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碱性磷酸酶与骨代谢天津市骨朴研究 所姚 清华综述南通医学院杨振华审校碱性磷酸酶(以下 略为ALP)是使磷酸单酷 在碱性条件下 分解.生成无机正磷酸的非特异性水解酶类。Robison(192 3)首次发现这 种酶在骨骼等硬组织钙化过程中活性升高.认为此酶在骨钙化中起重 要作用。在后来几十年间,对它 在骨代谢中的作用进行了很 多研究,井提出各种不 同的假说。在骨科临床上,很多骨 疾病表现 出血清ALP活性升高,而且 根据ALP同工酶的变化,可以帮助诊断某些骨病。因此,这 种酶在 骨代谢基础理论研究和骨 疾 病的临床实践中均具有重要意义。以下 分 别从 实 验 研 究和临床表现上对ALP的生理 作用和病理意义进行讨论。第一ALp的基础研究一、ALP在体内的分布和定位ALP在人体内分布广泛其活 性大小 的顺序为:小肠上皮细胞胎盘肾骨肝肺脾;在骨 骼肌中含 量较少.在红血球中不无活性。电镜研究发 现,在十一指肠七皮细胞微绒毛处、近端肾小管上皮细 胞刷状缘 基底陷入部份,以及肝毛细胆 管微绒毛局部等 处AL尸活性很高。在各种 细胞的细胞器中,吞噬小泡、高尔基体、微粒体样小体 等均有分布。在骨组织中,该酶活性主要分布在成骨细胞膜上,靠近血管的细胞膜上 较强,而骨质附近 细胞膜上 酶活性较弱。骨 细胞中此酶活性不强。在破骨细胞血管附近的细胞膜及吸收区刷状缘膜 内叶 一带发现 较高ALP活性,可能与钙 由骨质向血管吸 收及进行细胞内输送 有关。骨端软 骨ALP活性伴随钙化过程中软骨细胞的 分化、增殖 而呈现一 系列变化。其活性按静止细胞层(阴性)增殖 细胞层 软骨细胞膜高尔基 体一,高电子密度小体肥大细胞层而增高。在软骨组织 中,一般不钙化的气管玻璃软骨,耳、喉头弹性软骨 未见有高活性的ALP,但与钙 化骨结合内纤维软骨则具有 显著的酶活性。牙齿等硬组 织的A LP活性分布也有其特点即。5 0年 代以来,由于 电镜技术的进步,在骨中发现了基质镬胞(matrixvesiele)Q,。这是一 种存在 于骨基质 内的小胞.平均直径约为0.1微米。在钙 化期,其内部明显地积聚磷酸钙结晶,同时 在其边 缘发现高强度的A L P活性。目前,一般认为基质 嘴胞是 骨钙化中心.因此推测A L P与骨 钙化有密切关系。电镜所用的A L P检测法,其原理 仍基于组织化学上 使用的金属盐 法,ALP作用后生成游离磷 酸,与金属结合生 成不溶性沉淀。Brande s t4二用 钻置 换磷酸 钙 沉淀,Maya-n ar a即用 柠檬 酸盐 代替之,是 目前使 用最广泛的方法。骨、牙等硬组织A L P活性的检测用Yoshiki等方法 6.将EDTA脱钙标本浸渍 于MgS O溶液中,以恢复其活性,然后再以硝酸铅 盐法测定之。尸护咯二、A LF的生物化学性质对硬组织(骨、牙等)与软组织(小肠、肾等)中AL P的理化性质 进行比较,发现由于组成ALP的蛋 白质 不同其生理作用 也有所不 同。血清中AL P具有不同的组织来源,在病理条件下 则表现出 同工酶带的不同,此乃临床 诊断的依据之 一(表l)。J。奋1,.7斑1不同组级来泣的ALP同工碑的性质(a 1势竺竺垫,20 f-扮5】9 612146010分2二i-1二理是使酶组成中的一部分Znz游离出去,酶转变为无活性型。不同组织来源的ALP对鳌合剂作用效果 也不一样(见表1)。不同底物使不同组织来源的AL尸活性表现亦不一样。在 磷酸对硝基酚、磷 酸胆碱、a-甘油磷酸和焦磷酸等四种物质中,以前者作为底物时,ALF活性最高。ALP的水解产物(磷酸)本身对酶活性也产生反馈抑制作用。L一笨丙氨酸2”“M,5。5。“5,5。一可一一厂一了一不一L一“整竺兰竺-巴二口6二止K口(x10一M)1 1 1.5 5 52。2 2 25。9 9 92。0 0 0砚(Km.米氏常数i卜若飞从表中看出,小肠的ALP与其它组织的A LP相比,在性质上差卿】较大。目前认为,从苍因来源看,ALP有三种同工酶“:小肠、抬盘和其它组织(肝、骨、肾),它们酶蛋白的一级结构不 同。而肝、肾和骨的同工海则 被认为是由于A LP组成中多糖种类、结构等在亚基组成上的细微差别造成的。骨ALP活性受各种因素的 影响,包括骨盆的主要成份钙、磷的作用,活化剂、抑制搁以及不 同底物的作用等等。当以含维生素D的低磷食物(含磷0.0 9%)喂养大 白鼠二周后,与对照组比较,发现血钙无明显变化,血磷水平却 明显下降,A L P活性升高,有显著差 异。这说 明血磷下降可能引起激素对ALP的诱导 合成起作用,以产生礴酸弥补体内之不足。A L P最适pHS一10,但 随基质浓度和有无活化剂而有别。活化剂一般为Mg”、MnZ、ZnZ和CoZ+等。当基质浓度为2.5x10一M时,最适pH为7.69。,如基质浓度为2。5x10一ZM,则最适pH为9。9。上述金属 离子与E D TA生成的整合物、以及半脱氨酸、L一苯丙氨酸、L一高精氨酸、K CN和H声等是ALP的抑制 剂。其作用机第二,ALp与骨代谢以及骨科 临床 的关系一、骨中A LP生理作用的探讨AL P和骨钙化作用密 切相 关早在19 23年Rob iso n氏山泊就提出,由于ALP的作用可以提供钙化所需磷酸根的假说。他证实此酶活性在胚胎和骨发育中和钙化过程相一致。前节已经提到,骨中的AL P主要见于 骨化的软骨组织中,未见 于 不钙化的软骨中。A L P是成骨细胞的产物,而当成骨细 胞变为骨细胞时,其活性下降最终变为零,都有力地支持 了这一假说。正 是声于A L P催化有机磷酸醋的水解,使局部细胞外磷酸浓度增高,磷酸和钙浓度的 乘积超过其溶度积而沉淀。但是,后来学者们2 9 J注意到,正常血浆超滤液中,磷酸和钙也处于过饱和状态,但并不形成沉淀。因此学者们进而注意到,有那些 因素可以触发骨盐的沉积,以及有那些因素可以抑制轻磷灰 石结晶的生成和发展。在这些 因素中,最令人注意的是无机焦磷酸在钙化中的作用,它一方面是磷酸钙沉淀的抑制剂,有人将其称为“结晶毒,(c ry st alpoison),。o,另一方面 可 以减少 经 磷灰石结晶 的生长,甚 至可以将其溶解。Fl ei soh等人认为,焦磷酸是骨钙化和脱钙过程的生理调节者,因而也是骨形成和吸收的调节者。但是焦磷酸c a l是 各种生物合成代谢如D NA和RNA合成、氨基酸活化、脂质和多糖合成过程中的主要产物之一。就肝脏而言,仅合成白蛋 白.一天就将产生3。克焦磷酸。如考虑 到整体的生物合成 代谢,无.8.、下扣体机焦磷 酸一天将有成公斤量 的变化,但是细胞内无机焦磷酸浓度很 低(拜g/L),每日尿中也只有 1 0 2 0毫克焦磷酸的排出。这些资料说 明,焦磷酸在正常情况下分解很快。在焦磷酸酶作用下,焦磷酸水解 生成二分子 的磷酸。体外测定ALP的最适pH,在体内显然 是不存在的,各种基质如苯基磷酸钠等在体内也没 有。近年来已经 明确,A LP在中性pH介质具有焦磷酸酶的作用。有人 认为ALP与焦磷酸酶就是同一种酶旧。但不能反过 来认为焦磷酸就是此酶 的唯一生理基质,此酶还 可水解三磷酸腺昔(AT P)。总的看来骨ALp的主要生 理作用是催化焦磷酸水解,从而积极 参与骨 的钙化过程。此外,入们山注意到,细 胞 内离子 转移功能 活跃的器官(如肾、小肠和骨)的ALP含量很高。所谓 的钠泵 就是Na/K活化三磷酸腺昔酶。在 钙吸收最 活跃的十二指肠,AL P活性也最高。在小肠枯膜绒毛形 成过 程中ALP活性随之升高0。Ca 在细胞 内外的转移也很可能与此酶有 关。硬组织钙化时,C。+今进入细 胞 内依赖于线粒体的呼吸作 用和细胞膜上这种钙 泵的能动作用(”“。在骨的催化中A七P可能有二 种机能。:一种在细胞 内水解焦磷 酸,作为焦 磷酸酶起作用水解有机磷 酸脂,另一种 和膜系统相连,涉及 到离子转换系统,作为钙一三磷酸腺昔酶 而起作用。文献中还提到AL P在 骨钙化过程中可能有的其它作用:Te aford提 出它在成 骨细胞 分化中起作用“:Bu r ston e提 出该酶介入细胞膜物质输送c,2,Br adfield提 出它 与胶元合成有关0幻。Kr oon提出与粘多糖合 成有关。究竟骨中ALP的真正作用是什么?还有待科学家们进行深一步的探讨和研究。二、AL P与骨疾病1。在疾病诊断上的意义成.细胞 异常增殖引起血清A Lp变化虽然A L P在 骨 钙化过 程 中的作用尚未完 全确定,但是已经明确,ALP活性 变化和成骨细胞活性密 切相关,这点仍是目前解释ALP在 骨病时变化的基本出发点丝。临床上大多数骨疾病时血清AL P的 变化表现为活性升高,降低者极少数。属于前一种情况的骨病有:生长期生理性升高(骨生长),骨折治愈过 程,骨肿瘤及类似疾病,癌的骨转移,异 位骨化,甲状旁腺机能亢进症,Paet氏病;肾性骨营养不良,拘楼病及骨软化症,骨 软化症伴随的骨质琉松,其它骨病。正 常情况下,二岁幼儿到性 成熟期,AL P活性 约为成年人的两倍,二岁以下的要几更高。一般认为在上述所有情况下,骨ALP活性随成骨细胞大量增 殖而升 高c”。因骨折或某些骨病造成巨大骨吸收后.随着骨改建的进行,AL P活性也升高。临床上观察到,在骨折后 一周,ALP尚在正常值,然后才呈现不同高值。根据骨折不 同部位及对全身代谢灼影 响大小.局部骨折时血ALp也可能无变化”。骨肿瘤的血ALP活性上升,一般认为是成骨细 胞异常增 殖引起。按病人年龄区分,以青年 患者上升 较高,按病的类型区分,则以骨肉瘤、骨软骨瘤、内软骨瘤、多骨性纤维性发育异常(po上yo stot:efibrou sdysp asia)上升较高。但良性成骨细胞瘤、非骨化性纤维瘤、动脉 瘤样骨囊肿 等疾病的血ALP活 性未见 变化。甲状旁腺 机能亢进症是Ka y氏首 先发现血 中AL P变化的一种骨 代谢 病。原发性患者的血ALP活性升高不 多,但如 伴随有高度骨 吸收者,则酶活性升高较明显。X线摄影表现为 肾型或隐型的 患者血A LP活性升高较明显,大约占病人的5 0%,推测是由于令各可口.洲IJ州!w ee el川司.全身性骨改建引起Q。对1书 名骨软化症伴随的骨 质 疏松患者检查了血中ALP活性变化,上升者4 7名(占28.5%),酶活性正常者反映疼痛较厉害。Paget病时血清气LP活性显著升高,是此组疾病中最明显的一种。其ALP活性可高达10 0一2 00金氏单位,有时甚至是此病血清生化中唯一 出现变化的项 目。此病的病变 有:骨质 不规则地吸收.被钙化不良的骨基 质所取代并伴随有细胞 纤维化。病 变区有大量破骨细胞和成骨细胞,后者是引起血清 中A L P升高的主要原因3 2)。各种类型拘楼病时,都 能看到AL P活性升高。并与疾病时 期以及活动度相关,早期时ALP常轻度增高.而在大多数严重的病例,其酶 活性可高 达1的金氏单位,测定ALP有助于早期诊断拘楼病。Moss认 为AL P检查比无机磷测定和X一线检测更敏感3 2,。AL P活性下降者少见。主要见于先天性低磷酸酶血症,可以查 到血中AL P低于3个 金氏单位,甚至查不 到。此病临床 表现类似因维生素D缺乏而引起 的拘楼病。但检查血清,除AL P活性下降外,血磷正常,血钙上升.尿中排 出大量 磷酸乙醇胺。骨中AL P的缺乏是此病最主要的表 现。早期曾报道肝、肾和小肠枯膜中ALP也 同时下降,但是近 年来,都报告此病在小肠粘 膜中ALP活性正常甚至还 升高。这点与目前认为有三种类型A LP同工酶(小肠、胎 盘 和其他组织)相符合32。(2其他 因寰引起的血 清ALP变化某些疾病在血清ALP活性升高时伴随有溶骨现象,如前列腺癌81.8%、乳腺癌32.4%和肺癌2 5。8纬(百分数表示血中AL P活性升高者所 占比率)。另外一些骨病表现 出钙化不全和成骨不良,但血AL P活性 也升高(如拘楼病及骨软化症)。对1例特 发 性低磷血症(男2 0 岁)和1例抗维生素D向俊病(女4岁)用la一经胆骨化醇治疗的前后,血清A L P活性均亢进,可能与破坏钙化的抑制(前者)及钙化(后者)有关c 2 句。这些情况说明,血清ALP活性升高不一定与成骨细胞 增 殖有 关,而是 由于AL P具有焦磷酸酶的作用,另外,有些 骨疾病(也包括某些骨肿瘤)的血清ALP活性升高的 原因一直未 弄清楚,可能与全身代谢性反应有关2 0。2。在鉴别李断上 为意义从ALp与污磷 代谢的关 系上考察某些骨疾病与内分泌紊乱有关,反映在血钙、血磷和A L P水平的变化中。如甲状旁腺机能亢进症患者的血A L P活性升高,血钙升高,血磷 下降。骨质软化症的血清钙或磷降低,血ALP活性升高,当给予标准剂量的 维 生素D后.钙吸收增加;维生素D中毒症的血钙升高,血磷变化不大,A LP活性异常低。另外一些 研充 表明,血巾入LP活性变化与血。AMP水平的消长有一定相依关系,后者与骨细胞的增殖、分化有关邪因此,血ALP活性水平的变 化,在一定意义上反 映出甲状旁腺激素、降钙 素和l,2 5一二经 胆钙化醇等骨 代谢激 素 对骨的作用效果。(2骨来源的ALP的鉴别很据以下步骤,可以对A L P的脏器 来源作 大致考查,以供鉴别诊断之参考,老a。临床鉴别;衰2几种.病的生化鉴别诊断示例J、r,丁亨名称瓜下丁下丁-_妙血症件亨竺生到二到少 吮土野哩些竺吧一口竺土_9 6一-鲤竺创且一竺二_少竺堂竺竺 赞竺L一常)B一3M尿素抑制作用(%)C一5 6、1 9分钟 热 抑制作用(%)月沪朽抓b。对治疗的反应,c。同工酶电泳、d。对抑制剂的不同作用。A L P的 脏器来 源,可以有肝、骨、胎盘、肠、瘤细胞等等c 2。,川。表2列出的 几种骨病的 鉴别诊断实测数据,反映了骨 来源AL P活性的变化。参考 文 献孟1.Robis o nR:Bio ehemJ1 7:256.19232.Ande rs o nHC:J CellBiol4 1:59,19693.小派英浩他:骨代谢12:6,19794.Br andesDetal:Natur e;17 7:3 82,1 956s,Ma了ahar aHetal:Histoehemie;一z:5519 676.Yo 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rsityPre ssNewYork19 3229。NeumanWFa ndNe umanMWT heChemzealD了n ar niesofBo neMiue i al.Uul下ersityofChre agoPre s s.C hiea:90-30。Flels ehHetal:Nat让re(Lond)2 12*902,196651。Rasmu s s e nHetal:ThePh了s诬ologiealandCellularBa sisofMetalolieBo n eDi-s e a seThe饥llia山5Wilk insCo口pa n了-Ba!Rimo re。1974。52。MossDW:InDiagn o:tie巳n zymolog,Ed一tedWilkln so n,J HEd,ar dArnoldrLondo n,197卜33.OdaT:JaPJMedi吕:228,197 9、户,举口月辱.11.