Глава 5. КОСТНАЯ ТКАНЬ

Скелет человека насчитывает более 200 костей, у взрослых людей весит около 12 кг, т.е. составляет 18% общей массы человека.

Скелет выполняет механическую функцию, т.е. является опорой тела и способствует передвижению. Вся архитектоника костной ткани идеально соответствует опорной функции скелета и обеспечивает ему высокую прочность; бедренная кость, составляющая основу нижней конечности в вертикальном положении, выдерживает давление 1,5 т., а также другие важные для организма функции. Скелет активно участвует в обмене веществ, в частности в поддержании гомеостаза минерального состава крови. Костная ткань является мощным депо неорганических соединений и служит буфером, стабилизирующем ионный состав внутренней среды: в скелете сосредоточено 99% кальция, 87% фосфора и 58% магния, минеральная часть кости, представляет систему с огромной поверхностью, находящуюся в постоянном контакте с окружающей тканевой жидкостью. Биологическая функция костной системы определяется ее участием в процессах кроветворения, причем кроветворная функция принадлежит не только костному мозгу, но и всей кости в целом. Защитная функция скелета осуществляется путем образования из отдельных костей каналов и полостей. Так, костный канал позвоночника защищает спинной мозг, череп – головной мозг.

5.1.Строение костной ткани

Как и любая ткань, костная ткань состоит из клеток и межклеточного вещества. Остеобласты – клетки созидатели костной ткани; остеокласты

– гигантские клетки, участвующие в процессе резорбции костной ткани; остеоциты – замурованные в минеральном веществе, слабо функционирующие остеобласты, поддерживающие структуру костной ткани.

Межклеточное вещество костной ткани состоит из органического матрикса (20-25%), минеральной фазы (60-70%) и воды (15-20%).

Органический матрикс костной ткани занимает ¾ ее объема и на 9095% состоит из фибриллярного белка коллагена и 5% неколлагеновых белков, липидов, органических кислот и др.

Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном типа І ([a1(І)]2a2). Аминокислотный состав коллагена высокоспецифичен. 1/3 всех аминокислот, входящих в его состав, приходится на глицин, в нем также высокое содержание оксилизина и оксипролина; около 75% аминокислот остатков коллагена имеют гидрофобные радикалы, что и обусловливает его нерастворимость, метаболическую инертность и устойчивость к действию различных агентов. Костный коллаген содержит больше свободных аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков, а также остатков фосфорной кислоты, которые являются инициальными факторами минерализации.

22

Неколлагновые белки, которые составляют 5% органического матрикса кости, представлены протеогликанами и гликопротеинами.

Гликопротеины – это белково-углеводные комплексы, углеводная часть которых представлена аминосахаридами, состоящими из 2-15 моносахаридных единиц: гексозамины, гексозы, сиаловые кислоты, фукоза.

Гликопротеины, специфические для костной ткани, характеризуются наличием связанных с серином фосфатных остатков. Костный сиалопротеин, который характеризуется высоким содержанием сиаловых кислот, в отличие от других гликопротеинов, содержит углеводы не в виде олигосахаридов, прикрепленных к разным частям молекулы белка, а в виде разветвленного полисахарида. Наряду с коллагеном и хондроитинсульфатом гликопротеины костной ткани играют важнейшую роль в фиксации минеральных компонентов органическим матриксом. ¾ гликозаминогликанов кости представлены хондроитин-сульфатом и кератансульфатом; преобладающий гликозаминогликан костной ткани – хондро- итин-4-сульфат.

Гликоген составляет всего 0,005% органического матрикса кости (5- 8 мг на 100 г ткани). Минерализация органического матрикса костной ткани требует больших энерготрат, главным образом за счет расщепления гликогена. В костной ткани синтез АТФ происходит за счет анаэробного гликолиза, причем этот путь ресинтеза АТФ доминирует в кости даже в условиях хорошей насыщенности кислородом. Более 80% глюкозы, потребляемой зрелой костью, подвергается гликолитическому расщеплению. В процессе гликолиза образуются сложные фосфоэфиры с энергетическими связями, которые отдают фосфат в основное белковое вещество.

Костная ткань содержит огромный запас цитрата (лимонной кислоты). В ней сосредоточено около 90% общего количества этого соединения. Биологическое значение лимонной кислоты определяется ее высокой комплексообразующей активностью с ионами кальция. Лимонная кислота принимает участие в регуляции гомеостаза кальция в сыворотке крови; взаимодействие ее с кальцием находится под гормональным контролем паращитовидных желез. При гипокальциемии паратирин блокирует изоцитратдегидрогеназу цикла Кребса, что приводит к накоплению цитрата и образованию цитрата кальция, который нормализует уровень кальция в крови.

Содержание липидов в костной ткани около 0,61% на сухой вес ткани; из них 33% приходится на неполярные и 0,28% - на полярные липиды. Полагают, что липиды могут играть непосредственную роль в образовании ядер кристаллизации.

Набор ферментов костной ткани включает как энзимы, осуществляющие специфические биосинтетические функции кости, так и катализаторы, необходимые для поддержания жизнедеятельности клеток.

К ферментам, принимающим участие в фосфатном обмене костной ткани, относятся щелочная и кислая фосфатазы и пирофосфатаза.

23

Щелочная фосфатаза принимает участие в процессах переноса ионов фосфатной кислоты (РО4)-3 от эфира к компонентам органического матрикса кости, участвуя в образовании ядер кристаллизации, т.е. обеспечивает остеогенез. Щелочная фосфатаза локализована главным образом в остеобластах и обладает свойством освобождать из органических фосфоэфиров неорганический фосфат, используемый для образования и осаждения фосфорнокислого кальция.

Определение активности щелочной фосфатазы в сыворотке крови широко используется в медицине для диагностики остеогенеза. В тех случаях, когда в костной ткани бурно протекают процессы, связанные с перестройкой костной ткани, в крови отмечается нарастание активности фермента.

Кислая фосфатаза вырабатывается преимущественно остеокластами и принимает участие в резорбции костной ткани. Относится к лизосомальным ферментам. Повышение ее активности усиливает деминерализацию костной ткани.

Пирофосфатаза участвует в процессах минерализации, которая выполняет специальную функцию – снимает в минерализованных тканях ингибирующее действие неорганического пирофосфата на процессы обызвествления коллагеновых волокон.

Минеральная фаза кости существует в двух формах: кристаллическая и аморфная. Кристаллическая фаза – мало лабильное депо минеральных компонентов кости, представлена апатитами. Аморфная фаза контактирует с межклеточным веществом; это мобильный пул минеральных веществ; представлена главным образом фосфорнокислым кальцием, не имеющим структуры апатита – Са3(РО4)2.

В составе костной ткани выявлено около 10 минералов группы апатита, основным из которых является гидроксиапатит – Са10(РО4)6 (ОН)2.

Са10(РО4)6 СО3 - карбонатный апатит

Са10(РО4)6 Cl2 - хлорный апатит Са10(РО4)6 F2 – фторапатит

Са9 Sr(РО4)6 (ОН)2 - стронциевый апатит.

Такие анионы как карбонат или цитрат, адсорбируясь на кристаллах, нарушают их структуру. В отличие от них, фтор-ионы оказывают благоприятное влияние на рост кристаллов.

Особого внимания заслуживает стронций, который выступает как антагонист и конкурент кальцию в физико-химических процессах. Стронций конкурирует с кальцием за места в кристаллической решетке гидроксиапатита, однако стронций в скелете удерживается в меньшей степени, чем кальций. При дефиците кальция в рационе стронций поглощается организмом в значительно больших количествах, чем в норме. При пятикратном увеличении содержания кальция в диете включение стронция снижается на 50%. 90Sr долгоживущий радионуклид с периодом полураспада 30 лет. При длительном поступлении избыточных количеств стронция, 99% его откладывается в костях.

24

5.2. Минерализация костной ткани

Образование костной ткани схематически может быть представлено как синтез органической матрицы с последующим ее обызвествлением. До настоящего времени не существует единой общепринятой теории минерализации твердых тканей. Сложность вопроса заключается, прежде всего, в том, что при физиологических условиях минерализация происходит только в определенных участках организма – в скелете, хотя подавляющее большинство химических компонентов, входящих в состав кости, содержится и в других н еобызвествленных тканях. Видимо, в кальцифицирующемся матриксе создаются особые условия, способствующие образованию и осаждению минералов. К факторам, контролирующим кристаллообразование на волокнах коллагена, относится пирофосфат, который ингибирует минерализацию. В костной ткани это действие снимается неорганической пирофосфатазой. Отсутствие минерализации в других тканях, богатых коллагеном, объясняют отсутствием фермента, гидролизующего неорганический пирофосфат.

Минерализация – это конечный этап образования костной ткани, которому предшествуют процессы синтеза остеобластами коллагена и неколлагеновых белков - протеогликанов и гликопротеинов. Минеральные компоненты поступают из окружающей жидкой фазы, которая является «пересыщенной»; образование кристаллов индуцируется нуклеацией, т.е. образованием поверхности, на которой может легко происходить формирование кристаллической решетки.

Образование кристаллов минерального остова кости индуцирует трехцепочечный коллаген. Формирование минеральной кристаллической решетки начинается в зоне, находящейся между коллагеновыми фибриллами. Определяющим фактором при этом является взаимное расположение соседних трехцепочечных спиральных молекул коллагена. Основу структурной организации коллагенового волокна составляют сдвинутые на четверть ступенчато расположенные параллельные ряды тропоколлагеновых молекул. Между концом одной молекулы и началом следующей имеется промежуток около 400 Å. Оказалось, что первые кристаллы откладываются с интервалом порядка 680 Å, что совпадает с периодом коллагенового волокна. Вероятно, промежутки вдоль ряда молекул тропоколлагена играют роль центров отложения минеральных составных частей кости.

В процессе формирования кости кристаллы образуются сначала в зоне коллагеновых волокон. Первоначально основная часть кристаллов фиксируется по ходу фибрилл коллагена с помощью химических связей, в частности фосфосерина, который является центром инициации минерализации.

25

CH2 CH CO

O NH

-O PO

2+Ca -O

Следующий механизм минерализации связан с участием гидроксилизина, входящего в состав коллагена:

На основе карбоксиглутаминовой кислоты также образуется центр инициации минерализации. Витамин К является коферментом g- глутамилкарбоксилазы - фермента, который карбоксилирует остатки глутаминовой кислоты.

Гликоген постоянно содержится в больших количествах в зонах минерализации. Количество его снижается одновременно с осаждением кальциевых солей. Гликоген служит источником сложных фосфорных эфиров, из которых после ферментативного гидролиза образуется неорганический фосфат. В процессе гидролиза образуются сложные эфиры с энергетическими связями, которые отдают фосфат в основное белковое вещество.

Важную функцию в процессах минерализации выполняют гликозаминогликаны, в частности хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-

сульфат, т.к. являясь полианионами, способны кумулировать двухвалентные катионы (Са2+).

Предполагают, что биохимическую основу нуклеации первичных кристаллов составляет реакция образования комплекса между коллагеном, АТФ, кальцием и хондроитин-сульфатом.

26