2 курс / Биохимия / БИОХИМИЯ

компактное и губчатое. Компактное костное вещество в основном содержится 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 сильное развитие эндоплазматического ретикулума и наличие мощного аппарата белкового синтеза, что характерно для интенсивно секретирующих 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 остеобластов. Также способны синтезировать компоненты межклеточного вещества.

Между этими клетками в молодой и зрелой кости имеются большие 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 развитым эндоплазматическим ретикулумом, содержащие мало рибосом, но большое количество лизосом и митохондрий. В связи с этим у них ограничена способность синтезировать РНК и белки, а основной функцией является рассасывание (резорбция) костной ткани (органического матрикса и межклеточного вещества).

Характерной особенностью костной ткани является ее способность 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 Ã матрикс со-

стоит из коллагеновых волокон, ориентированных в одном направлении. 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 концентрически, 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 – составляет 95% органического матрикса. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы образованы коллагеном I типа, который в костной ткани отличается более высоким содер-

жанием оксипролина, лизина, оксилизина и фосфатов, связанных с остатками серина.

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

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

Костный сиалопротеин. М.м. 59000 Да. Содержит много сиаловых 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 связывание с клетками происходит через специальный рецептор, содержащий 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 костной ткани. Синтез костного сиалопротеина тормозится кальцитриолом и стимулируется дексаметазоном.

Остеокальцин. 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 вызывают 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

лый гликопротеин, является анионным белком за счет высокого содержания остатков аспарагиновой кислоты, но меньше содержит углеводов. 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. Полагают, 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, позволяющую ему связываться с поверхностями клеток. Связывается с другими 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 сосредоточено 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 Са10(РО4)6Х2, где Х – 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 ионами с окружающей средой.

594

В состав костей и тканей зубов входят соли НРО42– и РО43–, т.е.

ортофосфаты кальция. Пирофосфаты входят в состав зубного камня. В ходе замещения ионов в апатите поддерживается принцип общего распределения зарядов. Главным же фактором, определяющим возможность 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 фтора (до 500 мг/л) образуются кристаллы фторапатита.

Са10(РО4)6(ОН)2 + 2 F Са10(РО4)6F2 + 2 ОНÃ

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

Са10(РО4)6(ОН)2 + 20 F 10 СаF2 + 6 РО43Ã+ 2 ОНÃ

Продукт реакции СаF2.

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 гидрокарбонат иона образуется карбонатный апатит более аморфный, чем основная соль фосфата кальция. Его структура сходна со структурой апатита 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 растворимости.

К природным формам фосфата кальция также относятся:

Витлокит – одна из форм трикальций фосфата- Са3(РО4)2 содержит в кристаллической решетке ионы Mg2+, Mn2+ или Fe2+. Образует

ромбические кристаллы. В организме встречается редко. Входит в состав зубного камня и обнаруживается в кариозно пораженной эмали.

Монетит (СаНРО4) и брушит (СаНРО4!2Н2О) – в организме встречаются редко. Брушит обнаружен в дентине и зубном камне. Монетит образует кристаллы в виде треугольных пластинок, но иногда в

595

виде палочек и призм, брушит – клиновидной формы. Растворимость кристаллов зависит от рН, увеличивается в кислой среде (при рН меньше 6,0). При нагревании брушит превращается в монетит.

Октокальций фосфат – Са8(НРО4)2(РО4)4!5Н2О. Занимает про-

межуточное положение между кислыми солями – монетитом и брушитом – и основной солью – гидроксиапатитом. Входит в состав зубного камня.

Кристаллы в виде тонких пластинок, напоминают кристаллы апатита. 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 позвоночных в основе минерализации костного скелета лежит образование кристаллов с участием фосфатов кальция.

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. В процессе осаждения 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 объединяются в кластеры. Если размер их больше критического радиуса кристалла, то происходит рост кристалла. Если размер меньше, то кластер 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 пересыщенном растворе. Рост кристаллов происходит при более низких концентрациях раствора.

Рост кристалла происходит на образовавшемся ядре путем добавления новых ионов с образованием спиралевидных структур. Другие ионы и молекулы, содержащиеся даже в небольшой концентрации в растворе, могут тормозить кристаллизацию. Полагают, что они адсорбируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ионов. Так, гексаметафосфат тормозит кристаллизацию карбоната кальция, 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 соответственно семь типов кристаллов: моноклинные, триклинные, орторомбические, тригональные, тетрагональные, гексагональные, кубические.

Инициаторами минерализации в тканях являются молекулы, которые могут связываться с коллагеном: протеогликаны, гликозаминогликаны, фосфопротеины, белки, содержащие γ-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 мембранами и содержащие кристаллы апатита. Они и являются зонами нуклеации, а коллагеновые волокна ориентируют рост кристаллов в пространстве. В пузырьках также содержатся липиды, активная фосфатаза, которая расщепляет органические фосфорсодержащие соединения и повышает содержание фосфора в этом месте. Но при минерализации эмали, дентина и цемента такие пузырьки не обнаружены.

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

Вначале (в течение нескольких минут) происходит обмен ионами между гидратной оболочкой кристалла и подвижной жидкостью, в которую он погружен. На втором этапе идет обмен ионами между гидратной оболочкой и поверхностью кристалла. В нем могут участвовать ионы фосфорной кислоты, кальция, фтора, стронция, натрия и др. Это происходит в течение нескольких часов. На третьем этапе ионы проникают 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, ростовые 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 приближающаяся 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 воздействию различных факторов.

До прорезывания зубов эмаль покрыта мембраной – органической оболочкой, состоящей из бесклеточного слоя (толщиной ~1 мкм) и слоя клеток, производивших эмаль (толщиной ~10 мкм). Она называется кутикулой. Сразу после прорезывания зуба кутикула стирается, сохраняясь лишь в пришеечной области. При контакте эмали со слюной зуб покрывается органической бесклеточной оболочкой слюнного происхождения, содержащей десквамированный эпителий. Она называется пелликулой. Толщина суточной пленки 2-4 мкм. Она устойчива к дейст-

вию кислот, но легко разрушается при механическом воздействии. На поверхности ее находятся бактерии, продукты их метаболизма и погиб-

шие бактерии образуют бляшки, которые кальцифицируются с образованием камней.

Основу зуба составляет дентин. В нем имеются клетки – одонтобласты, которые покрывают внутреннюю часть зуба, его полость. Эти клетки позволяют дентину сохранять способность к регенерации в течение всей жизни зуба. Коронковая часть дентина покрыта эмалью, а корневая часть – цементом. Корень зуба вставляется прочно в костную ткань и прикрепляется перидонтальными связками.

Эмаль, дентин и цемент отличаются по химическому составу: Эмаль. 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 призматические и беспризматические участки. Кристаллы в призмах ориентированы перпендикулярно к поверхности. Межпризматические пространства заполнены органическими молекулами и водой. После удаления минеральных 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 тканей своими размерами: они ~ в 10 раз больше кристаллов дентина и костной 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 концентрация 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 соотношение 2,1-2,3. Замещение Са на Cr, Ba, 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. Содержание 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, K, Al.

Минеральный состав эмали может колебаться в зависимости от характера питания.

Самое сильное кариостатическое действие проявляют F, P, менее

– Cu, Mo, 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

–19-20%, в зрелой – 0,1% (до 4%).

Всозревающей эмали содержатся два вида белков:

– амелогенины,

– энамелины.

Вначале основная масса представлена амелогенинами (90%), по

мере созревания эмали они разрушаются и увеличивается количество энамелинов.

Амелогенины – м.м. не больше 30000 Да. Содержат много про, гис, лей, глу. Гидрофобны и склонны к агрегации, не содержат гидроксипролина и цистеина.

Энамелины – кислые белки с м.м. 50000-70000 Да. Сильно глико-

зилированы: содержат до 4% гексозаминов и до 4% нейраминовой кислоты. Вторичная структура представлена -структурой.

Количество белков по мере созревания эмали уменьшается больше, чем в 100 раз.

Кроме белков содержатся пептиды, липиды, моносахариды. Белков содержится больше во внутренней части эмали, чем на на-

ружной поверхности. Белки и пептиды, расположенные снаружи, более растворимы в воде.

В эмали обнаружен Са-связывающий белок (м.м. 20000 Да), кото-

рый, присоединяя Са, полимеризуется и переходит в нерастворимую форму, образуя белковую трехмерную сетку, нерастворимую в нейтральной среде. Одна молекула связывает 8-10 Са+2. Сетка белков свя-

зывается через Са с гидроксиапатитом и фиксируется на волокнах амелогенинов. Таким образом, возникает белковая матрица эмали, которая инициирует дальнейшие процессы нуклеации и кристаллизации гидроксиапатита и определяет расположение и ориентацию кристаллов.

Это обусловливает последовательность формирования эмали и упорядоченность, и равномерность ее структуры.

Транспорт минеральных веществ происходит:

1.в направлении: пульпа дентин эмаль.

2.из слюны.

Проницаемость эмали язычной поверхности зубов больше, чем губной.

Для проницаемости важное значение имеют микропространства, заполненные водой, по которым могут проникать вещества в зависимости от осмотического давления и радиуса ионов.

Дентин

В дентине содержится до 72% неорганических веществ, 17% органических и 13% воды.

Неорганические вещества представлены гидрокси- и фторапати-

600

товыми кристаллами и аморфным фосфатом Са.

Так как дентин – разновидность соединительной ткани, то главными компонентами органического матрикса являются коллаген и протеогликаны. Коллаген, как и костный, I типа.

Клетки дентина – одонтобласты функционируют на протяжении всей жизни зуба. Они образуют тонкий слой, выстилающий полость зуба. Их отростки пронизывают дентин до сочленения его с эмалью, формируя дентиновые каналы. В них проходят и окончания нервных волокон, проникающих из пульпы. По этим канальцам проходит зубной ликвор, т.е. они выполняют трофическую функцию.

Основное вещество содержит гликозаминогликаны, представленные хондроитин-4-сульфатом, хондроитин-6-сульфатом, гиалуроновой

кислотой (т.е. склеивающее вещество). В этом веществе содержится большое количество минеральных солей. В основном веществе располагаются коллагеновые фибриллы, собранные в пучки. К неколлагеновым белкам относятся фосфопротеины (богаты сер, асп, поэтому эстерифицированы фосфатом и имеют кислые свойства). Кислые свойства обусловливают способность связывать Са. Эти белки появляются в предентине перед началом минерализации и располагаются на линии фронта минерализации.

В дентине мало белков с остатками γ-карбоксиглутаминовой ки-

слоты. Низкое содержание и других органических веществ: липидов, фосфолипидов.

Неорганический компонент дентина отличается высоким содержанием Mg (в 3 раза больше, чем в костях), карбонатов (больше чем в эмали). F содержится больше в области, граничащей с пульпой. Его ко-

личество увеличивается с возрастом.

Гидроксиапатит отличается от эмалевого по отношению Са/Р (здесь 1,5-1,7). Химический состав дентина не совпадает с формулой

гидроксиапатита, т.к. в нем содержится аморфный фосфат и карбонат Са, вода и другие ионы (Mg, Na, Sr).

Формирование дентина может идти в течение всей жизни (после прорезывания зубов) – образуется вторичный дентин, заполняющий полость зуба и менее минерализованный.

Цемент – различают 2-х типов:

–клеточный – в верхушечной части корня и в области бифуркации корней,

–бесклеточный – покрывающий остальную часть корня. Клеточный цемент по составу похож на грубоволокнистую кость

исодержит цементоциты.

Бесклеточный не содержит эти клетки и состоит из коллагеновых волокон и матрикса.

Химический состав:

601