4. Особенности метаболизма костной ткани.

Наиболее своеобразным является обмен веществ в костной ткани. По этой причине, анализируя особенности метаболизма в соединительной ткани, в данном разделе в основном внимание будет обращено на биохимические процессы, протекающие в костях.

Клеточными элементами костной ткани являются остеобласты, остеоциты и остеокласты. Остеобласт представляет собой клетку костной ткани, участвующую в образовании межклеточного вещества. Отличительной особенностью остеобластов является наличие мощного аппарата белкового синтеза. Метаболизм костной ткани состоит из двух противоположно направленных процессов - образования новой кости остеобластами и рассасывания старой кости остеокластами. В итоге общая масса кости определяется соотношением интенсивности обоих названных процессов, протекающих в пределах участков обновления костной ткани.

Новообразование кости протекает в две стадии. Первая стадия определяется активностью остеобластов и предусматривает внутриклеточный синтез предшественников компонентов основного вещества (коллагена Iтипа, остеокальцина, сиалопротеинов и протеогликанов, а также щелочной фосфатазы). Многие из них в дальнейшем подвергаются посттрансляционной модификации, которая включает гпдроксилирование пролина и лизина в составе проколлагена, гликозилирование щелочной фосфатазы и гидроксилизированных остатков в структуре коллагена и, наконец, γ-карбоксилирование остатков глютаминовой кислоты в молекуле остеокальцина. Затем выше перечисленные вещества секретируются остеобластами во внеклеточное пространство, где и происходит сборка коллагеновых фибрилл. При этом! под влиянием внеклеточной лизилксидазы образуются характерные для зрелого коллагена межфибриллярные сшивки - пиридинолиновые мостики. Процесс созревания основного вещества занимает 5-10 сут, после чего наступает вторая стадия - стадия минерализации основного вещества.

В состав кристаллов костной ткани входят гидроксиапатиты - Са_l0(Р0₄)₆(ОН)₂, которые имеют форму пластин или палочек. Кристаллы гидроксиапатита составляют лишь часть минеральной фазы образования костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция – Са₃(РО₄)₂. Содержание аморфного Са₃(РО₄)₂подвержено значительным возрастным колебаниям. Преобладающее его количество наблюдается в раннем детском возрасте. В зрелой костной ткани основным компонентом становится кристаллический гидроксиапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са и Р. В состав минеральной фазы кости входит значительное количество ионов, которые обычно не содержатся в чистом гидроксиапатите (например, Na⁺, Mg²⁺, К⁺, С1^-и некоторые др.). Высказано предположение, что в кристаллической решетке гидроксиапатита Са²⁺может замещаться другими двухвалентными катионами.

Приблизительно 95% органического матрикса приходится па коллаген. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями: он содержит несколько больше оксипролина, чем коллаген сухожилий и кожи. Кроме того, для него характерно значительное содержание свободных ε-аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одной особенностью костного коллагена является повышенное по сравнению с коллагенами других тканей содержание фосфата, большая часть которого связана с остатками серина. Коллаген типа I- основной вариант коллагена, обнаруженный в структуре кости. Проколлаген типаI(предшественник коллагена типаI) состоит из двух одинаковых полипептидных αI-цепей и одной α2-цепи. Сборка молекулы проколлагена из этих цепей происходит с образованием межцепочечных дисульфидных связей в С-концевых областях, после чего формируется структура из трех цепей, вместе закрученных в спираль. В таком виде молекулы секретируются клетками. Зачем происходит превращение про коллагена в коллаген путём отщепления С- и N-концевых пропептидов. После этого коллагеновые молекулы собираются в фибриллы, в составе которых происходит созревание коллагена. Суть этого процесс а заключается в том. что от каждой молекулы коллагена, включающейся в структуру фибриллы, отщепляется по одному С- И N-концевому пропептиду,

С-концевой пропептид коллагена типа Iобразуется в виде интактной субъединицы (с молекулярной массой 10 000 Да), стабилизированной межцепочечными дисульфидными связями. Уровень этого пептида хорошо коррелирует с признаками образования костной ткани по данным гистоморфометрии кости.

В состав органического матрикса костной ткани входят компоненты протеогликанов, содержание которых в сформировавшейся плотной ткани невелико. Основным представителем гликозаминогликанов в костной ткани является хондроитин-4-сульфат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся лишь в небольших количествах.

Принято считать. что гликозаминогликаны имеют непосредственное отношение к процессу оссификации. Окостенение сопровождается изменением соотношения гликозаминогликанов: сульфатированные уступают место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды. Они принимают участие в процессе минерализации. Есть основание полагать, что липиды могут играть существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Своеобразной особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата. Об этом свидетельствует тот факт, что около 80% его общего количества в организме приходится на долю костной ткани. Полагают, что цитрат необходим для минерализации конечной ткани. Вероятно, цитрат образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая тем самым возможность повышения их концентрации в ткани до такого уровня, при котором могут начаться процессы кристаллизации и минерализации.

Интенсивность костеобразования зависит от активности щелочной фосфатазы (ЩФ) и концентрации важнейшего белка - остеокальцина. Согласно современным данным, ЩФ существует в виде нескольких изоформ, характерных для кости, печени и почек. Большая часть активности ЩФ, находящейся в кровотоке, связана с печеночным и костным изоферментами. Активность фермента определяют различными методами, в том числе с помощью моноклональных антител.

Другим показателем интенсивности костеобразования является белок остеокальцин, молекула которого состоит из 49 аминокислот (молекулярная масса 5 800 Да). Этот белок продуцируется остеобластами во внеклеточном пространстве и активно связывается с микрокристаллами гидроксиапатита. Небольшая его часть попадает в кровь. Уровень остеокальцина в плазме может быть определен иммунологическими методами. Изменение его уровня в сыворотке крови отражает метаболическую активность костной ткани при некоторых видах патологии.

Процесс рассасывания костной ткани осуществляется остеокластами. Они растворяют минеральную основу кости и расщепляют органический компонент основного вещества, что приводит к высвобождению в кровоток кальция, фосфора, ряда ферментов и продуктов распада органической фазы кости. Биохимические показатели рассасывания кости. используемые в лабораторной практике, включают определение количества продуктов распада коллагена (гидроксипролин, гликозиды гидроксилизина, производные пиридина, стабилизированные телопептиды) и «костноспецифичсский» изо фермент кислой фосфатазы. Наиболее специфичным исследованием является определение уровня С-концевого телопентида (С-КТП), который образуется при поперечном «сшивании» С-концевых пептидов двух α2-цепей и одной α1- или α2-цепи другой коллагенновой молекулы. Концентрация С-КТП коррелирует со скоростью рассасывания кости. У больных остсопорозом сывороточная концентрация СКТП является хорошим показателем эффективности лечения и прогноза.

Концентрацию другого полипептида - N-концевого телопептида (N-КТП), который по сравнению с С-КТП богаче дезоксипиридинолиновыми «сшивками», определяют иммунодиагностическими методами. Высокая информативность теста обеспечивает прогнозирование эффективности антирезорбтивной терапии при болезни Педжета, остеопорозе и потере костной массы в постменопаузе.

Таким образом, для оценки патологии костной ткани наиболее адекватными являются тесты па С.N-КТП в связи с преобладанием в костной ткани коллагена типа 1. При других заболеваниях соединительной ткани (ревматоидном артрите, остеоартрите) образуются пептидные фрагменты, являющиеся продуктами распада коллагена типа II.

Высокоспецифичным тестом для диагностики степени тяжести поражения костной системы является также определение активности кислой фосфатазы. Остеокласты содержат большое количество кислой фосфатазы, которая в отличие от фосфатазы, выделенной из предстательной железы (простатического фермента). не ингибируется солью виннокаменной кислоты. Уровень кислой фосфатазы у больных с усиленным рассасыванием кости существенно повышен.

Современными методами высокоэффективной жидкостной хроматографии и иммунодиагностики показано, что критериями рассасывания костной ткани, содержащей коллаген Iтина, являются аминокислоты гидроксипролин, гликозиды гидроксипролина, а также производные пиридина (лизилпиридрлин, гидроксилизилпиридолин или дезоксипиридолин). Применение высокоспецифических методов позволило установить, что экскреция с мочой пиридолина или дезоксипиридолина возрастает у больных остеопорозом и болезнью Педжета. Эффективное лечение этих заболеваний сопровождается значительным снижением экскреции пиридинолиновых производных.

Многие гормональные влияния имеют существенное значение для отдельных разновидностей соединительной ткани. В заключение рассмотрим лишь влияния гормонов на соединительную ткань, которые носят общий характер. Так, под влиянием глюкокортикоидных гормонов (кортизона и его аналогов) угнетается биосинтез коллагена фибробластами, а также синтез протеогликанов. Предполагают, что при участии этих гормонов происходит активация ферментного катаболизма белков соединительной ткани.

Минералокортикоиды (альдостерон, дезоксикортикостерон) надпочечников, напротив, стимулируют пролиферацию фибробластов с одновременным усилением биосинтеза межуточного вещества соединительной ткани. Известно также, что тироксин вызывает усиленную деполимеризацию гиалуроновой кислоты, а соматотропный гормон гипофиза стимулирует включение пролина в полипептидную цепь тропоколлагена.

Регуляция метаболизма костной ткани осуществляется с помощью гормонов, ферментов и витаминов. Известно, что межклеточные компоненты костной ткани находятся в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфора сыворотки крови. Важная роль в поддержании гомеостаза кальция и фосфора принадлежит паратиреоидному гормону (ПТГ - гормону паращитовидных желез), кальцитонину (гормону щитовидной железы) и кальцитриолу (активной форме витамина D).

При падении концентрации ионов Са²⁺в плазме крови ниже допустимой границы (<1,1 ммоль/л) возрастает секреция паратиреоидного гормона и происходит активация остеокластов - главных клеточных элементов, ответственных за резорбцию костной ткани. В результате этого растворяются содержащиеся в костях минеральные соединения. Кальций в форме цитрата кальция поступает из костей в кровь и, таким образом, его уровень в крови повышается. ПТГ увеличивает также реабсорбцию кальция в почечных канальцах.

Второй важный аспект действия ПТГ на почки - стимуляция образования кальцитриола, основная биологическая роль которого заключается в стимуляции всасывания кальция и фосфата в кишечнике. Кальцитриол - единственный гормон, способствующий транспорту кальция против концентрационного градиента, существующего на мембране клеток кишеч-ника. При недостаточности витамина D (кальцитриола) замедляется формирование новых костей и нарушается обновление костной ткани. По своей химической природе калцитриол является одним из активных метаболитов витамина D - 1,25дигидроксихоликальциферолом (обозначается 1,25-(ОН)₂О₃). Он так же принимает участие в процессе резорбции костной ткани и усиливает действие ПТГ па реабсорбцию кальция и фосфора в почечных канальцах. Координированные действия этих веществ направлены на увеличение уровня кальция во внеклеточной жидкости при постоянстве или снижении уровня фосфата. Как только концентрация внеклеточною Са²⁺- возвращается к норме, секреция ПТГ по механизму обратной связи снижается,. а вместе с этим тормозится и образование кальцитриола.

Другой активный метаболит витамина D– 24, 25-дигидроксихоликальциферол (24,25(ОН)₂D₃) регулирует процессы остеогенеза и восстановления костной ткани. Синтез пцроксилированных форм витамина 1) происходит в печени (образование 25(ОН)₂D₃), а образование 1.25(ОН)₂D₃и 24.25-(ОН)D₃, - в ночках, где 1, α-гидроксилаза и 24, α-гидроксилаза проявляют свою активность. Высокая активность 1, α-гидроксилазы обнаружена также в костной ткани и в плаценте. При недостатке витаминовDу человека развивается картина давно известной болезни – рахита, при которой в силу недостаточной кальцификации скелета происходит деформация костей.

При повышении содержания ионов кальция в сыворотке крови происходит активация секреции гормона кальцитонина. Действие этого гормона заключается в снижении активности остеокластов, т.е. угнетении процесса костной резорбции. Происходит снижение концентрации ионов кальция за счёт отложения его в костной ткани в форме гидроксиапатита. Иными словами, кальцитонин стимулирует минерализацию кости.

На развитие костной ткани влияет также витамин А, который участвует в процессе остеогенеза, в частности, в синтезу хондроитинсульфатов. Прекращение роста костей является проявлением недостаточности витамина А. Гипервитаминоз же витамина А вызывает резорбцию костной ткани, что может приводить к переломам.

И, наконец, укажем, что для нормального развития костной ткани также необходим витамин С, действие которого определяется участием в биосинтезе коллагена. Витамин С обеспечивает реакции гидроксилирования пролина и лизина. При его недостаточности остеобласты не способны синтезировать полноценный коллаген, в результате чего происходит нарушение процессов оссификации. Дефицит аскорбиновой кислоты в организме сказывается и на синтезе гликозаминогликанов (в частности, содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как синтез хондроитинсульфатов замедляется). Особое место занимают изменения метаболизма в соединительной ткани при старении. В процессе старения все виды соединительной ткани претерпевают изменения основного вещества и постепенное уменьшение содержания воды. Нарастает общее количество коллагена, одновременно изменяются его физико-химические свойства. Увеличивается количество и степень прочности внутри- и межмолекулярных поперечных связей, а также снижается эластичность и способность к набуханию коллагеновых структур. Повышается стабильность коллагеновых волокон за счёт прогрессирования процесса «созревания» фибриллярных структур соединительной ткани.

Установлено, что старение коллагена in vivo не равнозначно «износу», а является итогом протекающих в организме метаболических процессов, влияющих на молекулярную структуру коллагена. Снижается концентрация гликозаминогликанов; изменяется количественное соотношение между отдельными гликозаминогликанами, в частности, существенно изменяется содержание гиалуроновой кислоты.