METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE François-Xavier MAQUART Laboratoire de Biochimie et Biologie Moléculaire, CNRS UMR 6237, Faculté de Médecine de Reims

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

FONCTIONS DU CALCIUM Ca++ Second messager Adhésion intracellulaire Cofacteur enzymatique Excitabilité neuromusculaire Squelette

CONCENTRATIONS DE CALCIUM DANS LES COMPARTIMENTS TISSULAIRES Liquides interstitiels [Ca++] = 10-3 mol/L Cytoplasme : [Ca++] = 10-7 mol/L Tubules du réticulum endoplasmique [Ca++] = 10-3 mol/L

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

REPARTITION DU CALCIUM DANS L’ORGANISME Adulte 70 kg  environ 1100g de calcium Échanges avec le squelette Apport alimentaire (environ 1g/24h) « Pool » calcique mobilisable (5000 mg) OS 1095 g 500 mg/24h Plasma (350 mg) Liquides Interstitiels (1000 mg) Tissus mous, Surfaces osseuses (3650 mg) Absorption digestive (environ 450 mg/24h) 500 mg/24h Élimination Fécale (environ 550 mg/24h) Secrétions -secrétions digestives : (150 mg/24h) -urines (250 mg/24h) -sueur (50 mg/24h)

FORMES DU CALCIUM PLASMATIQUE Plasma : Calcémie = 2,5 mmol/L (100 mg/L) Calcium ionisé (Ca++ libre) : 60 % (1,5 mmol/L) Calcium lié aux protéines, non ionisé : 35 % (0,9 mmol/L) Calcium lié aux acides, non ionisé : 5 % (0,1 mmol/L) Ex : citrate : O Prot C Ca C CH2 O Ca HO COOH

REPARTITION DES PHOSPHATES DANS L’ORGANISME Adulte 70 Kg : 500 à 600 g de phosphate  85 % (= 450-500 g) dans le squelette Élimination essentiellement par l’urine Variations très liées au calcium

Arret 25.10.09

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

REGULATION HORMONALE DU METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE But : Maintien de la calcémie à 2,5 mmol/L  [Ca++] = 1,5 mmol/L Sites de régulation : -Absorption intestinale -Élimination urinaire -Échanges Os Pool mobilisable

REPARTITION DU CALCIUM DANS L’ORGANISME REGULATION HORMONALE Échanges avec le squelette Apport alimentaire (environ 1g/24h) « Pool » calcique mobilisable (5000 mg) OS 1095 g 500 mg/24h Plasma (350 mg) Liquides Interstitiels (1000 mg) Tissus mous, Surfaces osseuses (3650 mg) Absorption digestive (environ 450 mg/24h) 500 mg/24h Élimination Fécale (environ 550 mg/24h) Secrétions -secrétions digestives : (150 mg/24h) -urines (250 mg/24h) (+++) -sueur (50 mg/24h)

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

(dérive du cholestérol) LES VITAMINES D Liposolubles Origine : lait, beurre, œufs, huiles d’animaux marins (« huile de foie de morue », phoque, baleine) -Initialement : 3 types (D1, D2, D3) Vit. D1 : n’existe pas (contaminant) Vit. D2 : produite par un champignon (ergot de seigle) Vit. D3 : mammifères Structure : (dérive du cholestérol)

CHOLESTEROL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

ORIGINE DE LA VITAMINE D3 1-Alimentation +++ 2-Synthèse endogène, à partir du 7-déhydro-cholestérol (toujours insuffisante)

SYNTHESE ENDOGENE DE VITAMINE D3 = couche basale de l’épiderme lumière hn 7-déhydro -cholestérol Pré-vitamine-D3 (tachystérol) Vitamine D3 (cholécalciférol)

VITAMINE D3

TRANSFORMATIONS DE LA VITAMINE D3 (CHOLECALCIFEROL) Passage dans le sang Transport par D3-Binding Protein (D3-BP) 25-hydroxy-cholécalciférol (CALCIDIOL) Transport par D3-Binding Protein 1,25-di-hydroxy-cholécalciférol (CALCITRIOL) EPIDERME (synthèse endogène) FOIE REIN CELLULES-CIBLES INTESTIN (alimentation) 25-hydroxylase 1-hydroxylase

MODE D’ACTION DU CALCITRIOL D3/D3BP D3 Cytoplasme D3 Récepteur nucléaire noyau gènes-cibles + mRNA Synthèse de calbindines (Ca-BP)

RECEPTEUR NUCLEAIRE DU CALCITRIOL = Hétérodimère 1 sous-unité spécifique du calcitriol (D3-R) 1 sous-unité non spécifique (RxR) Complexe ternaire : Calcitriol (1,25-diOH-D3) D3-R RxR Fixation sur éléments de promoteur (s) AGGTCAnnAGGTCA Activation de la transcription

RECEPTEURS DES HORMONES STEROIDIENNES Domaine activateur de la transcription Domaine de liaison à l’ADN Zone charnière Domaine de reconnaissance de l’hormone H ADN double brin

CALBINDINES, Ca-BP Protéines intracellulaires, 90 kDa Exprimées dans les cellules intestinales Permettent le transport de Ca++ de la lumière intestinale vers le sang

EFFETS BIOLOGIQUES DU CALCITRIOL 1- Intestin :  stimule l’absorption du Ca++ (Calbindines) 2- Os :  stimule la résorption osseuse par les ostéoclastes  Inhibe la production de matrice extracellulaire par les ostéoblastes 3- Rein :  Stimule la réabsorption tubulaire de Ca++ (mécanisme analogue à l’intestin) ROLE HYPERCALCEMIANT

AUTRES DERIVES HYDROXYLES DE LA VITAMINE D3 Nombreux dérivés hydroxylés en d’autres sites le principal : 24,25-dihydroxy-D3 Produit par ostéoblastes et chondrocytes Antagoniste du calcitriol au niveau de l’os : Stimule croissance osseuse et minéralisation Stimule croissance du cartilage  Neutralise les effets délétères du calcitriol au niveau de l’os

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

PARATHORMONE : STRUCTURE = polypeptide 84 AA, MM = 8,5 kDa 1 34 84 H2N COOH Activité biologique

PARATHORMONE : METABOLISME Synthèse : glandes parathyroïdes

PARATHORMONE : METABOLISME Synthèse : cellules parathyroïdiennes mRNA 1 25 31 115 Pré-pro-PTH (MM = 12,5 kDa) Pro-PTH (MM = 9 kDa) PTH (MM = 8,5 kDa) H2N COOH signalase Sequence signal 1 6 90 H2N COOH peptidase Propeptide N-terminal 1 84 H2N COOH sécrétion plasma Cellules-cibles Dégradation : très rapide (1/2 vie = 20 min)

PARATHORMONE : MODE D’ACTION PTH circulante Liaison à récepteur spécifique de la membrane cellulaire (PTH-R, 70 kDa) Association Récepteur – Protéine G – Adénylate cyclase Activation de l’adénylate cyclase AMPc intracellulaire Activation de protéines-kinases A Ouverture de canaux calciques membranaires cAMP-dépendants Modulation de l’activité d’enzymes ou de la transcription de gènes cibles [Ca ++] intracellulaire EFFET HORMONAL

ACTIVATION DE L’ADENYLATE CYCLASE PAR LA PTH

ACTIVATION DE LA VOIE PHOSPHOLIPASE C PAR LA PARATHORMONE PTH PTH-R PIP2 Inositol tris-phosphate (IP3) Activation de la Phospholipase C Diacylglycérol Ouverture des canaux calciques du R.E.G. Activation de protéines-kinases C Augmentation de [Ca ++]i Phosphorylation de protéines EFFET HORMONAL

EFFETS BIOLOGIQUES DE LA PARATHORMONE 1- Os : 2- Rein : 1.1 : Stimule la prolifération des ostéoclastes 1.2 : Stimule la production de collagénase 1.3 : Diminue la production de collagène  lyse osseuse 2.1 : Stimule la 1-hydroxylase  formation de calcitriol  augmente l’absorption intestinale du calcium 2.2 : Augmente la réabsorption de calcium par les cellules tubulaires (réabsorption de diminue) P AU TOTAL : EFFET HYPERCALCEMIANT (surtout aux dépends du squelette)

PATHOLOGIE PARATHYROIDIENNE Hyperparathyroïdies : [PTH] (N = 4 à 8 µg/L de plasma) -Tumeur des parathyroïdes - Insuffisance rénale («fuite» urinaire de calcium stimulation de la sécrétion de PTH) - Syndromes paranéoplasiques (peptides « PTH-like ») - Hypoparathyroïdies : [PTH] - Maladies auto-immunes - Chirurgie - Mutations du récepteur (  «pseudo-hypoparathyroïdie»)

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CALCITONINE Structure : - polypeptide 32 AA (3,5 kDa) - une seule chaîne polypeptidique - structure en boucle, maintenue par un pont disulfure -S-S- H2N COOH Synthèse : - Cellules parafolliculaires de la thyroïde (= cellules C)

CALCITONINE Structure : - polypeptide 32 AA - une seule chaîne polypeptidique - structure en boucle, maintenue par un pont disulfure -S-S- H2N COOH Synthèse : Cellules parafolliculaires de la thyroïde (= cellules C)

EFFETS BIOLOGIQUES DE LA CALCITONINE 1) Rein (+++) - Stimule l’excrétion du calcium et des phosphates 2) Os - Inhibe l’activité des ostéoclastes - Stimule l’activité des ostéoblastes - Active les phosphodiestérases de la surface de l’os  augmente la concentration locale en phosphates  favorise la minéralisation } Augmente la matrice osseuse AU TOTAL : EFFET HYPOCALCEMIANT (surtout au profit du squelette)

REGULATION DES TAUX DE SECRETION DE PARATHORMONE ET CALCITONINE = Récepteur calcique, sensible à la concentration de Ca++ extracellulaire. Sécrétion de PTH (%) Sécrétion de CT (%) 100 100 50 50 [Ca] (mmol/L) 1,25 2,5 3,75 5,0 Calcémie normale

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AUTRES FACTEURS INTERVENANT DANS LE METABOLISME OSSEUX -Hormone thyroïdienne (tri-iodo-thyronine, T3) Stimule l’activité ostéoclastique Cortisol, corticothérapie Inhibe l’activité des ostéoblastes Augmente les récepteurs de PTH Insulin-like Growth Factor-I (IGF-I) Stimule la croissance du cartilage Stimule la croissance du squelette Oestrogènes (Oestradiol) Stimulent l’activité des ostéoblastes (prolifération, sécrétion de collagène) Inhibent la prolifération des ostéoclastes Facteurs facilitant la dégradation de l’os Facteurs facilitant la formation d’os nouveau

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METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

OSTEOPOROSE Définition : -Raréfaction globale du tissu osseux : décalcification + fonte protéique Rapport minéral/organique inchangé Physiopathologie : Déficit de l’activité ostéoblastique

OSTEOPOROSE Os normal Os ostéoporotique

OSTEOPOROSE (2) - Clinique : - douleurs osseuses - déformations du squelette - tassements vertébraux - lésions dentaires (fractures dentinaires, caries) - Radio : - RX : aspect transparent du squelette - IRM (ostéodensitomètrie) : diminution de la densité osseuse - Biologie : - Calcium et phosphate plasmatiques normaux - ostéocalcine plasmatique augmentée - perfusion de calcium  forte augmentation de la calciurie (fixation de calcium défectueuse) - bilan calcique négatif (-50 mg/24h) (perte de la moitié du squelette en 25 ans)

OSTEOPOROSE (3) Étiologie : 1- Ménopause (+++) - déficit en oestrogènes - persistance du cortisol 2- Insuffisance rénale chronique - fuite urinaire de Ca++  sécrétion de PTH 3- Causes rares - ostéoporoses endocriniennes (hyperthyroïdies, hypercorticismes) - scorbut (déficit en Vitamine C) - ostéoporoses d’immobilisation (plâtres, apesanteur)

METABOLISME PHOSPHOCALCIQUE PLAN Introduction : Fonctions du calcium I. Répartition du calcium dans l’organisme Régulation hormonale II.1) Dérivés de la vitamine D3 II.2) Parathormone II.3) Calcitonine II.4) Autres facteurs hormonaux Pathologie du métabolisme phospho-calcique III.1) Ostéoporose III.2) Rachitisme/Ostéomalacie

RACHITISME Définition : - touche l’enfant (chez l’adulte = ostéomalacie) - décalcification isolée (sauf aux stades tardifs) :  le rapport minéral/organique diminue Physiopathologie : - apport de Ca++ insuffisant - l’activité ostéoblastique est normale ou augmentée

RACHITISME (2) Clinique : - Au début  lésions osseuses discrètes : - retard d’ossification - retard d’éruption dentaire - anomalies du squelette : - Évolution  lésions squelettiques graves déformations +++ (irréversibles) - Stade terminal  hypocalcémie - tétanie - convulsions - coma chapelet costal craniotabès Hypertrophie poignets et chevilles (RX  effilement, fissures)

RACHITISME

RACHITISME (3) Étiologie : 1- Rachitismes vitamino-sensibles : - carence en Vitamine D3 +++ - déficit d’ensoleillement + - malabsorption intestinale - régime carencé - grossesse 2- Rachitismes vitamino-résistant : - altération de la synthèse du calcitriol  déficit en 25- hydroxylase (foie)  déficit en 1- hydroxylase (rein)  anomalies du récepteur nucléaire

METABOLISME PHOSPHO-CALCIQUE CONCLUSION -Le métabolisme du calcium est très strictement régulé But : Maintenir la calcémie constante (2,5mmol/L), au détriment du squelette si nécessaire -Nombreuses régulations hormonales -Pathologies graves sur le long terme