Calcium, Parathyroid Hormone,

and Vitamin D

Ahmed Ziada PGY4

August 21st, 2013

 Objectives:   

•  Calcium Homeostasis and hormonal regulation of calcium homeostasis               

• Identify the origin, target organs and cell types, and physiologic effects of parathyroid hormone                    

• Regulation of parathyroid hormone secretion and the role of the calcium-sensing receptor

• Identify the sources of vitamin D and describe the biosynthetic pathway involved in modifying it to its biologically active form                   

• Identify the target organs and cellular mechanisms of action of vitamin D.  

Calcium HomeostasisBackground• Calcium is the fifth most abundant element and is the most 

prevalent cation in the human body

•  Approximately 1-1.3 kg of calcium can be found in a healthy adult, 99% of which is in the form of hydroxyapatite in the skeleton; the remaining 1% is contained in the ECF

• Calcium is essential for bone mineralization, neuromuscular function, and secretion of hormones and enzymes

• Because Ca is not made in the body, a diet that contains Ca is essential to maintain normal serum Ca ( yogurt, cheese, eggs, milk, spinach, fish, okra, broccoli, almonds, sesame seeds, and peas)

Calcium Homeostasis

• Serum (plasma) calcium exists in 3 distinct forms

Calcium Concentrations in Body Fluids

Total serum calcium 2.1-2.6 mmol/L

Ionized calcium 1.1-1.3 mmol/L

Protein-bound calcium 0.9-1.1 mmol/L

Complexed calcium 0.18 mmol/L

Intracellular free calcium 0.00018 mmol/L (180 nmol/L)

Calcium Homeostasis

• The resting intracellular (cytosolic) calcium concentration is approximately 100 nM, but this can increase to 1 mM by the release of Ca2+ from intracellular stores or by uptake of extracellular Ca2+ in response to cellular activation

• The extracellular ionized calcium concentration is approximately 10,000-fold higher than the intracellular calcium concentration and remains virtually constant at approximately 1 mM

Calcium Homeostasis

Control of Calcium Homeostasis

• The extracellular fluid (or plasma) calcium concentration is tightly controlled by a complex homeostatic mechanism involving fluxes of calcium between the ECF and the kidney, bone, and gut

•  These fluxes are carefully regulated by three major hormones: parathyroid hormone (PTH), calcitonin, and 1,25-dihydroxyvitamin D [1,25(OH)2D3]

• Important cellular functions are dependent on the maintenance of the extracellular calcium concentration within a narrow range 

•  Disturbances of this tightly regulated homeostatic system leads to disorders of calcium metabolism that have predictable effects, which can be ascribed to effect on these cellular functions

Calcium Homeostasis• An average Western diet provides a 

calcium intake of  1 g of elemental ∼calcium per day

•  Typically,  30% (300 mg) is absorbed, the ∼majority across the small intestine and a small percentage in the colon

•  Because gut secretion of calcium is relatively constant at 125 mg per day, the net calcium absorption is  175 mg per day ∼for a healthy adult in normal calcium balance

•  Calcium absorbed from the gut enters the blood and is filtered by the kidney.The majority of filtered calcium (>98%) is reabsorbed ; thus, only 175 mg per day is excreted in healthy individuals

Interaction of Bone, Kidney and Intestine in Maintaining Calcium Homeostasis

Calcium Homeostasis

Hormonal Effects on Calcium Homeostasis

• Blood ionized calcium concentrations are remarkably stable in healthy individuals because of the homeostatic system involving the actions of the three calciotropic hormones on the target organs of bone, gut, and kidney, and possibly also on fluxes between the bone canalicular fluid and the ECF 

•  Normal calcium homeostasis is primarily dependent on the interactions of PTH, 1,25(OH)2D3, and calcitonin on these organs to maintain the ionized calcium concentration within a very narrow range

Calcium Homeostasis

• The challenge of the cellular calcium is to maintain a cytosolic [Ca2+] of about 100 nmol/L, about 10,000-fold less than what is present outside cells (~1.0 mmol/L), providing for rapid fluxes through the intracellular compartment as required for regulation while maintaining a large gradient across the cell membrane

• The calcium gradient across the cell membrane is maintained by ATP-dependent calcium pumps, Na+-Ca2+ exchangers, and the storage of calcium within intracellular sites

Calcium Homeostasis

• Calcium can enter cells through several types of calcium channels, some of which are voltage operated or receptor operated, to provide for rapid influx in response to depolarization or receptor stimulation

• The cell also maintains large stores of calcium in microsomal and mitochondrial pools

Hormonal Effects on Calcium Homeostasis

Schematic diagram of calcium homeostasis

Parathyroid Hormon

Anatomy of the Parathyroid Glands• PTH is secreted from four glands located adjacent to the thyroid 

gland in the neck

• The glands weigh an average of 40 mg each. The two superior glands are usually found near the posterior aspect of the thyroid capsule

•  the inferior glands are most often located near the inferior thyroid margin

•  However, the exact location of the glands is variable, and 12% to 15% of normal persons have a fifth parathyroid gland

PTH

• PTH is produced almost exclusively by the parathyroid glands• PTH is an 84-amino acid peptide that is synthesized by the chief 

cells of the parathyroid gland

• Secretion of PTH is highly dependent on the ionized calcium concentration and represents a simple negative feedback loop

•  The serum PTH concentration decreases as the serum Ca concentration increases, although PTH secretion is not entirely suppressible 

•  There is a relatively narrow range of regulation of PTH secretion by extracellular calcium, with little further effect when total corrected serum calcium is >2.9 mmol/L or <2.1 mmol/L

The relationship between the serum-ionized calcium level and the simultaneous serum concentration of intact PTH in normal

humans

• Serum calcium concentration was altered by the infusion of calcium (closed circles) or citrate (closed triangles)

• Parathyroid sensitivity to changes in serum calcium is maximal within the normal range (the shaded area). Low concentrations of PTH persist in the face of hypercalcemia.

Hormonal Effects on Calcium Homeostasis

Biological Actions of PTH 1. Stimulation of osteoclastic 

bone resorption and release of calcium and phosphate from bone

2. Stimulation of calcium reabsorption and inhibition of phosphate reabsorption from the renal tubules

3. Stimulation of renal production of 1,25(OH)2D3, which increases intestinal absorption of calcium and phosphate

Parathyroid Ca2+ Receptor

Parathyroid Ca2+-sensing receptor and regulation of (PTH) release

• The Ca2+ sensor is a G protein –coupled receptor located on the plasma membrane of the parathyroid chief cells; it is also found in kidney tubule cells and thyroid C cells

Additional Factors that Regulate Parathyroid Hormone Release

• Elevations in plasma phosphate levels increase PTH secretion by:

Decreasing phospholipase A2 activity and arachidonic acid formation, thus removing the inhibitory effect on PTH secretion

 Elevations in phosphate levels can also affect PTH release indirectly by decreasing plasma Ca2+ levels and vitamin D activation

•  In contrast, hypophosphatemia markedly decreases PTH mRNA and plasma PTH

Additional Factors that Regulate Parathyroid Hormone Release

•  Mg2+ concentrations also regulate PTH secretion in a similar manner to that of calcium

• PTH release can be stimulated by a moderate decrease in plasma Mg2+. However, very low serum concentrations of Mg2+ induce a paradoxical block in PTH release. The mechanism for this effect has been suggested to be the result of activation of the -subunits of the calcium-sensing receptor G-proteins, mimicking the activation of the receptor and thus inhibiting PTH secretion

Additional Factors that Regulate Parathyroid Hormone Release

• This combined decrease in Mg2+ and Ca2+ leads to impairment in the individual's ability to secrete PTH

•  Moreover, severe hypomagnesemia impairs not only the release of PTH from the parathyroid gland in response to hypocalcemia, but it also prevents the responsiveness of bone to PTH-mediated bone resorption

•  Adrenergic agonists have been shown to increase PTH release through -adrenergic receptors on parathyroid cells

Cellular Effects of Parathyroid Hormone

In bone

• PTH releases calcium from stores that are readily available and in equilibrium with the extracellular fluid (ECF)

•  Subsequently, PTH stimulates release of calcium (and also phosphate) by activation of bone resorption

• PTH binds to receptors found in osteoblasts resulting in a cascade of events culminating in osteoclast activation and leading to a rapid release of Ca2+ from the bone matrix into the extracellular compartment, where it enters the systemic circulation

Cellular Effects of Parathyroid Hormone

• PTH-mediated effects in bone involve osteoblast activation and stimulation of genes vital to the processes of:

1.  degradation of the extracellular matrix and bone remodeling 2. production of growth factors (insulin-like growth factor 1)3. Stimulation and recruitment of osteoclasts 4.  PTH also increases the number of osteoblasts, by decreasing 

their apoptosis and increasing their proliferation 

• Although chronic elevations of PTH result in bone resorption, intermittent administration of PTH stimulates bone formation more than bone resorption

Cellular Effects of Parathyroid Hormone

In the kidney• PTH directly stimulates Ca2+ reabsorption, phosphate excretion, 

and the activity of 1-hydroxylase

• The site of PTH regulation of Ca2+ reabsorption is the distal tubules

•  Ca2+ reabsorption by the proximal tubules occurs primarily through a paracellular pathway that is not regulated by hormones or drugs

Cellular Effects of Parathyroid Hormone

• In the distal tubule, Ca2+ absorption is entirely transcellular and is regulated by PTH, vitamin D, and calcitonin; it can also be affected by Ca2+-sparing drugs such as thiazide diuretics

• PTH decreases the renal (and intestinal) reabsorption of phosphate by decreasing the expression of the type II Na+/PO4

2– cotransporter 

PTHrP• When secreted in abundance by malignant tumors, PTHrP 

produces severe hypercalcemia by activating the PTH-1 receptor

• The physiologic roles of PTHrP are quite different from those of PTH. PTHrP is produced in many fetal and adult tissues

• PTHrP is required for normal development as a regulator of the proliferation and mineralization of chondrocytes and as a regulator of placental calcium transport.

• In postnatal life, PTHrP also appears to regulate epithelial-mesenchymal interactions that are critical for development of the mammary gland, skin, and hair follicle

•  In most physiologic circumstances, PTHrP carries out local rather than systemic actions

Calcitonin

Calcitonin

• Calcitonin is a 32–amino acid peptide hormone derived from procalcitonin, produced by cells of neural crest origin (parafollicular or C cells) in the thyroid gland

• The secretion of CT is under the control of the ionized [Ca2+] • The C cell uses the same CaSR as the parathyroid cell to sense 

changes in the ambient ionized [Ca2+]

•  In contrast to parathyroid cells, C cells increase secretion of CT in response to hypercalcemia and shut off hormone secretion during hypocalcemia

 

Calcitonin

• Elevations in plasma Ca2+ higher than 9 mg/dL ( 2.25 mmol\L) stimulate the release of calcitonin

•  Calcitonin has a half-life of approximately 5 minutes and is metabolized and cleared by the kidney and the liver

•  The release of calcitonin is also stimulated by gastrin, a gastrointestinal hormone

Cellular Effects of Calcitonin

• The main physiologic function of calcitonin is to decrease plasma Ca2+ and phosphate concentrations, mainly by decreasing bone resorption

•  The 2 target organs for calcitonin's physiologic effects are bone and kidney

• Calcitonin inhibits bone resorption, predominantly by inhibition of osteoclast motility and differentiation

Cellular Effects of Calcitonin

• In the kidney, calcitonin increases urinary Ca2+ excretion by inhibition of renal tubular calcium reabsorption

•  The mechanism involved is through opening of low affinity Ca2+ channels in the luminal membrane and the stimulation of the Na+/Ca2+ exchanger in the basolateral membrane, both actions depending on the activation of adenylate cyclase.

•  In hypercalcemic patients with metastatic bone disease, the administration of calcitonin induces a rapid decrease in plasma calcium primarily through inhibition of renal tubular reabsorption

Additional Regulators of Ca2+ and Bone Metabolism

Regulator Action

PTH Increases bone resorption and plasma Ca2

Vitamin D Increases intestinal Ca2+ absorption, bone resorption 

Calcitonin Decreases bone resorption and plasma Ca2+

 Sex steroids (androgens and estrogens)

Increase 1-hydroxylase activity, Increase osteoprotegerin synthesis Net decrease in bone loss

Growth hormone and insulinlike growth factor

Stimulate bone synthesis and growth

Thyroid hormone Increases bone resorption

Prolactin Increases renal Ca2+ reabsorption and 1-hydroxylase activity 

Glucocorticoids Increase bone resorption, decrease bone synthesis

Inflammatory cytokines Increase bone resorption

VITAMIN D

Vitamin D

• Vitamin D is a lipid-soluble vitamin 

• Synthesized from plant-derived precursors or through the action of sunlight from cholesterol-derived  precursors found in the skin or obtained from dietary intake of fortified milk, fatty fish, cod-liver oil, and, to a lesser extent, eggs

•  Active vitamin D (calcitriol) is the product of 2 consecutive hydroxylation steps, (first in the liver and then in the kidney) 

Cutaneous Synthesis of Vitamin D

• Vitamin D3 is formed in the skin from 7-dehydrocholesterol, which is distributed throughout the epidermis and dermis 

• Vitamin D3 is carried in the bloodstream primarily bound to vitamin D–binding protein (DBP), an -globulin produced in the liver

• DBP has a lower affinity for vitamin D3 than other vitamin D metabolites. Therefore, vitamin D3 could be selectively removed from skin by the gradient established by selective binding to DBP

Cutaneous Synthesis of Vitamin D

• Because the deepest levels of the epidermis make the most vitamin D3 when the skin is irradiated, the distance over which vitamin D3 must diffuse to reach the circulation is short

 Vitamin D metabolism and physiologic effects at target organs

Dietary Sources and Intestinal Absorption

• Ultraviolet light may not be sufficient to maintain adequate production of vit.D in the skin

• The farther away from the equator one lives, the shorter the period of the year during which the intensity of sunlight is sufficient to produce vitamin D3

• Most milk products in the United States are supplemented with vitamin D

• Although plants and mushrooms contain ergosterol, their content of vitamin D2 is limited unless they are irradiated with ultraviolet light during processing

Dietary Sources and Intestinal Absorption

• Moderate to high concentrations in fish oils and fish liver and in lesser concentrations in eggs

• Vitamin D is absorbed from the diet in the small intestine with the help of bile salts. The presence of fat in the lumen decreases vitamin D absorption

• Little vitamin D is stored in the liver. Excess vitamin D is stored in adipose tissue and muscle

Mechanisms of Action

• The main function of vitamin D metabolites is the regulation of calcium and phosphate homeostasis, which occurs in conjunction with PTH. The gut, kidney, and bone are the principal target tissues

• 1,25(OH)2D is the most biologically active, if not the only vitamin D metabolite involved in maintaining calcium and phosphate homeostasis.

The primary function of calcitriol or 1,25 (OH)2D3 in the intestine is increased absorption of calcium and phosphorous. Vitamin D is carried into the nucleus of the enterocyte, where it binds to receptor proteins and acts as a steroid hormone, resulting in the stimulation and synthesis of new messenger RNA molecules.These messenger RNA molecules are then translated to produce a protein, Calbindin, a calcium binding protein in the intestinal mucosa that is synthesized in response to the action of calcitriol (active vit. D). This calcium binding protein is needed for Ca transport across the cell membranes

Intestinal Calcium Transport

Actions of Vitamin D in Bone• the best established action of 1,25(OH)2D is to stimulate bone 

resorption. This is accompanied by an increase in osteoclast number and activity and decreased collagen synthesis

• The increase in osteoclast number and activity is now known to be mediated by the production in osteoblasts of a membrane-bound protein called receptor activator of NF-kappa B ligand (RANKL), which acts on its receptor (RANK) in osteoclasts and their precursors to stimulate osteoclast differentiation and activity 

•  1,25(OH)2D is one of several hormones (PTH and selected cytokines are others) that stimulate RANKL production

Actions of Vitamin D in Bone

• 1,25(OH)2D and PTH stimulation of the mobilization of calcium from the skeleton through interactions with their respective receptors on osteoblasts, which induce expression of the receptor activator of nuclear factor-B (RANK) ligand (RANKL)

•  The receptor activator of nuclear factor-B on immature osteoclasts binds to the receptor activator of nuclear factor-B ligand, which causes the cells to mature and coalesce with other osteoclast precursors to become mature multinuclear osteoclasts

Actions of Vitamin D in Kidney

• The kidney expresses VDRs, and 1,25(OH)2D stimulates the expression of calbindin, TRPV5 (the renal homolog of the intestinal TRPV6), and Ca2+-ATPase (PMCA) in the distal tubule as well as 24,25(OH)2D production in the proximal tubule

• However, the role of 1,25(OH)2D in regulating calcium and phosphate transport across the renal epithelium remains controversial

Actions of Vitamin D in Kidney

•  25(OH)D may be more important than 1,25(OH)2D in acutely stimulating calcium and phosphate reabsorption by the kidney tubules

 • In vivo studies are complicated by the effect of 1,25(OH)2D on 

other hormones, particularly PTH, which appears to be more important than the vitamin D metabolites in regulating calcium and phosphate handling by the kidney

Actions of Vitamin D in Other Tissues

• The responses of these tissues to 1,25(OH)2D are as varied as the tissues themselves

 • 1,25(OH)2D regulates hormone production and secretion, including 

stimulation of insulin secretion from the pancreas and prolactin from the pituitary

• Inhibiting PTH secretion from the parathyroid gland, renin secretion from the kidney, and atrial naturetic peptides from the heart 1,25(OH)2D enables the innate immune system by inducing antimicrobial peptides such as cathelidicin 

• Myocardial contractility and vascular tone are modulated by 1,25(OH)2D

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