Фибриллярные адгезивные белки
Внеклеточный матрикс содержит большое число адгезивных неколлагеновых белков,
структурной особенностью которых является наличие доменов, способных специфически
связываться с другими макромолекулами и рецепторами на поверхности клетки.
Непременным компонентом доменов, обеспечивающих взаимодействие с клетками, является последовательность аминокислот АРГ-ГЛИ-АСП (R-G-D).
Фибронектин —высокомолекулярный гликопротеин. Существуют множественные
формы фибронектина. Одна из них — фибронектин плазмы и других биологических
жидкостей. Он принимает участие в механизмах свертывания крови и заживления ран.
Фибронектины тканей располагаются на поверхности клеток, образуя фибронектиновые
филаменты. Фибронектин ускоряет клеточную миграцию, обеспечивая взаимодействие
клеток с матриксом.
Фибриллин —структурный компонент микрофибрилл, обеспечивающих образование
эластиновых волокон. Он найден в хрусталике, периосте, аорте. При мутации гена,
кодирующего синтез фибриллина, развивается синдром Марфана: эктопия хрусталика,
арахнодактилия («паучьи» пальцы), поражение суставов.
Ламинин и энтактин— гликопротеины базальной мембраны. Они связываются не
только между собой, но и с коллагеном, гепарансульфатом, поверхностью эпителиальных
клеток, причем для связывания с различными веществами имеются свои домены.
Каждый тип соединительной ткани имеет свои специфические наборы молекул:
кроме соответствующих изоколлагенов, имеются и специфические неколлагеновые белки.
В хрящевой: главный ПГ и минорные ПГ (фибромодулин — регулятор
фибриллогенеза; бигликан — значение его пока неизвестно; декорин —способен связываться с коллагеном и играет роль ингибитора фибринолиза; белки с разной молекулярной массой и не очень изученными функциями, из известных функций — связывание с хондроцитами, кристаллами гидроксиапатита, коллагеном II для его фиксации к хондроцитам).
Костная ткань
Костная ткань - это особый вид соединительной ткани. Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция. Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность.
В компактном веществе кости большая часть минеральных веществ представлена гидроксиапатитом (смотрите рисунок) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в %): 20% - органический компонент, 70% - минеральные вещества, 10% - вода. Губчатое вещество: 35-40% - минеральных веществ, до 50% - органические соединения, содержание воды - 10%.
Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость - это депо для минералов, особенно для кальция.
Клеточный состав костной ткани .
-представлен остеобластами, остеоцитами и остеокластами.
Остеобласты представляют собой крупные клетки с базофильной цитоплазмой. Активные синтезирующие остеобласты - это кубические или цилиндрические клетки с тонкими отростками. Основной фермент остеобластов - щелочная фосфатаза (ЩФ). Активные остеобласты покрывают 2-8% поверхности кости, неактивные (покоящиеся клетки) - 80-92%, образуя сплошной клеточный слой около синуса костномозгового канала. Основная функция остеобластов - белковый синтез. Они образуют остеоидные пластинки путем отложения коллагеновых волокон и протеогликанов. Ежедневно откладывается 1-2 мкм остеоида (новообразованная некальцинированная костная ткань). Через 8-9 дней конечная толщина этого слоя достигает 12 мкм. После десятидневного созревания начинается минерализация с противоположной остеобласту стороны, фронт минерализации продвигается в направлении остеобласта. В конце цикла каждый десятый остеобласт замуровывается как остеоцит. Остальные остеобласты остаются на поверхности как неактивные. Они участвуют в обмене веществ в костной ткани.
Остеокласты - гигантские многоядерные клетки (4-20 ядер). Обычно они находятся в контакте с кальцифицированными костными поверхностями и в пределах гаушиповых лакун, являющихся результатом их собственной резорбтивной активности. Основной фермент - кислая фосфатаза. Остеокласты - подвижные клетки. Они окружают ту часть кости, которая должна резорбироваться. Продолжительность их жизни составляет от 2 до 20 дней. Основная функция остеокластов - рассасывание костной ткани за счет лизосомальных ферментов в области щеточной каемки.
Остеоциты - метаболические неактивные костные клетки. Они находятся в глубоко вмонтированных в кость малых остеоцитных лакунах. Остеоциты происходят из остеобластов, замурованных в собственном костном матриксе, который позже кальцифицируется. Эти клетки имеют многочисленные длинные отростки для того, чтобы контактировать с клеточными отростками других остеоцитов. Они образуют сеть тонких канальцев, распространяющихся на весь костный матрикс. Основная роль остеоцитов - внутриклеточный и внеклеточный транспорт питательных веществ и минералов.
Органическая часть
состоит из коллагена I типа, неколлагеновых белков и протеогликанов, которые синтезируются остеобластами и доставляются тканевой жидкостью.
Идентифицировано 19 типов коллагеновых белков (Кадурина Т.И., 2000). Изоформы коллагена различаются по аминокислотному составу, иммунологическим, хроматографическим свойствам, макромолекулярной организации и распределении в тканях. В морфофункциональном плане все изоформы подразделяют на интерстициальные коллагены (I, II, III, V типов), которые формируют крупные фибриллы; нефибриллярные (минорные) коллагены (IV, VI-XIX типов), образующие мелкие фибриллы и выстилающие базальные мембраны. Коллагены I и V типов называют перицеллюлярными. Они откладываются вокруг клеток, образуя опорные структуры. Для костной ткани наиболее характерен коллаген I типа.
Молекула коллагена состоит из трех альфа-цепей, обвитых одна вокруг другой и образующих правовращающую спираль. Альфа-цепи построены из часто повторяющихся фрагментов, имеющих характерную триплетную последовательность -Gly-X-Y. Положение Х часто занимает пролин (Pro) или 4-гидроксипролин (4Hyp), Y - гидроксилизин, а третье место всегда занимает глицин, благодаря чему обеспечивается плотная упаковка трех полипептидных цепей в фибриллу.
Концевые участки альфа-цепей на N- и С-концах молекулах - телопептиды (PINP и PICP соответственно). Расположение глицина здесь неупорядоченное, в результате чего в этой части молекулы нет плотно упакованной тройной спирали.
Телопептиды задействованы в механизме полимеризации молекул в фибриллы, формировании межмолекулярных поперечных связей, представляющих собой трехвалентные пиридинолины, которые освобождаются во время резорбции кости, и в проявлении антигенных свойств коллагена.
По уровню высвобождающихся PINP и PICP можно косвенно судить о способности остеобластов синтезировать коллаген I типа, поскольку из одной молекулы проколлагена образуется по одной молекуле коллагена и по одному N- и C- терминальному телопептиду. Для количественного определения PINP и PICP разработаны методы радиоиммунного и иммуноферментного анализа (Taubman M.B., Goldberg B., Sherr C., 1974; Pedersen B.J., Bonde M., 1994). Клиническое значение этих показателей дискутируется (Linkhart S.G., et al., 1993; Mellko J., et al., 1990; Mellko J., et al., 1996).
Образование коллагена включает два этапа.
На первом происходит внутриклеточный синтез остеобластами предшественника коллагена - проколлагена. Синтезированная цепь проколлагена подвергается внутриклеточной посттрансляционной модификации с гидроксилированием пролина и лизина, и гликозилированием гидроксилизиновых остатков в структуре коллагена. Три цепи проколлагена формируют молекулу проколлагена. Сборка проколлагена происходит с образованием дисульфидных связей в С-концевых областях, после чего образуется структура из трех цепей, вместе закрученных в спираль. Такая молекула секретируется остеобластами во внеклеточное пространство.
После секреции происходит сборка во внеклеточном пространстве тропоколлагена - мономера коллагена. При этом, под влиянием внеклеточной лизиноксидазы, образуются характерные для зрелого коллагена межфибриллярные сшивки - пиридинолиновые мостики, в результате чего формируются коллагеновые фибриллы.
Остальную органическую часть костного матрикса возможно классифицировать на :
неколлагеновые белки, осуществляющие адгезию клеток (фибронектин, тромбоспондин, остеопонтин, костный сиалопротеин). Эти же белки способны интенсивно связываться с кальцием и участвовать в минерализации костной ткани;
гликопротеины (щелочная фосфатаза, остеонектин);
протеогликаны (кислые полисахариды и гликозаминогликаны - хондроитинсульфат и гепарансульфат);
неколлагеновые гамма-карбоксилированные (Gla) протеины (остеокальцин, Gla-протеин матрикса (MGP));
факторы роста (фактор роста фибробластов, трансформирующие факторы роста, костные морфогенетические белки) - цитокины, выделяемые клетками костной ткани и крови, осуществляющие местную регуляцию остеогенеза.
Щелочная фосфатаза (ЩФ). Синтез данного белка считается одним из самых характерных свойств клеток остеобластической линии. Однако, следует учитывать, что данный фермент имеет несколько изоформ (костную, печеночную, кишечную, плацентарную). Точно механизм действия щелочной фосфатазы не установлен. Предполагается, что данный фермент отщепляет фосфатные группы от других протеинов, благодаря чему увеличивается локальная концентрация фосфора; также ему приписывают разрушение ингибитора минерализации - пирофосфата. Время полужизни в крови составляет 1-2 сут, выводится почками (Coleman J.E., 1992). Определение активности костной фракции ЩФ имеет большую специфичность, чем определение в крови активности общей ЩФ, поскольку повышение последней может быть связано с увеличением количества других изоферментов. Значительное увеличение количества костной ЩФ в сыворотке/плазме крови наблюдается при росте костей, болезни Педжета, гиперпаратиреозе, остеомалации и связано с высокой интенсивностью остеогенеза (Defton L.J., Wolfert R.L., Hill C.S., 1990; Moss D.W., 1992). Наиболее адекватными методами определения активности костной ЩФ считаются иммуноферментный анализ и хроматография (Hill C.S., Grafstein E., Rao S., Wolfert R.L., 1991; Gomez B.Jr., et al., 1995; Hata K., et al., 1996).
Остеонектин - гликопротеин кости и дентина, имеет высокое сродство к коллагену I типа и к гидроксиапатиту, содержит Са-связывающие домены. Поддерживает в присутствии коллагена концентрацию Са и Р. Предполагается, что белок участвует во взаимодействии клетки и матрикса.
Остеопонтин - фосфорилированный сиалопротеин. Его определение ИГХ методами может быть использовано для характеристики белкового состава матрикса, в частности поверхностей раздела, где он является главным компонентом и аккумулируется в виде плотного покрова, названного линиями цементации (lamina limitans). Благодаря своим физико-химическим свойствам регулирует кальцификацию матрикса, специфично участвует в адгезии клеток к матриксу или матрикса к матриксу. Продукция остеопонтина - одно из наиболее ранних проявлений активности остеобластов.
Остеокальцин - небольшой белок наиболее широко представлен в костном матриксе. Участвует в процессе кальцификации, служит маркером для оценки активности метаболизма костной ткани, составляя 15% экстрагируемых неколлагеновых белков. Состоит из 49 аминокислотных остатков, три из которых являются кальцийсвязывающими. Синтезируется и секретируется остеокальцин на остеобластах. Его синтез на уровне транскрипции контролирует кальцитриол (1,25 - дигидроксихолекальциферол), кроме того, в процессе "созревания" в остеобластах подвергается витамин К-зависимому карбоксилированию трех остатков глютаминовой кислоты. Сходный с остеокальцином белок - костный gla-протеин (BGP) содержит 5 остатков глютаминовой кислоты. Во внеклеточном матриксе карбоксилированные остатки карбоксиглутаминовой кислоты способны связывать ионизированный Ca2+ и, таким образом, остеокальцин прочно связывается с гидроксиапатитом (Price P.A., Williamson M.K., Lothringer J.W., 1981). В связанном виде находятся 90% белка. 10% вновь синтезированного остеокальцина сразу диффундирует в кровь, где может быть обнаружен. Циркулирующий в периферической крови остеокальцин - чувствительный маркёр костного метаболизма, и его определение имеет диагностическое значение при остеопорозе, гиперпаратиреозе и остеодистрофии (Charhon S.A., et al., 1986; Edelson G.W., Kleevehoper M., 1998). При остеокластической резорбции остеокальцин костного матрикса высвобождается в кровь в виде полипептидных фрагментов. В результате в моче появляются метаболиты &ggamma;-карбоксиглутаминовой кислоты. Таким образом, повышение общего остеокальцина в сыворотке отражает активизацию остеогенеза.
Костные морфогенетические белки (КМБ) - цитокины, относящиеся к основному подклассу трансформирующих факторов роста . Известно, что они способны индуцировать рост костной ткани, а именно воздействовать на пролиферацию и дифференцировку четырех типов клеток - остеобластов, остеокластов, хондробластов и хондроцитов. Кроме этого, морфогенетические белки блокируют миогенез и адипогенез. Показано, что остеобласты и клетки стромы костного мозга экспрессируют рецепторы КМБ I и II типов. Обработка их КМБ в течении 4-х недель вызывает минерализацию матрикса, повышение активности щелочной фосфатазы и концентрации мРНК. Показано, что КМБ распределен по коллагеновым волокнам костной ткани, в клетках остеогенного слоя надкостницы; в умеренных количествах он имеется в клетках пластинчатой кости и в избытке присутствует в тканях зуба.
Протеогликаны - это класс макромолекул с молекулярной массой 70-80 кДа, состоящие из стержневого белка, с которыми ковалентно связаны цепи гликозоаминогликанов (ГАГ), последние состоят из повторяющихся дисахаридных субъединиц: хондроитина, дерматана, кератана, гепарана (рис. 9). ГАГ подразделяют на две группы - несульфатированные (гиалуроновая кислота, хондроитин) и сульфатированные (гепарансульфат, дерматансульфат, кератансульфат).
Механизмы минерализации кости
Образование кости — это упорядоченный процесс, при котором неорганические вещества откладываются в органический матрикс. Минеральная фаза состоит из кальция и фосфора, и на скорость ее образования влияют концентрации этих ионов в плазме и внеклеточной жидкости. Если концентрация кальция и фосфора сходна с таковой в ультрафильтрате плазмы, минерализация и рост кристаллов гидроксиапатита могут происходить invitro. Однако концентрация этих ионов в участках минерализации неизвестна, и локальную концентрацию кальция, фосфора и других ионов каким-то образом регулируют клетки (остеобласты, остеоциты). Коллагены из разных источников катализируют формирование очагов выпадения кальция и фосфора из рас 1 воров этих ионов, и вначале минеральная фаза откладывается в специфических участках ячеек, образованных особо упакованными молекулами коллагена. Организация коллагена, вероятно, влияет на количество и характер минеральной фазы кости. Существует по одному гену для каждой из двух a1-цепей и одной a2-цепи, из которых построен коллаген I типа. Первичная структура коллагена I типа в коже и костной ткани сходна. Однако имеются различия в посттрансляционных модификациях коллагена I типа, таких как гидроксилирование, гликозилирование, а также в характере, числе и распределении межмолекулярных поперечных связей. Кроме того, нормально минерализованный коллаген кости и дентина обладает более крупными ячейками, чем неминерализованные коллагены, например, в сухожилиях. Неколлагеновые органические компоненты, такие как костной ГЛА-белок или остеонектин, также могут принимать участие в формировании минеральной фазы кости. Щелочная фосфатаза —это маркер остеобластов, и ее уровень в клетках коррелирует с их потенциалом минерализации. Хотя у лиц со сниженным уровнем щелочной фосфатазы (гипофосфатазия) отмечаются нарушения минерализации, функция этого фермента в процессе минерализации остается не совсем понятной. Для объяснения способности коллагена неминерализованных тканей катализировать образование очагов неорганической фазы из растворов, сходных по составу с нормальной внеклеточной жидкостью, привлекают предположение о регуляции минерализации ингибиторами этого процесса. Неорганический пирофосфат в концентрациях, ниже необходимых для связывания ионов кальция, оказывается мощным ингибитором минерализации. Поскольку щелочная фосфатаза, присутствующая в остеобластах и других клетках, при нейтральном рН способна катализировать гидролиз неорганического пирофосфата, этот фермент мог бы регулировать минерализацию, меняя концентрации пирофосфата. Кроме того, на скорость и степень минерализации могут влиять и макромолекулярные ингибиторы, такие как агрегаты протеогликанов. В подвергающемся кальцификации хряще вне клеток присутствуют связанные с мембраной пузырьки, содержащие минеральные вещества, и предполагается, что это и есть начальная минеральная фаза.
В кости твердая фаза. фосфата кальция в начале минерализации представлена СаНРО4•2Н2О.По мере минерализации твердая фаза превращается в плохо кристаллизованный гидроксиапатит с относительно низким (около 1,2) молярным отношением кальций/фосфор. С возрастом и созреванием степень кристаллизации и отношение кальций/ фосфор увеличиваются. Если в минеральную фазу включаются ионы фтора, то доля аморфного фосфата кальция снижается, а кристаллизация его увеличивается.
Существует предел концентрации ионов кальция и фосфора во внеклеточной жидкости, ниже которого минерализация не возникает. Произведение растворимости для минерального вещества кости рассчитать трудно, так как состав минеральной фазы непостоянен и природа присутствующих в растворе веществ, определяющих это произведение растворимости, неизвестна. Тем не менее при чрезмерной концентрации кальция и фосфора во внеклеточной жидкости минеральная фаза может появиться и там, где в норме ее не бывает.
Ремоделирование костной ткани.
Ремоделирование — это сопряженные во времени процессы локальной резорбции и формирования кости в небольших блоках посредством базисной мультиклеточной единицы, функцией которой является поддержание скелетного баланса.
Сопряжение во времени процессов ремоделирования достигается за счет механизма, в основе которого лежит взаимное влияние всех клеток посредством локальных сигналов факторов роста и других цитокинов.
Ремоделирование компактного и губчатого вещества кости рассматривается с позиции функционирования базисных многоклеточных единиц (БМЕ, Basic Multicellular Unit (BMU)) или костных ремоделирующих единиц (Bone Remodeling Unit (BRU)). БМЕ формируются в локусе перестройки костной ткани и представляют собой группу из согласованно функционирующих клеток, которые называют также "преобразующими блоками" или "обособленными ремоделирующими пакетами".
Базисную мультиклеточную единицу образуют остеокласты, остеобласты, активные мезенхимальные клетки и капиллярные петли. Размер БМЕ 0,05-0,1 мм3. Она имеет форму цилиндра с двумя конусовидными вершинами, в центре которого проходит кровеносный капилляр, окруженный остеогенными клетками. Вершина цилиндра - режущий конус, выстлана остеокластами, которые разрушают компактную кость, образуя в ней резорбционный канал. Средняя часть БМЕ - реверсивная зона, представляет собой резорбционную полость, выстланную клетками типа макрофагов и сменяющими их преостеобластами. Дистальный отдел БМЕ - замыкающий конус, покрытый остеобластами, которые заполняют резорбционный канал концентрически располагающимися костными пластинками.
Ремоделирование костной ткани осуществляется в соответствии с действующими на кость нагрузками. Ежегодно обновляется около 4-10% общего объема костной массы. Этот процесс регулируется количеством и активностью костных клеток. Процесс ремоделирования костной ткани происходит в несколько фаз [активации, резорбции, реверсии, формирования (остеогенеза), в каждую из которых ведущую роль выполняют те или иные клетки. Остеокласты и остеобласты вовлечены в процесс ремоделирования кости, остеоциты и покровные клетки участвуют в обменных процессах, обеспечивая питание кости и сохранение кальциевого гомеостаза. Таким образом, ремоделирование костной ткани — это сложный, сопряженный, интегральный процесс поддержания баланса между резорбцией и образованием. Сопряженность процесса предполагает, что количество резорбированной костной массы замещается эквивалентным количеством новой ткани.
Рассогласование в процессах ремоделирования происходит с возрастом и характеризуется постепенным преобладанием процессов резорбции над процессами образования костной ткани, что рассматривается как естественный процесс у женщин в возрасте около 40 лет. Отрицательный баланс кости составляет 0,5-1% ежегодно и носит название "связанной с возрастом остеопении". С наступлением менопаузы в течение 5-7 лет потеря костной массы возрастает.
По интенсивности обменных процессов в костной ткани различают остеопороз с высоким, низким или нормальным уровнем интенсивности ремоделирования.
Какая роль витамина D в обмене кальция?
Витамин D и его метаболиты являются стероидами, причем, как считают, гормоноподобное действие оказывает образующийся в почках активный метаболит 1,25-дигидрооксихолекальциферол.
В организм витамин D попадает двумя путями:
1) в эпидермисе под влиянием ультрафиолетовых лучей 7-дегидрохолестирол превращается в холекальциферол (витамин D3);
2) с растительной пищей поступает эргокальциферол.
Поступивший в организм витамин D3 вначале накапливается в печени, где превращается в активный метаболит (прогормон). Только после повторного гидроксилирования в почках образуется высокоактивный физиологически доминирующий 1,25-дигидрооксихолекальциферол, в 10-100 раз более активный, чем витамин D. На транспортном белке активный витамин D достигает органов- мишеней, где проявляется его действие. Характер действия биологически самой активной формы витамина D:
1) тонкий кишечник - повышение всасывания фосфатов и кальция; после связывания с цитоплазматическими и ядерными рецепторами клеток слизистой индуцируется синтез кальций-связывающего белка, который и делает возможным проникновение кальция в эти клетки, откуда кальций выходит в кровь в обмен на натрий;
2) кости - содействие синтезу коллагена и минерализации остеоида; высокие дозы и совместное с паратгормоном действие - причина мобилизации кальция в связи с образованием кальций-мобилизирующего белка;
3) почки - усиление реабсорбции кальция (благодаря синтезу кальций-связывающего белка).