Костная ткань: структура, минеральные и органические вещества кости. Значение цитрата для костной ткани.
Функции
костной ткани в организме:
1. Опорно-механическая (основная) - образование скелета и обеспечение перемещения тела в пространстве.
2. Защитная – защита внутренних органов и головного мозга.
3. Депонирующая – костная ткань депо минеральных веществ в организме.
4. Специфические:
- костный мозг входит в состав кроветворной и иммунной систем;
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 соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция.
Особенности
костной ткани. 1) высокая минерализация
(или кальцификацияя) межклеточного
матрикса; 2) сочетание высокой прочности
на разрыв с лёгким весом.
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).
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.
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+.
PO4 3- обменивается с HPO4 2- , CO3 2-
OH- замещается анионами галогенов Cl-, F-, I-, Br-. В результате замены изменяются свойства апатита. Например, замена Са2+ на H+ снижаетпрочность кристалла (т.к. размер Н+ < Са2+, то протоны внедряются в кристалл, в результате чего кристалл апатита разрушается). В кислой среде разрушение происходит наиболее интенсивно. Замена ОН- на F увеличивает прочность кристалла апатитов. В водной среде реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция зависит от концентрации фтора. Если она не более 500мг/л, то образуются кристаллы фторапатита Са10(РО4)6F2. Оптимальная концентрация F в воде 1 мг%, при увеличении содержания образуется нерастворимый флюорит кальцияСа10(РО4)6(ОН)2 + 20F→ 10CaF2 + 6PO4 3- + 2HOи кристаллы не образуются. В связи с этим, в щелочной среде развивается флюороз. При замещении Са2+ на Sr, Са10(РО4)6(ОН)2 + Sr2 + → Са9Sr2+(РО4)6(ОН)2 + Ca2+ особенно наSr90, который является β- излучателем, развивается стронциевый рахит, для которого характерны хрупкость и ломкость костей и зубов, переломы, деформации скелета.
Органический
матрикс кости.
Органические вещества костного матрикса
представлены белками, липидами и
небольшим количеством протеогликанов.
Особенности белков всех минерализованных тканей:
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-аминогрупп 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 выполняют 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.
Основная органическая кислота, находящаяся в костной ткани - цитрат. Её содержание в 230 раз превышает концентрацию в печени и достигает 90%. Активность цитратсинтетазы значительно выше активности ферментов, принимающих участие в распаде лимонной кислоты, а она, накапливаясь, принимает участие в регуляции уровня Са в сыворотке крови. Причем лимонная кислота находится в двух формах:
1. растворимой - принимает участие в цикле трикарбоновых кислот;
2. нерастворимой - неактивной, входящей в состав минерального компонента костной ткани.