Лекция 2 МИНЕРАЛИЗОВАННАЯ СОЕДИНИТЕЛЬНАЯ ТКАНЬ

К минерализованным тканям относятся – кость, дентин, цемент, эмаль.

Все ткани, кроме эмали, состоят из клеток, погруженных в твердый межклеточный матрикс. Основное отличие этих тканей – разная степень минерализации т.е. отношение минерального компонента к органическому. Этот показатель возрастает в следующей последовательности:

кость < цемент < дентин < эмаль.

Минеральный компонент Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ (ГАП) составляет 65% в костной ткани. В состав матрикса входят органические соединения:

■ коллаген I типа;

■ гликозамингликаны;

■ разнообразные гликопротеины.

Новообразование кости или моделирование идет вэмбриональный период, когда хрящевая ткань постепенно замещается более твердой костной тканью.После рождения происходит ремоделирование кости, то есть перестройка и рост уже имеющейся структуры кости.

Ремоделирование включает резорбцию(разрушение костной ткани) и костеобразование – обновление;

■ реорганизация органической матрицы;

■ ее минерализация.

Эти процессы ускоряются при: физической нагрузке (изменении веса, смещении зубов под воздействием брекетов), локальных воспалительных процессах (ревматоидном артрите или пародонтите), гормональных изменениях (дефиците эстрогенов или гиперпаратиреозе).

ОСНОВНЫЕ КЛЕТКИ КОСТНОЙ ТКАНИ – остеобласты, остеоциты, остеoкласты.

Остеобласты синтезируют коллаген, другие специфические белки. Они имеют рецепторы для паратгормона, кальцитриола, эстрогенов, цитокинов,

факторов роста, специализированных регуляторных белков.

Поверхность кости покрыта тонким слоем неминерализованного костного матрикса – остеоидом. Вдоль остеоида расположены неактивные остеобласты – выстилающие клетки. Рис.11.20.

Активные остеобласты – это крупные клетки, связанные с поверхностью остеоида, они стимулируют формирование и дифференцировку остеокластов. В ходе минерализации остеобласты заключаются в костный матрикс и становятся остеоцитами.

Остеоциты занимают небольшие полости (лакуны), они проявляют метаболическую активность в ходе ремоделировании кости. Эти клетки сообщаются друг с другом системой канальцев, с помощью которых они обмениваются сигналами и метаболитами.

Остеокласты получая сигналы мигрируют в участки, где активируется резорбция кости. Пролиферацию, дифференцировку и образование активных остеокластов инициируют простагландины и регуляторные белки.

Активация остеокласта в процессе костной резорбции. Рис.11.21.

Активный остеокласт содержит 6-12 ядер. С помощью специальных секреторных белков остеобласты прикрепляются к кости «чистой» зоной и синтезирует и секретирует ферменты разрушающие органические составляющие костного матрикса.

Цитозольный фермент карбоангидраза II образует угольную кислоту, которая диссоциирует. Образованные Н⁺ секретируются из клетки и создают кислую среду 3,5-4,0, необходимую для работы ферментов резорбции и деминерализации матрикса.

Карбоангидраза II диссоциация

СО₂ + Н₂О Н₂СО₃ Н⁺ +НСО₃^-

В зону резорбции Н⁺ перекачиваются при помощи мембранных белков:

■ Н⁺-АТФаз;

■ Н⁺,К⁺-АТФаз;

■ переносчиков СI^-/Н⁺.

Поверхность остеокласта поляризуется и образуются выросты – «щеточная каемка».

МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АПАТИТОВ В ТВЕРДЫХ ТКАНЯХ

Костная ткань содержит 1200 г кальция и 580 г фосфора, в основном в составе кристаллов ГАП (Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂), похожие на кристаллы дентина и цемента зуба. Ионы в кристаллах занимают положение в соответствии с их размерами, величинами зарядов и удерживаются за счет электростатического взаимодействия.

Оптимальное расстояние между ионами Са²⁺ и РО₄^3-, необходимое для формирования кристалла ГАП задается органической матрицей. Изменение строения или количества любого вещества, формирующего матрицу, приводит к нарушению:

■ минерализации;

■ образованию кристаллов неправильной структуры;

■ снижению прочности костной ткани. Рис.11.22.

ГАП формируют кристаллы имеющие гидратную оболочку, толщиной ~ 1 нм. Межпризменное пространство, отделяющее кристаллы друг от друга составляет 62,5 нм.

Апатиты могут обмениваются ионами с молекулами окружающей среды. Гидратный слой кристаллов содержит легко обмениваемый пул (запас) кальция быстро поставляющий Са²⁺ и РО₄^3- во внеклеточную жидкость.

Медленно обмениваемый пул состоит из фосфата кальция кристаллов ГАП. Мобилизация кальция из этого источника регулируется паратгормоном и кальцитриолом.

«Изоморфные» замещения.

Молярный кальциево-фосфатный коэффициент Са/P характеризует состав ГАП, который равен 10/6 (1,67). Для биогенных апатитов организма человека, соотношение Са/P варьирует от 1,33 до 2,0. Это вызвано «изоморфными» замещениями. Наиболее часто:

▪ Са²⁺ замещается Sr²⁺, Ba²⁺, Mo²⁺, реже Mg²⁺, Pb²⁺.

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + Sr²⁺ Ca₉Sr(PO₄)₆(OH)₂ + Ca²⁺

Стронциевый апатит Ca₉Sr(PO₄)₆(OH)₂ хрупкий. В районах, где вода, почва, а следовательно и пища богаты стронцием наблюдаются частые переломы костей.

При ацидозе, у больных сахарным диабетом, голодающих или страдающих нарушением кровообращения, ионы Са²⁺ замещаются протонами (Н⁺):

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 2Н⁺ Ca₉2Н⁺(PO₄)₆(OH)₂ + Ca²⁺

Так как Н⁺ во много раз меньше иона кальция кристаллы ГАП разрушается:

Ca₉2Н⁺(PO₄)₆(OH)₂ + 6Н⁺ 9Са²⁺ + 6НРО₄^2- + 2Н₂О

▪ РО₄^3- замещается НРО₄^2-, СО₃^2-, АsO₃^2-, цитратом.

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 3НСО₃^- Ca₁₀(PO₄)₄(СО₃)₃(OH)₂ + 3Н⁺ + 2РО₄^3-

Активность такого замещения зависит от уровня бикарбонатов в крови.

▪ ОН^- замещается анионами галогенов – Cl^-, F^-, I^-, Br^-

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + F^- → Са₁₀(РО₄)₆ F (ОН) + (ОН)^-

гидроксиапатит гидроксифторапатит

В небольших количествах фтор повышает устойчивость апатитов к разрушению.

Реакции «изоморфного» замещения протекают очень медленно и условно подразделяются на 3 стадии.

На I стадии в течение нескольких минут идет обмен ионов между тканью межпризменного пространства и гидратной оболочкой кристаллов. Ионы Na⁺, F^-, по градиенту концентрации могут проникать в поверхностные слои кристалла.

II стадия продолжается несколько часов, происходит обмен ионами Са²⁺, РО₄^3-, СО₃^2-, Sr²⁺, F^- гидратного и поверхостного слоев кристаллов ГАП. Ионы диффундируют в поверхностные слои кристаллов.

На III стадии происходит перемещение ионов, например Са²⁺, РО₄^3-, Sr²⁺, F^-из поверхностного слоя в глубь кристаллов. Продолжительность процесса от нескольких дней до нескольких месяцев.

Степень замещения зависит от:

■ концентрации и радиуса ионов;

■ продолжительности ионного обмена.

«Изоморфные» замещения приводят к:

■ изменению молярного соотношения Са/P;

■ снижению прочности;

■ размера и устойчивости кристаллов к физическим и химическим воздействиям.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ

Основными органическими являются белки, протеогликаны, фосфолипиды и цитрат, составляющие от 1% в эмали зуба до 30% в костной ткани. Особенности их строения определяют способность межклеточного матрикса к минерализации.

Белки костной ткани синтезируются остеобластами.

Коллаген I типа (остеоколлаген) содержит больше гидроксипролина, но мало гидроксилизина, поэтому менее гликозилирован. Между лизином, аллизином и гидроксилизином образуется меньше межцепочечных ковалентных связей, однако образуются структуры - пиридинолин (десмозин) и дезоксипиридинолин (изодесмозин) не встрещающиеся в коллагене I типа других тканей. Они устойчивы к деградации и во время резорбции кости в свободной форме (пиридинолин и дезоксипиридинолин) определяются в сыворотке крови и моче. В костном коллагене есть фосфорилированные остатки серина.

Неколлагеновые белки костной ткани. Некоторые из них присутствуют и в других тканях, но только в минерализованном матриксе они участвуют в процессах остеогенеза и дентогенеза, а также ремоделировании костной ткани.

Большинство неколлагеновых белков костного матрикса является

гликопротеинами или гликофосфопротеинами.

Остеонектин (ОН) синтезируется и секретируется зрелыми остеобластами и функционально активными остеоцитами. Белок содержит много аминокислотных остатков Глу, Асп, которые с помощью Са²⁺ присоединяются к фосфатным остаткам (РО₄^3-) гидроксиапатитов.

ОН имеет центры связывания с коллагеном, альбумином, тромбоспондином и клеточными рецепторами. Взаимодействие с этими белками регулируют ионы Са²⁺, которые изменяет заряд и конформацию белка.

Взаимодействие ОН со специфическими лигандами. Рис. 11.24.

ОН участвует в формировании центров кристаллизации и инициирует процесс минерализации костной ткани.

Остеокальцин (ОК) является уникальным белком тканей кости и зубов. ОК синтезируется и секретируется остеобластами, остеоцитами и одонтобластами. Он содержит несколько (3-5) остатков γ (гамма)-карбоксиглутаминовой кислотой (γ-Глу, или gla). Образование γ-Глу катализирует витамин К-зависимый фермент – глутамилкарбоксилаза.

Остатки γ-Глу повышают способность ОК связывать Са²⁺. Комплекс ОК и кальция присоединяется к преостеокластам, моноцитам и стимулирует их дифференцировку.

Взаимодействие остеокальцина с фосфолипидами мембраны остеокласта.

Рис.11.26.

Присоединяя Са²⁺, ОК снижает его содержание в матриксе. Таким образом, уменьшается связывание кальция с ОН, который участвует в образовании центров кристаллизации, поэтому кость не подвергается избыточной минерализации. Содержание ОК ограничено в местах минерализации и повышено в растущих тканях кости.

Экспрессия гена ОК в остеобластах регулируется кальцитриолом. При снижении синтеза и секреции ОК наблюдается усиление минерализации кости.

Gla-протеин матрикса – белок, родственный ОК, но секретируется остеобластами на более ранних стадиях развития кости и замедляет скорость минерализации.

Сиалопротеин кости синтезируется остеобластами и одонтобластами. Молекулы белка имеют высокий отрицательный заряд, который обеспечивается присутствием:

■ углеводов (50% массы молекулы) из них 12% составляет сиаловая кислота

■ фосфорилированных остатков серина;

■ повторов глутаминовой кислоты [-Глу-]n;

■ сульфатированных остатков тирозина;

■ гликозамингликановых цепей кератансульфата.

Это позволяет сиалопротеину взаимодействовать с Са²⁺ и ГАП. Последовательность –Арг-Глу-Асп- (RGD-последовательность) в белке комплементарна рецепторам интегрина (αγβ3) остеокластов. Взаимодействие сиалопротеина с αγβ3-рецепторами вызывает их активацию. Сиалопротеин кости присутствует только в минерализованных тканях: костях, дентине и цементе.

Участие сиалопротеина в прикреплении остеокластов к поверхности кости.

Рис. 11.28.

Остеопонтин (ОП) синтезируется остеобластами и остеоцитами. Взаимодействие с ГАП матрикса происходит благодаря высокому отрицательному заряду ОП, который обеспечивается:

■ углеводными фрагментами, содержащими сиаловую кислоту;

■ сульфатированными и фосфорилированными остатками серина;

■ повторами аспарагиновой кислоты (–Асп–)n.

ОП имея –Арг-Глу-Асп- (RGD-последовательность) стимулирует прикрепление остеокластов к минерализованной поверхности кости. На этих участках костной ткани ОП превышает содержание других белков более чем в 10 раз.

Остеокласты в области «щеточной каемки» секретируют кислую фосфатазу, которая дефосфорилирует ОП, сиалопротеин и изменяет их:

■ заряд;

■ конформацию;

■сродство к αγβ3-рецепторам остеокластов;

Активность остеокластов снижается, процесс резорбции замедляется.

Влияние остеопонтина на активность остеокластов. Рис.11.29 ------

Кальцитриол в несколько раз повышает экспрессию гена ОП и секрецию «зрелого» белка клетками.

Тромбоспондин – один из самых крупных гликопротеинов минерализованного матрикса. Имея последовательность –Арг-Глу-Асп- он