Биохимия костной ткани, тканей зуба

Костная ткань - это особый вид соединительной ткани. Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция. Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность.

В компактном веществе кости большая часть минеральных веществ представлена гидроксилапатитом (смотрите рисунок) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в%%): 20% - органический компонент, 70% - минеральные вещества, 10% - вода. Губчатое вещество: 35-40% - минеральных веществ, до 50% - органические соединения, содержание воды - 10%.

Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость - это депо для минералов, особенно для кальция.



Факторы влияющие на обмен кальция и фосфора

На обменкальция и фосфора влияют гормоны паратгормон, серотонин и активная форма витамина D3.
Особое место среди нарушений обмена кальция и фосфора занимают остеопороз, некоторые формы рахита, некоторые заболевания почек.
За сутки из кишечника всасывается примерно 1 грамм кальция и только 1/3 от этого количества усваивается тканями организма. Столько же - 1грамм кальция - ежесуточно теряется с мочой и калом. В межклеточных жидкостях содержится тоже в среднем 1 грамм кальция. Значит, за одни сутки полностью обновляется весь внеклеточный кальций организма. У взрослого здорового человека в возрасте до 40 лет все процессы минерализации и резорбции костной ткани находятся в равновесии. У детей до окончательного окостенения наблюдается положительный кальциевый баланс. После 40-летнего возраста - отрицательный баланс кальция.

Паратгормон влияет на процессы созревания активного витамина D3 в почках. Активный витамин D3 (1,25-диоксивитамин D3) увеличивает всасывание кальция в кишечнике и повышает усвоение кальция костной тканью, усиливает действие паратгормона в костной ткани и почках.

Регуляция синтеза и секреции паратгормона и кальцитонина

Главным регулятором синтеза и секреции этих гормонов является внеклеточный кальций. Если уменьшается его концентрация во внеклеточной жидкости, это приводит к увеличению секреции кальцитонина и уменьшению секреции паратгормона и наоборот. На выработку паратгормона также влияют катехоламины, которые усиливают его секрецию.

Кортикосстероиды (кортизол) тормозят всасывание кальция в кишечнике, увеличивают синтез и секрецию паратгормона.
Повышение содержания фосфатов в крови, приводя к одновременному снижению уровня кальция, также усиливает секрецию паратгормона.

Суммарной эффект паратгормона - резорбция костной ткани. Разрушению подвергается не только минеральный компонент, но и компоненты органического матрикса. Это подтверждается повышенным содержанием оксипролина (показатель ускорения разрушения коллагеновых белков) в моче при гиперсекреции паращитовидной железы. Значит, паратгормон в физиологических условиях способствует обновлению костной ткани, то есть происходит стимуляция остеокластов и одновременно усиливается пролиферация остеобластов. При действии паратгормона в костной ткани происходит закисление (снижение pH среды), так как в межклеточное пространство выделяются лактат и цитрат и повышается активность различных гидролитических ферментов, в том числе и лизосомальных протеиназ.

Кроме повышения концентрации кальция и понижения концентрации фосфатов в крови при гиперпаратиреозе может развиваться образование камней в почках - нефрокальциноз. Причина этого - постоянно повышенная концентрация кальция в крови и моче.

Вторичный гиперпаратиреоз при заболеваниях почек возникает при нарушении созревания активной формы витамина D3. Результат: снижение концентрации кальция в крови, что приводит к увеличению выработки паратгормона.

Гипопаратиреоз. Снижение уровня паратгормона в крови (может возникнуть при повреждении или удалении паращитовидных желез) приводит к снижению концентрации кальция и повышению концентрации фосфора в крови. В результате могут развиваться судороги, паралич дыхательной мускулатуры, ларингоспазм, что приводит к смерти больного.

Кальцитонин

Пептидный гормон, состоит из 30 аминокислот. Клетки-мишени для этого гормона находится в костной ткани. Гормон обладает мембранным механизмом действия (действует через аденилатциклазную систему). Под действием кальцитонина происходит усиление перехода фосфатов в периостальную жидкость, в результате разрушения фосфорных эфиров различных органических соединений в клетках костной ткани. Выход фосфатов в межклеточное вещество способствует задержке кальция в костной ткани.

Таким образом, кальцитонин ингибирует процессы резорбции кости.

Органический матрикс кости

Важный компонент органического матрикса - кальций-связывающий белок. Он состоит из 49 аминокислот, содержит 3 остатка гамма-карбоксиглутаминовой кислоты. Функция кальций-связывающего белка - регуляция связывания кальция в костях и зубах.

Основной белок костной ткани - коллаген, который содержится в количестве 15% - в компактном веществе, 24% - в губчатом веществе. Количество неколлагеновых белков составляет от 5 до 8%. В основном это белки- гликопротеины и белково-углеводные комплексы - протеогликаны.

Костный коллаген - коллаген типа 1 - в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген - это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани.

В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия. Минерализация - это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии ( в форме АТФ ).

Можно выделить два основных этапа минерализации.

Этапы минерализации костной ткани

1-й этап: остеобласты начинают синтезировать костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Особенностью процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора. На 1 этапе минерализации кальций и фосфор связываются с костным коллагеном. Обязательный участник процесса - сложные липиды.
 
2-й этап - в зоне минерализации усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция. Одновременно из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония и гидроксид-ионов, которые соединены с фосфатом. Так формируются ядра кристаллизации. Ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-углеводным комплексом, переходят в растворимое состояние и формируют кристаллы гидроксилапатита. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной. Ингибитор процесса минерализации - неорганический пирофосфат. Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть щелочная фосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка. При нарушении процессов минерализации - например, при заболевании оссифицирующим миозитом - кристаллы гидроксиапатита могут появлятся в сухожилиях, связках, стенках сосудов. Вместо кальция в костную ткань могут включаться другие элементы - стронций, магний, железо, уран и т.д. После формирования гидроксилапатита такое включение уже не происходит. На поверхности кристаллов может накапливаться много натрия в форме цитрата натрия. Кость выполняет функции лабильного (изменчивого) депо натрия, который выделяется из кости при ацидозе и, наоборот, при избытке поступления натрия с пищей, чтобы предотвратить алкалоз - натрий депонируется в кости. В ходе роста и развития организма количество аморфного фосфата кальция уменьшается, потому что кальций связывается с гидроксилапатитом.

Биохимия тканей зуба
 

Твердые ткани зуба - к ним относят эмаль ( в коронке зуба), дентин и цемент ( на поверхности корня). В отличие от других видов костной ткани, ткани зуба еще более минерализованы.

 
 

В заметных количествах в твердых тканях зуба содержатся магний, натрий, калий, хлор (их больше в цементе и в эмали).

Эмаль
 
Содержит гидроксилапатит, фторапатит, фторид кальция. Соотношение кальций/фосфор в эмали равно 1,75, поэтому эмаль еще более минерализирована, чем кость. С возрастом это соотношение доходит до 2,09. Органическое вещество эмали образуют в основном белки - амелогенины. Основная функция этих белков - формирование нерастворимой органической матрицы эмали, которая затем минерализируется благодаря особому кальций-связывающему белку эмали. В состав эмали также могут входить глюкозаминогликаны и цитрат. Особенности метаболизма эмали - это крайне низкая скорость обмена. Обмен ионами возможен со стороны полости рта - через слюну.

Дентин
 
Дентин в отличие от эмали содержит много сиалопротеинов (это неколлагеновые белки). По степени минерализации дентин аналогичен компактному веществу костной ткани. Минеральный компонент - гидроксилапатит, в котором чаще, чем в кости, обнаруживается магний. Фтористые соли также содержатся в дентине. В состав органического вещества дентина входит коллаген, богатый фосфатом, хондроитинсульфаты, гиалуроновая кислота. При развитии кариеса в поврежденном дентине и уменьшается количество оксипролина и оксилизина и растет количество глюкозаминогликанов. Клеточные элементы - одонтобласты.

Цемент

Цемент еще менее минерализован, чем дентин. Здесь больше воды и протеогликанов. Клеточные элементы - цементобласты.  

Пульпа
 
Это особая соединительная ткань, похожая на эмбриональную соединительную ткань. Поскольку пульпа наиболее метаболически активна, в ней много ферментов. Кроме фибропластов, в пульпе есть и жировые клетки. В межклеточном веществе - гликопротеины, глюкозаминогликаны. Волокнистая структура пульпы - это тонкие коллагеновые волокна. Функция пульпы: формирование дентина и обеспечение метаболических процессов в дентине.