Биохимия пособие Коновалова 2012

ны изнутри клетки наружу в результате чего на мембране возникает по­ тенциал. Эти бактерии могут работать в морской воде. В присутствии кислорода галлобактерии синтезируют АТФ в ходе окислительного фосфорилирования, при недостатке кислорода —переключаются на фотосинтетический механизм.

Лекция 55

КОСТНАЯ ТКАНЬ

Особым высокоспециализированным видом соединительной тка­ ни является костная ткань. Она отличается большой твердостью, меха­ нической прочностью, наличием большого количества межклеточного вещества при сравнительно небольшом числе костных клеток. В меж­ клеточном веществе костной ткани преобладают неорганические соеди­ нения. В этом смысле костная ткань уникальна. В организме человека нет другой ткани, столь богатой минералами, кроме тканей зубов. Свое­ образное, высокоспециализированное объединение органических и не­ органических компонентов кости, правильность ориентации коллагено­ вых волокон вдоль длинной оси кости, упорядоченное расположение кристаллов минерального вещества костной ткани создали весьма со­ вершенную структуру, обладающую специфическими механическими и физиологическими свойствами.

Рассматривая биохимические аспекты костной ткани, следует раз­ личать понятия «кость как орган» и «костная ткань».

Кость как орган - сложное структурное образование, в котором наряду со специфической костной тканью содержатся красный и жел­ тый костный мозг, хрящ, надкостница, кровеносные сосуды и находя­ щаяся в них кровь. (Л.И. Слуцкий, 1969 г.) Она является опорой мягких тканей и служит рьгчагом, который перемещается с помощью сокраще­ ния мышц. Макроскопическая и микроскопическая структура кости — органа опорно-двигательного аппарата —полностью приспособлена для выполнения этих функций.

Костная ткань —главная составная часть кости. В то же время соотношение перечисленных компонентов в разных костях и в разных отделах одной и той же кости различно, поэтому химический состав их очень неоднороден. Костная ткань состоит из костных пластинок; в за­ висимости от плотности и расположения их костное вещество делят на

591

компактное и губчатое. Компактное костное вещество в основном со­ держится в телах длинных костей, губчатое —в их эпифизах, а также в коротких и широких костях.

Клетки костной ткани представлены остеобластами, остеоцитами и остеокластами.

Остеобласты - клетки, содержащие все компоненты, присущИе клеткам других тканей. Отличительной их особенностью является силь­ ное развитие эндоплазматического ретикулума и наличие мощного ап­ парата белкового синтеза, что характерно для интенсивно секретирую. щих клеток. Остеобласты осуществляют синтез проколлагена, который из эндоплазматической сети перемещается в комплекс Гольджи, где включается в везикулы, секретируемые в межклеточное вещество. Здесь же синтезируются гликозаминогликаны и белковый компонент протеогликанов, которые также поступают в межклеточное вещество.

Остеоциты - зрелые отростчатые клетки, образующиеся из ос­ теобластов. Также способны синтезировать компоненты межклеточного вещества.

Между этими клетками в молодой и зрелой кости имеются боль­ шие различия. В очень молодой кости остеоциты богаты цитоплазмой и очень сходны с остеобластами. В зрелой кости остеоциты содержат меньше цитоплазмы, эндоплазматический ретикулум слабо развит, ядро также имеет меньшие размеры.

Остеокласты —гигантские многоядерные клетки со слабо разви­ тым эндоплазматическим ретикулумом, содержащие мало рибосом, но большое количество лизосом и митохондрий. В связи с этим у них огра­ ничена способность синтезировать РНК и белки, а основной функцией является рассасывание (резорбция) костной ткани (органического мат­ рикса и межклеточного вещества).

Характерной особенностью костной ткани является ее способ­ ность к минерализации, что обусловливает ее уникальные механические качества и определяет ее функции:

1. опорно-защитную;

2 . депо неорганических веществ.

Химический состав: находится в динамическом равновесии с кровью.

Вкомпактной кости 60-70% составляют минеральные вещества, 20% —органические вещества и 10% —вода.

Вгубчатой кости: 30-40% —минеральные вещества, более 50% - органические и 10% вода.

Клеточные элементы занимают незначительный объем. Органическая соединительно-тканная основа - матрикс со­

стоит из коллагеновых волокон, ориентированных в одном направле­ нии. Между волокнами расположены кристаллы гидроксиапатита, ори­

592

ентированные в том же направлении. Это придает кости пластинчатое строение. Пластинки могут располагаться параллельно друг другу, если находятся на плоской поверхности (трабекулярная кость), или концен­ трически, если находятся на поверхности каналов, в центре которых проходят кровеносные сосуды.

Основное вещество состоит из гликопротеинов и протеогликанов.

Белки матрикса костной ткани

Среди белков органического матрикса преобладает коллаген составляс! 95% органического матрикса. Вместе с минеральными ком­ понентами коллаген является главным фактором, определяющим меха­ нические свойства кости. Коллагеновые фибриллы образованы коллаге­ ном I типа, который в костной ткани отличается более высоким содер­ жанием оксипролина, лизина, оксилизина и фосфатов, связанных с ос­ татками серина.

Наряду с коллагеном в матриксе содержатся адгезивные некол­ лагеновые белки, специфичные для костной ткани.

Костный кислый гликопротеин. М.м. 75000 Да. Содержит большое количество сиаловых кислот и фосфатов, участвует в минера­ лизации костной ткани. • г

Костный сиалопротеин. М.м. 59000 Да. Содержит много сиало­ вых кислот. В молекуле имеет трипептид с последовательностью АРГ- ГЛУ-АСП, необходимой для взаимодействия с белками интегринами. Это интегральные белки в мембранах клеток, служат рецепторами для связывания с белками межклеточного вещества. Установлено, что свя- 'зывание с клетками происходит через специальный рецептор, содержа­ щий последовательность из 10 ГЛУ, которая обусловливает его каль- ций-связывающие свойства. Связан с клетками и с апатитом.

Белок относят к фосфопротеинам, т.к. половина остатков серина в молекуле соединена с фосфатом. Функция белка окончательно неясна, но полагают, что он участвует в анаболической фазе образования кост­ ной ткани. Синтез костного сиалопротеина тормозится кальцитриолом и стимулируется дексаметазоном.

Остеокальции. М.м. 58000 Да. Найден только в костях и зубах. В его молекуле имеются три остатка гамма-карбоксиглутаминовой кисло­ ты, способной связывать кальций. Прочно связан с апатитом, участвует в регуляции роста кристаллов. Нарушения обмена этого белка вызыва­ ют нарушения функции костной ткани.

Остеонектин. М.м. 43000 Да. Широко распространен в тканях. Имеет кальций-связывающий домен и участки, богатые глутаминовой кислотой. Связан с коллагеном и апатитом.

Остеопонтин. М.м. 32600 Да. Как костный сиалопротеин и кис­

593

1

лый гликопротеин, является анионным белком за счет высокого содер. жания остатков аспарагиновой кислоты, но меньше содержит углево­ дов. Фосфорилирован по остаткам серина. Имеет трипептид АРГ—ГЛУ- АСП в участке для специфического связывания с интегринами. Синтез белка стимулируется кальцитриолом. Остеопонтин обнаружен в светлой зоне остеокластов, связанной с минеральными компонентами. Полага­ ют, что он служит для привлечения предшественников остеокластов и связывания их с минеральным компонентом кости, т.к. остеокласты имеют большое количество интегриновых рецепторов, которые могут связываться с остеопонтином.

Тромбоспондин. М.м. 150000 Да. Олигомер, состоящий из трех субъединиц. Также имеет последовательность АРГ—ГЛУ-АСП, позво­ ляющую ему связываться с поверхностями клеток. Связывается с дру­ гими белками костной ткани.

Гликозаминогликаны органического матрикса костной ткани представлены хондроитинсульфатом (главный), гиалуроновой кислотой, кератансульфатом.

Матрикс отличается высоким содержанием лимонной кислоты. Около 90% всего количества цитрата в организме человека сосредото­ чено именно в костной ткани, что, по-видимому, связано с его участием в мобилизации кальция из этого депо.

Кроме этого в матриксе содержатся липиды (0,67 г/100 г сухой ткани компактного вещества), холестерин (в комплексном соединении с коллагеном).

Минеральные соединения межклеточного матрикса

В костной ткани, дентине, цементе, зубной эмали минеральный компонент представлен главным образом фосфорнокислыми солями кальция и другими неорганическими соединениями.

Природных форм фосфатов кальция несколько.

Апатиты. Имеют общую формулу С а ^ Р О * )^ , где X - фтор или ОН-группа. Фторапатиты широко распространены, но, в основном, это почвенные минералы. В животном мире преобладают гидроксиапатиты. 99% кальция организма находятся в костях в виде гидроксиапатита, из них обменивается 1%.

Апатиты - устойчивые соединения, но легко обмениваются иона­

594

В сосгав костей и тканей зубов входят соли НРО42- и Р043~, т.е. ортофосфаты кальция. Пирофосфаты входят в состав зубного камня. В ходе замещения ионов в апатите поддерживается принцип общего рас­ пределения зарядов. Главным же фактором, определяющим возмож­ ность замены, является размер атома.

Фторапатит - наиболее стабильный из всех апатитов. Образует кристаллы гексагональной формы с плотностью 3,2 г/см3.

Реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция в водной среде зависит от концентрации фтора. При невысоком содержании фто­ ра (до 500 мг/л) образуются кристаллы фторапатита.

Са10(РО4)6(ОН)2 + 2 F —> Ca10(PO4)6F2+ 2 OIT

При высокой концентрации (больше 2000 мг/л) кристаллы не об­ разуются:

СаюСРСШОН^ + 20 F -> 10 CaF2 + 6 Р О /> 2 ОН-

Продукт реакции CaF2.

Фтор резко уменьшает растворимость гидроксиапатитов в кислой среде. Так же, но с меньшим эффектом, действуют ионы цинка, олова. Повышают растворимость ионы цитрата, карбоната, магния. Полагают, что фтор необходим для отложения апатитов в плотных тканях.

Карбонатный апатит. В присутствии карбонат иона или .гидро­ карбонат иона образуется карбонатный апатит более аморфный, чем ос­ новная соль фосфата кальция. Его структура сходна со структурой апа­ тита костей и эмали.

Стронциевый апатит. Стронций может вытеснять кальций в кристаллической решетке с образованием такого апатита. Структура кристаллов при этом нарушается. В местностях, загрязненных радионуклеидами (после аварии на ЧАЭС), радиоактивный стронций может накапливаться, так как он плохо выводится вследствие плохой раство­ римости.

К природным формам фосфата кальция также относятся:

Витлокит - одна из форм трикальций фосфата-Р Са3(Р04)2 со­ держит в кристаллической решетке ионы Mg2", Мп2+ или Fe2+. Образует ромбические кристаллы. В организме встречается редко. Входит в со­ став зубного камня и обнаруживается в кариозно пораженной эмали.

Монетит (СаНР04) и брушит (СаНР04-2Н20 ) - в организме встречаются редко. Брушит обнаружен в дентине и зубном камне. Мо­ нетит образует кристаллы в виде треугольных пластинок, но иногда в

595

виде палочек и призм, брушит - клиновидной формы. Растворимость кристаллов зависит от pH, увеличивается в кислой среде (при pH мень ше 6,0). При нагревании брушит превращается в монетиг.

Октокальций фосфат - Са8(НР0 4 )2(Р0 4)4-5Н2 0 . Занимает про­ межуточное положение между кислыми солями - монетитом и брущи_ том —и основной солью —гидроксиапатитом. Входит в состав зубного камня.

Кристаллы в виде тонких пластинок, напоминают кристаллы апа­ тита. Имеет слоистую структуру с чередованием слоев соли толщиной 1,1 нм и слоев воды толщиной 0,8 нм. В щелочной среде гидролизуется в апатит. Низкие концентрации фтора ускоряют гидролиз.

Минерализация костной ткани

Минерализация широко распространена в животном мире. У по­ звоночных в основе минерализации костного скелета лежит образова­ ние кристаллов с участием фосфатов кальция.

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. В процессе оса­ ждения выделяют две стадии:

—образование плотного осадка (нуклеация), —рост кристаллов из ядра.

Нуклеация может быть гомогенной, если пересыщенный раствор является однофазным. Ионы образуют пары, триплеты, которые объе­ диняются в кластеры. Если размер их больше критического радиуса кристалла, то происходит рост кристалла. Если размер меньше, то кла­ стер распадается. Если в пересыщенном растворе имеется другая фаза (чаще другой кристалл «S»), то на ее поверхности происходит рост кри­ сталла путем адсорбции. Это гетерогенная нуклеация. В обоих случаях размер образующихся кристаллов от 0,5 до 2 нм в диаметре.

Механические свойства таких структур как кость и эмаль зависят от величины кристаллов. Процесс нуклеации происходит только в пере­ сыщенном растворе. Рост кристаллов происходит при более низких концентрациях раствора.

Рост кристалла происходит на образовавшемся ядре путем до­ бавления новых ионов с образованием спиралевидных структур. Другие ионы и молекулы, содержащиеся даже в небольшой концентрации в растворе, могут тормозить кристаллизацию. Полагают, что они адсор­ бируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ио­ нов. Так, гексаметафосфат тормозит кристаллизацию карбоната каль­ ция, пирофосфаты, полифосфаты, полифосфанаты, некоторые белки слюны тормозят нуклеацию и рост кристаллов гидроксиапатитов.

Изучение кристаллов осуществляют методом рентгенструктурно-

596

го анализа. Частички, из которых построен кристалл, располагаются симметрично и называются элементарными ячейками. Ячейки образуют сетку, называемую матрицей. Различают семь типов ячеек и соответст­ венно семь типов кристаллов: моноклинные, триклинные, орторомбиче­ ские, тригональные, тетрагональные, гексагональные, кубические.

Инициаторами минерализации в тканях являются молекулы, которые могут связываться с коллагеном: протеогликаны, гликозаминогликаны, фосфопротеины, белки, содержащие у-карбоксиглутаминовую кислоту. Например, остеонектин связывается с коллагеном и гидроксиапатитом и может вызвать нуклеацию апатита из раствора фосфата кальция.

Электронно-микроскопические исследования показали, что в зоне минерализации образуются внеклеточные пузырьки, связанные с мем­ бранами и содержащие кристаллы апатита. Они и являются зонами нуклеации, а коллагеновые волокна ориентируют рост кристаллов в про­ странстве. В пузырьках также содержатся липиды, активная фосфатаза, которая расщепляет органические фосфорсодержащие соединения и по­ вышает содержание фосфора в этом месте. Но при минерализации эма­ ли, дентина и цемента такие пузырьки не обнаружены.

Ионный состав крови и межклеточной жидкости может влиять на кристаллы апатитов, т.к. постоянно происходит обмен ионов кристал­ лической решетки. В нем выделяют три этапа.

Вначале (в течение нескольких минут) происходит обмен ионами между гидратной оболочкой кристалла и подвижной' жидкостью, в ко­ торую он погружен. На втором этапе идет обмен ионами между гидрат­ ной оболочкой и поверхностью кристалла. В нем могут участвовать ио­ ны фосфорной кислоты, кальция, фтора, стронция, натрия и др. Это происходит в течение нескольких часов. На третьем этапе ионы прони­ кают вглубь кристаллов, что длится месяцами и годами.

Регуляция метаболизма костной ткани

В общей регуляции метаболизма костной ткани важную роль иг­ рает регуляция кальциевого гомеостаза. Она осуществляется тремя гормонами: паратиреоидными, кальцитонином и кальцитриолом.

На рост костного скелета и метаболизма в костной ткани влияют соматотропин, тироидные гормоны, инсулин, глюкокортикоиды, росто­ вые факторы, гормоны местного действия - простагландины и др.

597

Лекция 56

БИОХИМИЯ ЗУБОВ

Зубы —это сложно устроенный орган, состоящий из трех видов плотных тканей, отличающихся по строению и происхождению: эмали дентина и цемента. Кроме них имеется рыхлая соединительная ткань' входящая в пульпу зуба.

Эмаль - самая твердая ткань, по шкале твердости приближаю­ щаяся к кварцу. Она покрывает коронку зуба. Ее особенностью является то, что сразу после формирования она утрачивает клетки, т.е. она не способна к регенерации. Не имея клеток, она в течение длительного времени поддерживает свое состояние, хотя и подвергается воздейст­ вию различных факторов.

До прорезывания зубов эмаль покрыта мембраной —органической оболочкой, состоящей из бесклеточного слоя (толщинрй ~1 мкм) и слоя клеток, производивших эмаль (толщиной ~10 мкм). Она называется ку­ тикулой. Сразу после прорезывания зуба кутикула стирается, сохраня­ ясь лишь в пришеечной области. При контакте эмали со слюной зуб покрывается органической бесклеточной оболочкой слюнного проис­ хождения, содержащей десквамированный эпителий. Она называется пелликулой. Толщина суточной пленки 2-4 мкм. Она устойчива к действию кислот, но легко разрушается при механическом воздейст­ вии. На поверхности ее находятся бактерии, продукты их метаболизма и погибшие бактерии образуют бляшки, которые кальцифицируются с образованием камней.

Основу зуба составляет дентин. В нем имеются клетки —одонтоб- ласты, которые покрывают внутреннюю часть зуба, его полость. Эти клетки позволяют дентину сохранять способность к регенерации в тече­ ние всей жизни зуба. Коронковая часть дентина покрыта эмалью, а кор­ невая часть —цементом. Корень зуба вставляется прочно в костную ткань и прикрепляется перидонтальными связками.

Эмаль, дентин и цемент отличаются по химическому составу:

Э м а л ь . Большую часть зрелой эмали составляют неорганические вещества - 96%., в незрелой - 37%, эмали молочных зубов - 80%. Структурными единицами являются кристаллы апатитов, из которых формируются эмалевые призмы. Чем четче границы кристаллов, тем степень минерализации выше. В наружном (поверхностном) слое эмали призмы частично доходят до поверхности, поэтому имеются призмати­ ческие и беспризматические участки. Кристаллы в призмах ориентиро­ ваны перпендикулярно к поверхности. Межпризматические пространст­ ва заполнены органическими молекулами и водой. После удаления ми­ неральных компонентов остается тонкая сеть органической матрицы.

598

Неорганические компоненты представлены кристаллами апати­

тов:

-гидроксиапатит - 75%;

-карбонатапатит - от 12 до 19%;

-хлорапатит-4,4%;

-фторапатит—от 0,66 до 1%;

-другие минеральные соединения до 2%.

Кристаллы эмали отличаются от кристаллов других плотных тка­ ней своими размерами: они ~в 10 раз больше кристаллов дентина и ко­ стной ткани. Кристаллы объединяются в призмы, которые содержат миллионы кристаллов. Призмы собраны в пучки, которые идут поперек слоя эмали, изгибаясь в виде спирали.

Содержание Са и Р в эмали составляет 33,6-39,4 и 16,1-18,0% со­ ответственно. В направлении от поверхности зуба к дентину их концен­ трация снижается: Са снаружи 37,8%, внутри 34,5%, Р - 18% и 15%. В идеальном апатите содержится 10 атомов Са, молярное соотношение Са/Р сохраняется постоянным 1,62-1,78 в среднем 1,67, весовое соотно­ шение 2,1-2,3. Замещение Са на Cr, Ва, Mg приводит к уменьшению ко­ эффициента Са/Р, и это способствует развитию кариеса.

Вторым элементом в количественном отношении является Mg (0,3-0,9%). Относительно велико также количество Zn (20-25 мг/100 г сухого остатка) и Fe (2-40 мг/100 г).

На состав и свойства гидроксиапатита влияет состав и свойства раствора, омывающего эти кристаллы. В наружном слое эмали высокая концентрация Са и Р делает его устойчивым к действию кислот. Содер­ жание F в поверхностном слое в 10 раз больше, чем в подлежащем. То же самое относится к хлоридам (Zn, Pb). Содержание же карбонатов Na, Mg, Fe растет в направлении к дентину.

По всей эмали равномерно распределены медь, К, А1. Минеральный состав эмали может колебаться в зависимости от

характера питания.

Самое сильное кариостатическое действие проявляют F, Р, менее - Си, Мо, ванадий, бор, литий, золото.

Кариесогенными элементами считают Mn, Pb, Si (кремний), Se (селен), кадмий.

Содержание воды в эмали: зрелой - 2% (до 3%), незрелой - 20% (до 44%).

Вода находится в двух видах:

-свободная- 0,8-1%;

-связанная —входит в гидратную оболочку кристаллов апатитов

-3-3,3% от массы эмали.

Вода заполняет интерпризматические пространства. Органические компоненты эмали: составляют в незрелой эмали

599