Участники процесса минерализации в специализированных видах соединительной ткани
Важным компонентом межклеточного матрикса являются минеральные соединения
Специализированные виды соединительной ткани (костная ткань, дентин, цемент и зубная эмаль) характеризуются высоким содержанием минерального компонента, главной составной частью которого являются фосфорнокислые соли кальция. Образование и распад минерального компонента тесно связаны с обменом кальция и фосфора в организме. В межклеточном матриксе кальций выполняет лишь одну функцию - структурную. В то же время, кальций минерального компонента межклеточного матрикса является депо для внутриклеточного кальция, где он выполняет роль посредника в механизмах внутриклеточного переноса сигналов, поступающих к клетке.
Между внутри- и внеклеточным пространствами существует градиент концентрации кальция
Концентрация кальция во внеклеточной жидкости составляет около 5 ммоль/л и является жестко регулируемой величиной. Внутриклеточная концентрация ионов кальция, наоборот, колеблется от 0,1 до 10 мкмоль/л, во внутриклеточных органеллах - от 1 до 20 мкмоль/л. При таком 5000-10000 кратном различии концентраций создаются условия для возникновения трансмембранных электрических градиентов.
Кальций выполняет важную роль в клетке. Он принимает участие в (1) формировании нейромышечной возбудимости, (2) свертывании крови, (3) процессах секреции, (4) транспорте через мембраны и (5) межклеточных контактах, (6) активности ферментов. (7) Он является посредником в действии гормонов и медиаторов. Кроме того, (8) кальций и фосфор обеспечивают процессы минерализации. Для выполнения всего комплекса этих функций требуется надежная регуляция уровня кальция в жидкостных пространствах организма. Нарушения гомеостаза кальция отмечаются у 3% всех госпитализированных людей.
В организме содержится примерно 1 кг кальция. 99% этой массы сосредоточено в костях, где вместе с фосфатами кальций формирует кристаллы гидроксиапатита - неорганического компонента скелета. Кость является достаточно динамической тканью. Процессы распада и образования костной ткани протекают постоянно. Основная масса кальция обычно не участвует в обменных процессах. Только около 1% его вовлекается в метаболизм, выполняя важную роль источника кальция для внеклеточной жидкости.
В плазме кальций находится в 3 формах (рис. 3.1.1): (1) в виде комплексов с органическими кислотами; (2) связанный с белками; (3) в форме ионов.
Рис. 20.18. Распределение ионов кальция в крови
Около 6% всего кальция входит в состав комплексов с цитратом, фосфатом и другими анионами, а оставшийся примерно поровну делится между кальцием, связанным с белками, и свободным кальцием (ионизированный кальций). Концентрация ионизированного кальция в плазме крови составляет 1,1-1,3 ммоль/л. Именно он у животных, птиц и пресноводных рыб является биологически активной формой кальция. В организме нет защиты от резких колебаний уровня кальция. Если он падает, нарастает возбуждение ЦНС, и могут развиться судороги. Наоборот, значительное увеличение концентрации кальция может приводить к смерти от мышечного паралича и комы.
Плазма крови пересыщена ионами кальция и фосфора. При этом белки плазмы выполняют защитную роль, предупреждая эктопическую кальцификацию. Колебания уровня белков сопровождаются и колебаниями уровня кальция. Например, при уменьшении альбуминов на 1 г/дл уровень кальция снижается на 0,8 мг/дл, и наоборот, при повышении уровня альбуминов увеличивается концентрация кальция. Такая связь с белками зависит от рН. Ацидоз способствует образованию ионизированных форм кальция, а алкалоз благоприятствует связыванию кальция белками. Последнее обстоятельство объясняет развитие судорог при гипервентиляционном синдроме (алкалоз).
В кальциевый гомеостаз включаются 3 гормона
Паратиреоидный гормон (ПТГ) –молекула его представляет собой пептид (ММ 9500), состоящий из 84 аминокислотных остатков. Вся биологическая активность этого гормона принадлежит N-концевому отделу (1-34 аминокислоты). 25-34 аминокислотные остатки отвечают за связывание с рецептором. ПТГ синтезируется в форме предшественника, в состав молекулы которого входит 115 аминокислотных остатков. Это, так называемый, пре-про-ПТГ. Про-ПТГ имеет 6 дополнительных основных аминокислот, функция которых неизвестна. В аппарате Гольджи происходит удаление сигнального пептида. Оттуда новообразованный ПТГ может переноситься для хранения, разрушения, или секретироваться в кровь.
Ведущая роль в расщеплении ПТГ принадлежит печени. Почки участвуют в выделении продуктов его распада. Секреция гормона в кровь зависит от уровня ионов кальция. При увеличении его от 4 мг/дл до 10,5 мг/дл в крови пропорционально снижается количество ПТГ. Присутствие биологически активного гормона в плазме при концентрации кальция выше 10,5 мг/дл характерно для гиперпаратиреоидизма.
Количество секреторных гранул в паращитовидных железах обычно мало и для поддержания максимальной секреции их хватает только на 1,5 часа. Для сравнения, запаса гормонов в островковом аппарате поджелудочной железы хватает на несколько дней, а в щитовидной железе - на несколько недель.
Органами мишенями для ПТГ являются почки и костная ткань. Здесь клетки снабжены специальными рецепторами, с которыми связывается этот гормон.
Участие ПТГ в поддержании баланса кальция обусловлено его прямым действием на костную ткань. Усиливается растворение костной ткани, включая органическую и неорганическую фазы. В результате оттуда кальций устремляется в кровоток. Кроме того, ПТГ стимулирует образование активной формы витамина Д (кальцитриол). Кальцитриол индуцирует образование в клетках кальций связывающих белков, которые увеличивают всасывание кальция из кишечника, снижают выведение его с мочой. Конечный эффект заключается в нарастании уровня кальция в крови.
Влияя на выход кальция из костей, паратирин одновременно увеличивает и выход фосфатов, при этом происходит усиление выведения фосфатов почками. То есть, ПТГ, увеличивая уровень кальция, снижает концентрацию фосфатов. Тем самым предотвращается пересыщение ими крови.
Кальцитриол [1,25(OH)2-D3]. Подробную информацию о структуре, свойствах и обмене кальцитриола можно найти в соответствующих разделах учебника. Здесь мы лишь напомним, что кальцитриол - гормон, который ускоряет перенос кальция против градиента концентрации в эпителии кишечника. Продукция кальцитриола зависит от концентрации кальция в сыворотке крови, соотношения кальция и фосфора, необходимых для образования костной ткани.
Связывают кальцитриол многие клетки, но наиболее хорошо изучено влияние его на клетки кишечника, почек и остеобласты. Там локализованы рецепторы для кальцитриола. Они относятся к семейству стероидных рецепторов и имеют в своем составе домен, связывающийся с ДНК. Образование гормон-рецепторного комплекса приводит к усилению синтеза РНК и кальций связывающего белка.
Кальцитонин. Представляет собой пептид, включающий 32 аминокислотных остатка, секретируемый парафоликулярными клетками щитовидной железы. Для проявления действия его необходима вся молекула. Секреция гормона пропорционально увеличивается при нарастании концентрации кальция от 9,5 до 15 мг/дл. Глюкагон и пентагастрин усиливают секрецию. Органом-мишенью гормона является кость. Под влиянием кальцитонина уменьшается резорбция кости, при этом снижается высвобождение кальция и фосфора. Гормон повышает поступление фосфора в кость, а кальций поступает туда уже вторично. Биохимический механизм такого явления до настоящего времени неясен.
Фосфаты кальция – природные минералы и основа минерального компонента межклеточного матрикса
Ортофосфаты кальция - соли трехосновной фосфорной кислоты. Поэтому они могут быть в форме однозамещенных (H2 PO4-), двузамещенных (HPO4 2-) или фосфат ионов (PO43- ). В состав тканей зубов, костей и дентина входят соли HPO42-, или PO43-.Пирофосфаты встречаются в зубных камнях.В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция. Предполагается, что этот эффект важен для контроля величины кристаллов в костях, содержащих небольшие количества пирофосфатов.
Все фосфорнокислые соли кальция представляют собой белые порошки, которые слабо- или нерастворимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах.
Известно множество природных форм фосфатов кальция
Витлокит – одна из форм безводного фосфата трикальций фосфата - bCa3(PO4)2, содержит дивалентные ионы (Mg2+, Mn2+ или Fe2+) которые входят в состав кристаллической решетки. Образует ромбические кристаллы. Около 10% фосфата в нем находится в форме HPO42-. В организме встречается редко. Обнаружен в составе зубных камней и в зонах кариозного повреждения эмали.
Монетит (CaHPO4) и брушит (CaHPO4 . 2H2O) - вторичные соли фосфорной кислоты. Также редко встречаются в организме. Брушит обнаружен в составе дентина, зубных камней. Монетит кристаллизуется в форме треугольных пластинок, но иногда бывают палочки и призмы. Кристаллы брушита имеют клиновидную форму. Растворимость кристалов монетита зависит от рН. Она быстро увеличивается при рН ниже 6.0. Растворимость брушита в этих условиях также увеличивается, но в ещё большей степени. При нагревании брушит превращается в монетит. При хранении оба минерала гидролизуются в гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2.
Октокальций фосфат. Ca8(HPO4)2(PO4)4.5H2O представляет промежуточное связующее звено между кислыми фосфатами - монетитом и брушитом, и основной солью - гидроксиапатитом. Подобно брушиту и апатиту он входит в состав зубных камней. Как видно из формулы, октокальций фосфат содержит кислый фосфатный ион, но не имеет гидроксильных. Содержание воды также колеблется в широких пределах. По своей структуре он напоминает кристаллы апатита, имеет слоистую структуру с чередованием слоев соли толщиной 1,1 нм и слоев воды толщиной 0,8 нм. Учитывая тесную связь с апатитами, он играет важную роль в нуклеации апатитных солей.
Кристаллы октакальций фосфата растут в форме тонких пластинок до 250 мкм длиной. Подобно монетиту и брушиту октокальций фосфат нестабилен в воде и легко гидролизуется в апатит, особенно в теплом щелочном растворе. Низкие концентрации фтора (20-100 мкг/л) резко ускоряет скорость гидролиза. Это привело к предположению о том, что ионы фтора необходимы для отложения апатитов в плотных тканях.
Апатиты. Апатиты имеют общую формулу Ca10(PO4)6 X2 - где X фтор или OH. Фторапатиты широко распространены в природе, прежде всего, как почвенные минералы. Их даже используют для получения фосфора в промышленности. Гидроксиапатиты преобладают в животном мире. В частности, Они являются основной формой фосфата кальция костей и зубов.
Наряду с тем, что апатиты являются довольно устойчивыми соединениями, они легко обмениваются с окружающей средой. В результате в их составе могут появляться другие ионы (см. табл.19.8):
Таблица 20.8. Замещаемые ионы и заместители в составе апатитов
| Замещаемые ионы | Заместители |
| PO43- | AsO33-, HPO42-, CO2 |
| Ca2+ | Sr, Ba,Pb,Na,H2O,K, Mg |
| OH- | F, Cl, Br, J, H2O |
| 2ОН | CO32-, O2- |
Преимущественным фактором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения. Тем не менее, в ходе такого замещения поддерживается общее распределение зарядов по принципу: Сa10-х(HPO4)х(PO4)6-х(OH)2-х, где 0<х<1. Потеря в Ca2+ частично компенсируется потерей OH- ионов и, частично - H+, присоединенных к фосфату.
Карбонатный апатит. Если основная соль кальция фосфата осаждается при комнатной температуре или температуре тела в присутствии карбонат иона или гидрокарбонат иона, то образующийся апатит будет содержать в своем составе несколько процентов карбоната или гидрокарбоната. Карбонат уменьшает кристалличность апатита и делает его более аморфным. Такая структура напоминает структуру апатитов костей или эмали.
Фторапатит (Ca10(PO4)6F2).Это наиболее стабильный из всех апатитов (температура плавления - 1680оС). Кристаллы фторапатита имеют гексагональную форму: ось a=0,937нм, c=0,688 нм. Плотность кристаллов составляет 3,2 г/см3.
В водной среде реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция зависит от концентрации фтора. Если она сравнительно невысока (до 500 мг/л), то образуются кристаллы фтораппатита:
Ca10(PO4)6OH2 + 2F ® Ca10(PO4)6F2 + 2OH-
При высоких концентрациях фтора (>2 г/л) кристаллы не образуются:
Ca10(PO4)6OH2 + 20F ® 10 CaF2 + 6PO43- + 2OH-
Фтор резко уменьшает растворимость гидроксиапатитов в кислой среде. Таким же, но значительно меньшим эффектом обладают ионы цинка, олова. Наоборот, повышение растворимости наблюдается в присутствии ионов цитрата, карбоната, магния.
Стронциевый апатит. Учитывая вышеуказанные замены в кристаллической решетке апатитов, стронций может вытеснять или заменять вакантные места для кальция. Это приводит к нарушению структуры кристаллов. В Забайкалье, вдоль берегов небольшой реки Уров, описано заболевание, получившее название уровская болезнь. Оно сопровождается короткопалостью у людей и поражением костного скелета у животных. В местности, загрязненной радионуклидами, неблагоприятное значение стронциевого апатита для организма человека связано с возможностью депонирования радиоактивного стронция.