МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН И РОЛЬ КАЛЬЦИЙ-СВЯЗЫВАЮЩИХ БЕЛКОВ У ЧЕЛОВЕКА, ЖИВОТНЫХ И ПТИЦ

АННОТАЦИЯ

В публикации представлен научный обзор на минеральный обмен кальция, взаимосвязь витамина D с индукцией экспрессии кальций-связывающих белков: остеокальцин, остеопонтин, кальбидин-D₂₈ₖ, орнитиндекарбоксилазу и 24-гидроксилазу (CYP24A1). В обзоре представлены данные о молекулярных путях регуляции этих белков у человека, сельскохозяйственных животных (крупный рогатый скот, свиньи) и птиц (куры-несушки). Приведены результаты экспериментальных и клинических исследований, подтверждающие значимость оценки кальций-связывающих белков в диагностике и коррекции дефицитных состояний.

ABSTRACT

The publication presents a scientific review on calcium mineral metabolism, the relationship of vitamin D with the induction of calcium-binding proteins expression: osteocalcin, osteopontin, calbindin-D₂₈ₖ, ornithine decarboxylase and 24-hydroxylase (CYP24A1). The review presents data on the molecular pathways of these proteins regulation in humans, farm animals (cattle, pigs) and birds (laying hens). The results of experimental and clinical studies confirming the significance of assessing calcium-binding proteins in the diagnosis and correction of deficiency conditions are presented.

Ключевые слова: минеральный обмен, витамин D, кальций, кальций-связывающие белки, сельскохозяйственные животные, птицы, собаки, кошки.

Keywords: mineral metabolism, vitamin D, calcium, calcium-binding proteins, farm animals, birds, dogs, cats.

Введение

Поддержание стабильной концентрации ионизированного кальция (Ca²⁺) критически важно для всех позвоночных организмов. У человека и животных гомеостаз Ca²⁺ регулируется тесным взаимодействием паращитовидного гормона (ПТГ), кальцитонина и активной формы витамина D — 1,25(OH)₂D₃ (кальцитриола) [1]. У птиц, особенно у кур-несушек, требования к поступлению кальция значительно выше из-за интенсивного формирования яичной скорлупы, что создаёт уникальную физиологическую нагрузку на систему минерального обмена [2].

Кальцитриол функционирует как стероидный гормон: после связывания с ядерным рецептором VDR он формирует гетеродимер с рецептором ретиноидов (RXR) и модулирует транскрипцию генов, содержащих витамин D-ответные элементы (VDRE) [3]. Спектр VDR-зависимых генов включает не только транспортеры кальция, но и белки, участвующие в построение костной ткани, детоксикации метаболитов и саморегуляции активности витамина D [4].

Результаты исследований

В ходе ретроспективного анализа научных источников получены следующие результаты: систематизированы данные о молекулярных механизмах регуляции экспрессии кальций-связывающих белков, их функциональной роли в минерализации и ремоделировании костной ткани, трансэпителиальном транспорте ионов кальция, а также в обеспечении отрицательной обратной связи при метаболизме витамина D. Особое внимание уделено вкладу исследователей в изучение патогенеза рахита, остеопороза и хронической болезни почек в контексте нарушений синтеза и функции кальций-связывающих белков.

Котята и щенки особенно чувствительны к дефициту витамина D из-за ограниченного поступления его с кормом и недостаточной инсоляции в условиях домашнего безвыгульного содержания. Это приводит к снижению абсорбции кальция, гипокальциемии и развитию рахита или остеомаляции [5]. У коров в период лактации возникает повышенный спрос на кальций, что может спровоцировать послеродовую гипокальциемию [6].

Куры-несушки выводят ежедневно до 2 г кальция в составе скорлупы, что составляет около 10 % массы их скелета. Для обеспечения этого процесса активируется медуллярная костная ткань, формируемая под действием эстрогенов и регулируемая витамином D. При недостатке витамина D₃ или нарушении кальциево-фосфорного баланса развивается яичная дистрофия: яйца без скорлупы, с мраморной или слишком тонкой скорлупой [7].

Экспериментально доказано, что добавление 25-гидроксивитамина D₃ в рацион кур эффективнее, чем холекальциферол, поскольку оно минует печеночный метаболизм и обеспечивает более стабильный уровень кальцитриола [8].

Обобщающие данные по нормативным уровням кальция и витамина D у различных биологических видов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Нормы содержания кальция и витамина D в рационе и сыворотке крови у человека и домашних животных

Таблица иллюстрирует как эволюционную консервативность гомеостаза кальция (норма общего кальция в крови у всех видов — 2,0–3,0 ммоль/л), так и видоспецифические различия в потребностях с рациона. Например, у кур-несушек содержание кальция в корме достигает 4 %, что в десятки раз выше, чем у млекопитающих [2, 9]. У лактирующих коров суточная доза витамина D может составлять до 40 000 МЕ для профилактики гипокальциемии [6, 10]. У кошек, как облигатных хищников, синтез витамина D в коже ограничен, поэтому его обязательно включают в рацион [11].

В последние десятилетия существенно расширились представления о спектре белков, регулируемых витамином D. Помимо традиционно известных транспортеров кальция, установлено, что кальцитриол индуцирует синтез белков, участвующих в резорбции и минерализации кости, метаболической инактивации самого витамина D, а также в сопутствующих процессах — например, цикле мочевины. В настоящей статье систематизированы данные о пяти ключевых кальций-связывающих белков (КСБ): остеокальцине, остеопонтине, кальбидине-D₂₈к, орнитинкарбоксилазе и 24-гидроксилазе, с учётом современных исследований российских и зарубежных авторов.

Остеокальцин — неколлагеновый белок костного матрикса, синтезируемый остеобластами. Его функциональная активность обусловлена наличием трёх остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты (Gla), образующихся в результате посттрансляционного карбоксилирования, зависимого от витамина K [13]. Только карбоксилированная форма остеокальцина способна эффективно связывать кристаллы гидроксиапатита и ионы Ca²⁺ [14].

При дефиците витамина D наблюдается снижение синтеза остеокальцина, а при недостатке витамина K — накопление некарбоксилированной формы , что ассоциировано с нарушением минерализации кости, в том числе при рахите у детей [15].

Кроме локального действия в костной ткани, остеокальцин обладает эндокринной активностью: он стимулирует секрецию инсулина β-клетками поджелудочной железы и повышает инсулиновую чувствительность периферических тканей [16].

Остеопонтин — фосфогликопротеин, экспрессируемый остеобластами, остеокластами и иммунными клетками. Благодаря наличию RGD-домена он опосредует адгезию остеокластов к минерализованному матриксу и способствует резорбции кости [17]. В условиях хронического воспаления экспрессия остеопонтина усиливается под действием провоспалительных цитокинов [18].

Кальбидин-D₂₈ₖ (кодируемый геном S100G) — цитозольный белок, экспрессируемый в энтероцитах тонкой кишки и эпителии дистальных почечных канальцев. Он связывает ионы Ca²⁺ и обеспечивает их внутриклеточный транспорт [19].

Индукция экспрессии S100G кальцитриолом через VDR является ключевым механизмом трансэпителиальной абсорбции кальция. При дефиците витамина D эффективность абсорбции кальция снижается до 10–15 %. В экспериментах на грызунах показано, что введение холекальциферола приводит к многократному повышению экспрессии кальбидина в слизистой оболочке тонкой кишки [20].

Орнитиндекарбоксилаза (ODC) — ключевой фермент биосинтеза полиаминов, необходимых для пролиферации и дифференцировки остеобластов. Экспрессия гена ODC1 индуцируется кальцитриолом в печени и почках. Полиамины, синтезируемые под действием ODC, способствуют синтезу костного матрикса и защищают остеобласты от апоптоза [21].

Фермент 24-Гидроксилаза, сложный митохондриальный белок из семейства цитохромов Р450, кодируемая геном CYP24A1, катализирует инактивацию 1,25(OH)₂D₃ до водорастворимых, биологически неактивных метаболитов. Мутации в гене CYP24A1 приводят к наследственному синдрому идиопатической инфантильной гиперкальциемии. В России описаны клинические случаи, подтверждённые молекулярно-генетически, где подобная симптоматика была обусловлена биаллельными патогенными вариантами в CYP24A1 [22,23].

Заключение

Система регуляции минерального обмена под действием витамина D эволюционно консервативна, но проявляет видоспецифические особенности у сельскохозяйственных животных и птиц. Кальций-связывающие белки — остеокальцин, остеопонтин, кальбидин-D₂₈ₖ, орнитиндекарбоксилаза и CYP24A1 — выполняют ключевые функции в абсорбции, транспорте, минерализации и детоксикации. Нарушения в их экспрессии лежат в основе рахита, остеомаляции, гипокальциемии и яичной дистрофии.

Мониторинг уровня кальций-связывающих белков в сыворотке крови и тканях, а также генетическая оценка полиморфизмов CYP24A1, открывают перспективы для персонализированного подбора витаминно-минеральных добавок не только в медицине, но и в ветеринарной практике и птицеводстве.

Список литературы:

1. Holick M. F. Vitamin D deficiency // New England Journal of Medicine. — 2007. — Vol. 357, № 3. — P. 266–281. — DOI: 10.1056/NEJMra070553.
2. Bar A. Calcium transport in strongly calcifying laying birds: mechanisms and regulation // Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology. — 2009. — Vol. 152, № 4. — P. 447–469. — DOI: 10.1016/j.cbpa.2008.12.002.
3. Haussler M. R. et al. Vitamin D receptor (VDR)-mediated actions of 1α,25(OH)₂D₃: genomic and non-genomic mechanisms // Best Practice & Research Clinical Endocrinology & Metabolism. — 2011. — Vol. 25, № 4. — P. 543–559. — DOI: 10.1016/j.beem.2011.05.010.
4. Bikle D. D. Vitamin D metabolism, mechanism of action, and clinical applications // Chemistry & Biology. — 2014. — Vol. 21, № 3. — P. 319–329. — DOI: 10.1016/j.chembiol.2013.12.016.
5. Clarke, K E et al. “Vitamin D metabolism and disorders in dogs and cats.” The Journal of small animal practice vol. 62,11 (2021): 935-947. doi:10.1111/jsap.13401
6. Goff J. P. (2008). The monitoring, prevention, and treatment of milk fever and subclinical hypocalcemia in dairy cows. Veterinary journal (London, England : 1997), 176(1), 50–57.
7. Dacke C. G. et al. Medullary bone and avian calcium regulation // Journal of Experimental Biology. — 1993. — Vol. 184, № 1. — P. 63–88.
8. Jing, Xiaoqing et al. “A Comparison between Vitamin D3 and 25-Hydroxyvitamin D3 on Laying Performance, Eggshell Quality and Ultrastructure, and Plasma Calcium Levels in Late Period Laying Hens.” Animals : an open access journal from MDPI vol. 12,20 2824. 18 Oct. 2022, doi:10.3390/ani12202824
9. NRC. Nutrient Requirements of Poultry. 9th ed. — Washington, DC: National Academies Press, 1994 (revised online, 2023). — 155 p.
10. 1NRC. Nutrient Requirements of Dairy Cattle. 8th ed. — Washington, DC: National Academies Press, 2021. — 852 p.
11. Zafalon, Rafael V A et al. “Vitamin D metabolism in dogs and cats and its relation to diseases not associated with bone metabolism.” Journal of animal physiology and animal nutrition vol. 104,1 (2020): 322-342. doi:10.1111/jpn.13259
12. NRC. Nutrient Requirements of Swine. 11th ed. — Washington, DC: National Academies Press, 2012. — 428 p.
13. Bügel, Susanne. “Vitamin K and bone health.” The Proceedings of the Nutrition Society vol. 62,4 (2003): 839-43. doi:10.1079/PNS2003305
14. Xu, F., Teitelbaum, S. Osteoclasts: New Insights. Bone Res 1, 11–26 (2013). https://doi.org/10.4248/BR201301003
15. Willis, David M et al. “Regulation of osteocalcin gene expression by a novel Ku antigen transcription factor complex.” The Journal of biological chemistry vol. 277,40 (2002): 37280-91. doi:10.1074/jbc.M206482200
16. Lee N. K. et al. Endocrine regulation of energy metabolism by the skeleton // Cell Metabolism. — 2007. — Vol. 6, № 5. — P. 389–398. — DOI: 10.1016/j.cmet.2007.10.002.
17. Sodek J., Ganss B., McKee M. D. Osteopontin // Critical Reviews in Oral Biology & Medicine. — 2000. — Vol. 11, № 3. — P. 279–303. —doi:10.1177/10454411000110030101
18. Si, J., Wang, C., Zhang, D., Wang, B., & Zhou, Y. (2020). Osteopontin in Bone Metabolism and Bone Diseases. Medical science monitor : international medical journal of experimental and clinical research, 26, e919159.
19. Lee, Chien-Te et al. “The role of calbindin-D28k on renal calcium and magnesium handling during treatment with loop and thiazide diuretics.” American journal of physiology. Renal physiology vol. 310,3 (2016): F230-6. doi:10.1152/ajprenal.00057.2015
20. Norman, A.W., Roth, J., & Orci, L. (1982). The vitamin D endocrine system: steroid metabolism, hormone receptors, and biological response (calcium binding proteins). Endocrine reviews, 3 4, 331-66 .
21. Pegg A. E. Regulation of ornithine decarboxylase // Journal of Biological Chemistry. — 2006. — Vol. 281, № 21. — P. 14529–14532. — DOI: 10.1074/jbc.R500031200.
22. Смагина И.В., Лунев К.В., Ельчанинова С.А. Ассоциация содержания витамина D с полиморфизмами генов CYP27B1 и CYP24A1 у больных рассеянным склерозом в Алтайском крае. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. Спецвыпуски. 2020;120(7‑2):61‑66 
23.  Рожинская Л. Я., Пушкарева А. С., Мамедова Е. О., Богданов В. П., Захарова В. В., Иоутси В. А., Белая Ж. Е., Мельниченко Г. А. Паратгормон-независимая гиперкальциемия и гиперкальциурия у пациента с нефролитиазом и нефрокальцинозом, обусловленные нарушением метаболизма витамина d вследствие дефекта гена CYP24A1 // Остеопороз и остеопатии. 2021. №1.