호르몬 ( parathyroid Jocmone ; PTH ) 을 분비한다. 이 호르몬은 뼈에서의 칼슘 분비 증가, 장에서 Ca 흡수 증가, 그리고 신장 세뇨관에서의 Ca재흡수 증가 등에 의해 혈장 Ca를 증가시킨다. Ca 농도가 11~12mg/dl 이상으로 높아지면, 갑상샘은 호르몬인 칼시토닌 ( calcitonin ) 을 분비한다. 칼시토닌은 PTH 와 반대 초과를 가진다. 그것은 뼈에서 칼슘 분비를 억제한다. 칼시토닌은 소장에서의 Ca 흡수와 신장 세뇨관에서의 Ca 재흡수에는 거의 영향을 미치지 않는다. 혈장 Ca 농도가 10~11mg/dl이면 칼시토닌 분비를 자극하지 않는다. 그 대신 이 범위의 혈장 Ca 농도는 요관 배출을 증가시켜 정상 농도로 낮춘다. 

 

2) 호르몬들은 뼈의 무기염류 침착과 재흡수 사이의 균형을 조절한다.

 

 호르몬들은 성인 뼈 조직의 지속적인 분해와 재생 과정인 뼈 리모델링 과정을 조절하는 것에도 도움을 준다. 두 가지 종류의 뼈가 있다. 해면질 뼈 ( trabecular 혹은 스폰지형 ) 과 치밀질 뼈, 해면질 뼈는 많은 혈관이 들어와 있고, 뼈와 혈관의 접촉 표면적을 넓히기 위한 구조를 하고 있다. 즉, Ca 는 해면질 뼈에서는 치밀질 뼈에서 보다 더 쉽게 출입할 수 있다.

 

 뼈의 리모델링에 관여하는 골 세포들은 조골세포 ( osteoblast ), 파골세포 ( osteoclast ), 그리고 좀 더 작은 수의 뼈 세포 ( osteocytes ) 등이 포함된다. PTH 의 반응으로, 파골세포는 Ca 염인 히드록시아파타이트 ( hydroxyapatite ; Ca 12 ( PO ),( OH ) 를 포함하는 콜라겐성 기질을 분해하는 단백질 분해 효소들을 분비한다. 히드록시아파타이드는 뼈의 딱딱함과 강도를 제공한다. 또한 과골 세포는 산 ( acid ) 을 분비하는데, 이 산은 히드록시아파타이트를 다양한 Ca 를 포함하는 비결정질 - 주로 인산칼슘임 로 분해한다.

 이런 비결정성 염의 생산은 두 가지 아주 중요한 기능을 가진다.

첫째, 염은 PTH 에 반응 하여 쉽게 분비될 수 있는 Ca  풀을 제공한다.

둘째, 염은 새로운 뼈 조직을 만드는 조골세포에 의해 사용된다.

파골 세포의 활동에 의해, 뼈 Ca의 재흡수는 히드록시아파타이트 결정에 의해 채워져 있던 뼈에 구멍을 남긴다. 새로운 뼈 조직의 생성이 없 으면, 뼈의 무기염류량은 줄어들 것이고 뼈의 전반적인 강도는 줄어들 것 이다. 새로운 뼈의 형성은 대식세포가 파골세포 활동의 생성물들을 청소하는 동안에 성장인자를 분비함으로써 시작된다. Transforming growth factor - beta ( TGF -β), platelet derived growth factor ( PDGF ), 그리고 insulin - like growth factor 1 과 2 ( IGF - 1 과 IGF - 2 ) 등이 포함된 성장인자들은 전조골세로 ( preosteoblast ) 를 성숙된 조골세포로의 분화를 촉진한다.

 성숙된 조골세포는 주로 콜라겐인 기질물질을 뼈의 무기염류가 없는 부분으로 분비한다. 또한 조골세포는 새로 형성된 기질에 비결정 염류가 침착되는 것을 돕는 효소인 알칼라인 포스파테아제 ( alkaline phosphatase ) 를 분비한다. 2~3개월에 걸쳐, 일련의 과정에 의해 비결정 인산칼슘염 ( CaPO ) 을 하이드록시아파타이트 결정으로 변환시켜, 뼈의 리모델링 과정이 끝난다. 뼈 리모델링은 일생 동안 계속적으로 일어나며 몇 가지 호르몬과 성장인 자들에 의해 조절된다. 초기 성숙단계 ( 사춘기 이전) 동안에 뼈의 성숙이 빠른 것은 성장호르몬, 인슐린, IGF - 1, calcitriol ( 비타민 D ) 등과 같은 성장 촉진 호르몬들과 성장인자들에 의한 조골세포 활성 효과 때문이다.

 

 남성과 여성에서 테스토스테론과 에스트로겐은 사춘기 동안의 뼈 성장을 촉진한다. 테스토스테론은 전조골세포를 조골세포로 분화를 촉진하는 듯 하다. 테스토스테론의 농도가 높은 여성은 사춘기가 시작된 이후에 뼈 성장이 오랫동안 지속되어 뼈 질량이 매우 높다.

 에스트로겐은 두 가지 방식으로 뼈 성장을 촉진한다.

(1) 조골세포의 활성을 촉진하고

(2) 파골세포의 활성을 억제한다.

에스트로겐이 파골세포의 활성을 어떻게 억제하는 지에 대한 정확한 기전은 아직 밝혀져 있지 않았지만, 이 호르몬은 조골세포에서 파골세포의 단백질 분해효소 분비를 억제하는 단백질 ( ostcoprotegerin ) 이 분비되도록 촉진한다고 여겨진다.