БИОХИМИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ И КОСТНОЙ ТКАНИ

пищеварительная – зубы участвуют в процессе измельчения пищи и формирования пищевого комка.

зубы часть речевого аппарата.

Костная ткань имеет строение, которое не встречается в других видах соедини-

тельной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция.

Структурная организация костной ткани

Особенности костной ткани.

1)высокая минерализация (или кальцификацияя) межклеточного матрикса;

2)сочетание высокой прочности на разрыв с лёгким весом.

Клетки костной ткани и их функции

Характеристика минеральных компонентов

В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который почти целиком находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом нерастворимый гидроксиапатит.

В поверхностных слоях кости содержится небольшое количество аморфного Са3(РО4)2, который придает гибкость костной ткани и является лабильным резервом кальция и фосфатов в организме. С возрастом его содержание уменьшается.потому что кальций связывается с гидроксилапатитом.

Основной кристалл костной ткани - гидроксиапатит Са10(РО4)6(ОН)2. -(75%), 25% - другие апатиты (хлорапатиты, фторапатиты, карбонатапатиты и др.)

Апатиты – образуют прочную ионную решетку гексагональной формы, в которой ионы расположены согласно размеру и заряду. Фосфат-анион имеет наибольший размер, а вокруг фосфатов и между ними располагаются Са2+, ОН-, F- и др. Гидроксильные группы расположены вдоль гексагональной оси,

а фосфатные группы распределяются как равнобедренные треугольники вокруг гексагональной оси. Между кристаллами находятся микропространства, заполненные водой (свободная вода), снаружи каждый апатит покрыт гидратной оболочкой (связанная вода).

Рис.24. Гексогональная форма кристалла гидроксиапатит

В «идеальном» апатите соотношение Са/Р = 1, 67. Это отношение может колебаться от 1,33 до 2, что связано со способностью апатита замещать ионы в ионной решетке. Обмен ионов кристаллов апатита на ионы, находящиеся в растворе, называется изоморфное замещение.

Возможность замены определяется сходством размера и заряда ионов. Кроме изоморфного замещения, состав кристалла апатита можно изменить путем заполнения другими ионами вакантных мест в кристаллической решетке апатита.

Рис.25. Типы гидроксиавпатитов

Этапы проникновения различных элементов в кристаллы ГА

▪проникновение элементов в воду гидратной оболочки кристалла (длится несколько минут);

▪обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристалла

(длится несколько часов); ▪ проникновение ионов в кристалл (длится месяцами и годами).

Наиболее часто имеют место следующие варианты обмена:

Са2+ замещается катионами Sr2+, Ba2+, Mo2+, Mg2+, Pb2+ Катионы Са2+ поверхностного слоя кристаллов, могут на короткое время замещаться катионами K+, Na+.

PO43- обменивается с HPO42-, CO32-

OHзамещается анионами галогенов Cl-, F-, I-, Br-.

наличие остатков фосфосерина, глутамата, ϒ-карбоксиглутаминовой кислоты и аспартата, которые способны связывать Са2+ и таким образом участвовать в образовании кристаллов апатитов;

наличие последовательности аминокислотных остатков арг-глу-асп (R-G-D) в первичной структуре белков, что обеспечивает их связывание с клетками и с белками, формирующими межклеточный матрикс.

Часть белков встречается в межклеточном матриксе всех

минерализованных тканей. Это белки адгезии, кальций-связывающие белки, протеолитические ферменты, факторы роста. Другие белки присущи только данной ткани и связаны с определенными процессами, характерными для этого типа ткани.

Приблизительно 95% органического матрикса костной ткани приходится на коллаген, т.е. коллаген - основной белок костной ткани. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном I типа. Известно, что данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями.

Особенности костного коллагена

содержит больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи;

характерно большое содержание свободных ε-амино-групп лизиновых и оксилизиновых остатков;

повышенное по сравнению с коллагеном других тканей содержание фосфосерина.

Молекулы коллагена не связаны между собой «конец в конец», а смещены на ¼

длины молекулы. Промежутки между молекулами тропоколлагена в костной ткани вы-полняют роль центров минераплизации, где начинается отложение фосфата кальция сначала в аморфном виде с последующим образованием гидроксиапатита.

Роль неколлагеновых белков костной ткани

1)Связывают Са2+, входящий в состав гидроксиапатитаи участвуют в росте кристаллов гидроксиапатитов костной ткани;

2)Являются матрицей вминерализации костной ткани;

3)Связываются с коллагеном, с поверхностями клеток и другими белками костной ткани.

Рис.26. Участие остеонектина в минерализации

Ферменты костной ткани.

1 группа – ферменты общие для любого типа ткани, участвуют в производстве энергии, синтезе АТФ, поставляют субстраты для обмена веществ.

2 группа – тканеспецифичные ферменты соединительной ткани:

•пролил- и лизилгидроксилазы участвуют в гидроксилировании пролина и лизина,

•лизилоксидаза окисляет лизин, поэтому коллагеновые волокна связаны поперечными связям;

•гликозидазы участвуют в прикреплении углеводов к коллагену;

•специфические пептидазы;

•УДФ-трансферазы участвуют в обновлении костного матрикса;

•коллагеназа, гиалуронидаза и сульфатаза.

3 группа – тканеспецифичные ферменты костной ткани:

•щелочная фосфатаза (в остеобластах, рН 9,0) переносит фосфор от органических эфиров на коллагеновую матрицу – главный фермент минерализации;

•кислая фосфатаза (в остеокластах рН 4,5) отщепляет фосфор от органической матрицы, отвечает за резорбцию,

•пирофосфатаза гидролизует пирофосфат до фосфатов (рН 7,0), пирофосфат – ингибитор минерализации в матриксе митохондрий,

•костная АТФ-аза активна в деминерализованных клетках при перестройке костной ткани.

Протеогликаны межклеточного матрикса костной ткани

- высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозамингликанов (90-95%), составляют 10% межклеточного матрикса. Гликозамингликаны – линейные гетерополисахариды:

1.Хондроитин-сульфаты

2.Кератансульфат

3.Дерматансульфат

4.Гиалуроновая кислота

Минерализация костной ткани и твердых тканей зуба Минерализация - отложение неорганических веществ в ранее

образованный органический коллагеновый матрикс кости. При этом минеральные кристаллы включаются внутрь коллагеновых фибрилл и скрепляются с ними с помощью протеогликанов.

Роль матрицы выполняют коллаген, протеогликаны, гликозаминогликаны, Са-связывающие белки: фопротеины и белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту (γ-КГК), для синтеза которой нужен витамин К.

Особенностью процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора.

В целом минерализация кости характеризуется взаимодействием трех факторов:

1)местное повышение концентрации ионов фосфата;

2)адсорбция ионов Са2+

3)сдвиг рН.

Образование кости или ее воссоздание в процессе перестройки костной ткани начинается секрецией остеобластами молекул коллагена и

межклеточного основного вещества костной ткани (главным образом протеогликанов). Мономеры коллагена быстро полимеризуются, образуя коллагеновые волокна.

фосфатазы, ФЛ (ионы кальция в мембранных везикулах связаны в основном

сотрицательно заряженным фосфатидилсерином).

Вмежклеточном матриксе мембранные везикулы разрушаются с освобождением ионов Са2+, пирофосфата, органических соединений,

связанных с остатками фосфорной кислоты. Щелочная фосфатаза отщепляет фосфат от органических соединений. Ионы Са2+соединяются с фосфором, что приводит к образованию аморфного фосфата кальция. Одновременно происходит разрушение протеогликанов, связанных с коллагеном I типа. Освобождающиеся фрагменты протеоглиепнов, заряженные отрицательно, начинают в свою очередь связывать ионы кальция. Часть ионов Са2+ и РО43- связываются с коллагеновыми и неколлагеновыми белками, формирующими

матрицу., что сопровождается образованием ядер кристаллизации. Неколлагеновые белки переносят Са2+ на –NH2 группы лизина, аргинина, на – ОН группы сер, тре, на –СООН группы глу и асп. Из белков костной ткани наиболее активно связывают ионы Са2+ и РО43- остеонектин и GIa-протеины.

В результате ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-

процесс роста кристалла апатита на первичных ядрах кристаллизации в зоне минерализации. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной.

Вэтих условиях коллаген составляет примерно 20% от массы и 40% от объема костной ткани, остальное приходится на долю минеральных компонентов.

Ингибитор процесса минерализации - неорганический пирофосфат.

Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть пирофосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка.

Вкостной ткани много цитрата (1 % от общего содержания) – растворимая, транспортная форма кальция в костной ткани.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.

Ремодулирование костной ткани

Большая часть кальция в костях постоянно обновляется. Ежедневно

кости скелета теряют и вновь восстанавливают примерно 700–800 мг кальция.

Известно, что каждые 30 лет костная ткань изменяется почти полностью. В норме кость «растет» до 20-летнего возраста, достигая пика костной массы. В этот период прирост костной массы составляет до 8% в год. Далее до 30-35-летнего возраста идет период более или менее устойчивого состояния.

Затем начинается естественное постепенное снижение костной массы, составляющее обычно не более 0,3-0,5% в год. После наступления менопаузы у женщин отмечается максимальная скорость потери костной ткани, которая достигает 2-5% в год и продолжается в таком темпе до 60-70 лет. В итоге женщины теряют от 30 до 50% костной ткани. У мужчин эти потери обычно составляют 15-30%.В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия.

Ремоделирование — это сопряженные во времени процессы локальной резорбции и формирования кости в небольших блоках. Известно, что костная ткань служит основным депо кальция в организме и активно участвует в кальциевом обмене. Высвобождение кальция достигается путем разрушения (резорбция) костной ткани, а его связывание – путем образования костной ткани. С этим связан процесс постоянной перестройки костной ткани, продолжающийся в течение всей жизни организма.

Процесс ремоделирования костной ткани происходит в несколько фаз [активации, резорбции, реверсии, формирования (остеогенеза)], в каждую из которых ведущую роль выполняют те или иные клетки.

Остеокласты и остеобласты вовлечены в процесс ремоделирования кости, остеоциты и покровные клетки участвуют в обменных процессах, обеспечивая питание кости и сохранение кальциевого гомеостаза.