Hormonale Regulation von Calcium und Phosphat
Wie Calcitriol, Parathormon und Calcitonin den Calcium- und Phosphatspiegel im Blut über Darm, Niere und Knochen steuern.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Calcium- und Phosphathaushalt wird von Calcitriol, Parathormon und Calcitonin über Darm, Niere und Knochen gesteuert.
- Nur die Umwandlung von 7-Dehydrocholesterol zu Cholecalciferol (Vitamin \(\ce{D3}\)) läuft ausschließlich in der Haut ab, ausgelöst durch UV-B-Licht.
- Die Leber hydroxyliert Cholecalciferol zu Calcidiol, die Niere bildet daraus das aktive Calcitriol (1,25-Dihydroxycholecalciferol).
- Parathormon aus den Nebenschilddrüsen wird bei niedrigem \(\ce{Ca^2+}\) ausgeschüttet, fördert die renale Phosphatausscheidung und die Calcitriolbildung.
- Calcitonin ist ein Peptidhormon aus den C-Zellen der Schilddrüse und senkt das Plasma-Calcium.
Worum es geht
Calcium und Phosphat bilden das Mineral des Knochens. Zugleich müssen sie im Blut in engen Grenzen bleiben. Drei Hormone regeln diesen Haushalt, und ihre Wirkweise erklärt etwa, warum Vitamin-D-Präparate in der Osteoporosetherapie eingesetzt werden.
Calcium- und Phosphathaushalt
Der Knochen ist der große Mineralspeicher des Körpers. Er enthält rund 99 % des Calciums und etwa 85 % des Phosphats, gebunden als Hydroxyapatit. Im Blutplasma liegt Calcium nur in kleiner Menge vor, etwa 2,2 bis 2,6 mmol/L. Diese Konzentration muss stabil bleiben, denn Nerven, Muskeln und Gerinnung hängen davon ab.
Drei Organe verschieben die Mineralien. Der Darm nimmt sie auf. Die Niere scheidet sie aus oder holt sie zurück. Der Knochen gibt sie ab oder lagert sie ein. Der Knochenumbau ist also auch ein Werkzeug des Mineralhaushalts. Drei Hormone steuern diese Organe:
| Hormon | Bildungsort | Stoffklasse | Anstoß zur Bildung | Plasma-\(\ce{Ca^2+}\) |
|---|---|---|---|---|
| Calcitriol | Niere (Vorstufen aus Haut und Leber) | Steroidhormon (Secosteroid) | PTH, Phosphatmangel | steigt |
| Parathormon (PTH) | Nebenschilddrüsen | Peptidhormon | niedriges \(\ce{Ca^2+}\) | steigt |
| Calcitonin | C-Zellen der Schilddrüse | Peptidhormon | hohes \(\ce{Ca^2+}\) | sinkt |
Vitamin-D-Hormon
Vitamin \(\ce{D3}\) heißt chemisch Cholecalciferol. Der Körper stellt es selbst her, wenn Sonnenlicht auf die Haut fällt. Streng genommen ist es damit ein Hormonvorläufer. Seine Rolle als Nahrungsbestandteil behandelt die Einheit Fett- und wasserlösliche Vitamine.
Ausgangsstoff ist 7-Dehydrocholesterol, ein Cholesterolderivat mit zwei Doppelbindungen im Ring B. Es entsteht aus Cholesterol, und zwar nicht nur in der Haut, sondern auch in der Leber. In den Keratinozyten der Epidermis trifft UV-B-Licht (etwa 290 bis 315 nm) auf das Molekül und öffnet den Ring B. So entsteht Prävitamin \(\ce{D3}\). Körperwärme lagert es danach ohne Enzym zu Cholecalciferol um.
Dieser lichtabhängige Schritt ist der einzige, der ausschließlich in der Haut abläuft. Cholecalciferol selbst ist kaum wirksam. Es gelangt an das Vitamin-D-bindende Protein gekoppelt ins Blut und wird zweimal hydroxyliert:
- Leber: Die 25-Hydroxylase bildet 25-Hydroxycholecalciferol (Calcidiol), die Speicher- und Transportform. Die Haut leistet diesen Schritt nicht.
- Niere: Die 1α-Hydroxylase im proximalen Tubulus bildet 1,25-Dihydroxycholecalciferol, das Calcitriol. Es ist das eigentliche Vitamin-D-Hormon.
- Inaktivierung: Die 24-Hydroxylase setzt Calcidiol zu 24,25-Dihydroxycholecalciferol um. Sie arbeitet in der Niere und in vielen anderen Geweben.
Auch die 1-Hydroxylierung ist nicht an ein einziges Organ gebunden. Makrophagen und andere Zellen leisten sie lokal, das Calcitriol im Blut stammt aber aus der Niere. Die Langerhans-Inseln des Pankreas sind an der Synthese nicht beteiligt, denn sie bilden Insulin und Glucagon. Calcitriol wirkt wie andere Steroidhormone über einen Kernrezeptor. Im Darm steigert es die Aufnahme von Calcium und Phosphat, im Knochen fördert es die Mineralisierung.
Parathormon
Parathormon (PTH) ist ein Peptidhormon aus 84 Aminosäuren. Es stammt aus den vier Nebenschilddrüsen, kleinen Epithelkörperchen hinter der Schilddrüse. Ihre Zellen messen das Plasma-Calcium mit einem Calcium-sensitiven Rezeptor. Sinkt die \(\ce{Ca^2+}\)-Konzentration, schütten sie PTH aus. Steigt sie wieder, bremst das die Ausschüttung.
PTH greift an mehreren Stellen an:
- Knochen: PTH aktiviert über die Osteoblasten indirekt die Osteoklasten. Diese lösen Mineral und setzen Calcium und Phosphat frei.
- Niere, distaler Tubulus: Die Rückresorption von Calcium steigt.
- Niere, proximaler Tubulus: PTH hemmt die Rückresorption von Phosphat. Die renale Phosphatausscheidung nimmt zu.
- Niere, Hormonbildung: PTH stimuliert die 1α-Hydroxylase. Es fördert so die Bildung von Calcitriol, das im Darm die Calciumaufnahme steigert.
Der Phosphateffekt hat einen Sinn. Calcium und Phosphat fallen bei hohem Ionenprodukt als Calciumphosphat aus. Gäbe der Knochen beides ins Blut und hielte die Niere beides zurück, würde ein Teil des Calciums gleich wieder ausfallen. Die vermehrte Phosphatausscheidung verhindert das, sodass das ionisierte Calcium wirklich ansteigt. Die Transportvorgänge selbst erklärt die Einheit Rückresorption im Tubulus.
PTH: Calcium rauf, Phosphat runter. Netto hebt es das Plasma-Calcium und senkt das Plasma-Phosphat.
Calcitonin
Calcitonin ist der Gegenspieler des PTH. Es wird hauptsächlich in der Schilddrüse gebildet, genauer in den parafollikulären C-Zellen. Sie liegen zwischen den Follikeln, die Thyroxin bilden. Mehr dazu steht unter Schilddrüse: Bau und Hormonbildung. Ein hoher Calciumspiegel löst die Ausschüttung aus. Calcitonin hemmt dann die Osteoklasten und senkt das Plasma-Calcium. Beim Menschen ist dieser Effekt eher schwach.
Chemisch ist Calcitonin ein Peptidhormon aus 32 Aminosäuren. Anders als Calcitriol gehört es also nicht zu den Steroidhormonen, obwohl beide den Calciumhaushalt regeln.
Der Name klingt nach Calcium-Bindung, doch Calcitonin ist ein Hormon im Blut. Calcium bindet bei der Muskelkontraktion an Troponin C im Skelettmuskel und an Calmodulin im glatten Muskel (siehe elektromechanische Kopplung).
Quiz
Aussage 1
Calcitonin ist ein Peptidhormon, das vor allem von den C-Zellen der Schilddrüse gebildet wird.
Calcitonin stammt aus den parafollikulären C-Zellen und ist ein Peptid aus 32 Aminosäuren, kein Steroidhormon.
Aussage 2
Parathormon hemmt die Phosphatrückresorption im proximalen Tubulus und steigert so die Phosphatausscheidung im Harn.
Die vermehrte renale Phosphatausscheidung verhindert, dass freigesetztes Calcium als Calciumphosphat ausfällt.
Aussage 3
Parathormon hemmt die 1α-Hydroxylase und senkt damit die Calcitriolbildung in der Niere.
Parathormon stimuliert die 1α-Hydroxylase und fördert so die Calcitriolbildung.
Aussage 4
Cholecalciferol wird bereits in der Haut zu 25-Hydroxycholecalciferol umgesetzt.
Die 25-Hydroxylierung erfolgt in der Leber, nicht in der Haut.
Aussage 5
Die lichtabhängige Bildung von Cholecalciferol aus 7-Dehydrocholesterol findet nur in der Haut statt.
UV-B öffnet den Ring B nur in der Haut. Alle anderen Syntheseschritte laufen auch oder ausschließlich in anderen Organen ab.
Aussage 6
Ein Anstieg der \(\ce{Ca^2+}\)-Konzentration im Plasma regt die Nebenschilddrüsen zur PTH-Ausschüttung an.
PTH wird bei zu niedrigem Plasma-Calcium ausgeschüttet. Ein hoher Spiegel bremst die Ausschüttung.
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