2 курс / Биохимия / Н.Ю.Коневалова - Биохимия

ны изнутри клетки наружу в результате чего на мембране возникает потенциал. 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 ткани является костная ткань. Она отличается большой твердостью, механической прочностью, наличием большого количества межклеточного вещества при сравнительно небольшом числе костных клеток. В межклеточном веществе костной ткани преобладают неорганические соединения. В этом смысле костная ткань уникальна. В организме человека нет другой ткани, столь богатой минералами, кроме тканей зубов. Своеобразное, высокоспециализированное объединение органических и неорганических компонентов кости, правильность ориентации коллагеновых волокон вдоль длинной оси кости, упорядоченное расположение кристаллов минерального вещества костной ткани создали весьма совершенную структуру, обладающую специфическими механическими и физиологическими свойствами.

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

Кость как орган – сложное структурное образование, в котором наряду со специфической костной тканью содержатся красный и желтый костный мозг, хрящ, надкостница, кровеносные сосуды и находящаяся в них кровь. (Л.И. Слуцкий, 1969 г.) Она является опорой мягких тканей и служит рычагом, который перемещается с помощью сокращения 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 зависимости от плотности и расположения их костное вещество делят на

591

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 – 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 содержанием 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 кислоты, 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 ОН–

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

Са10(РО4)6(ОН)2 + 20 F → 10 СаF2 + 6 РО43–+ 2 ОН–

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-β 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 кристалла 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 соотве т- ственно 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 п о- крывается органической бесклеточной оболочкой слюнного происхождения, содержащей десквамированный эпителий. Она называется пелликулой. Толщина суточной пленки 2-4 мкм. Она устойчива к действию кислот, но легко разрушается при механическом воздействии. 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 – 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% соответственно. 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 коэффициента 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 гликозилированы: содержат до 4% гексозаминов и до 4% нейраминовой кислоты. Вторичная структура представлена β-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

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

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