Принципы минерализации костной ткани

Элементы кристаллической решетки апатитов могут обмениваться с ионами раствора, окружающего кристалл

Кристаллы апатитов, образуясь в растворах, могут изменяться за счет обмена с ионами, находящимися в этом растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высокочувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости, который, в свою очередь, зависит от характера пищи и состава потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решетки протекает в несколько этапов, каждый из которых имеет свою скорость.

Первый этап протекает довольно быстро, в течение нескольких минут. Это обмен между гидратной оболочкой кристалла и подвижной жидкостью, в которую погружен кристалл. Он ведет к повышению концентрации отдельных ионов в непосредственной близости кристалла. В этом этапе участвуют многие ионы, разные по размерам и свойствам. На втором этапе идет обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристаллов. Здесь происходит отрыв элементов с поверхности кристалла и замена их на ионы гидратной оболочки. В этот процесс включаются ионы фосфорной кислоты, кальция, фтора, стронция, натрия и другие равные им по размерам ионы. Продолжительность этапа составляет несколько часов. Наконец, на третьем этапе происходит проникновение ионов вглубь кристаллов. Это медленный процесс. Он может проходить в форме изоморфного замещения или заполнения вакантных мест. Он длится месяцами и годами.

Образование кристаллов начинается с нуклеации

Минерализация широко распространена в животном мире. У позвоночных в основе минерализации костного скелета лежит образование кристаллов с участием фосфата кальция. В патологических условиях свыше 20 других солей могут подвергаться кристаллизации (мочевые, желчные, зубные камни).

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. Процесс осаждения можно разделить на 2 стадии: вначале идет нуклеация, т.е. образование плотного остатка, а затем - рост кристаллов из ядра.

Различают 2 типа нуклеации. Если нуклеация идет в пересыщенном растворе без участия другой фазы, то ее называют гомогенной нуклеацией. Если нуклеацию инициирует другая фаза (часто, твердая фаза), то процесс называют гетерогенной нуклеацией. Второй механизм встречается чаще, поскольку трудно создать чисто однофазный раствор. В обоих типах нуклеации ядра кристаллов небольшие, от 0.5 до 2 нм в диаметре.

Процесс гомогенной нуклеации может быть представлен следующим образом. Вначале некоторое число ионов образует пары или триплеты. Такие же кластеры образуют соседние ионы. Они могут объединяться между собой. Такие кластеры неустойчивы, они быстро распадаются и вновь образуются. Если имеется пересыщенный раствор, могут возникнуть кластеры с размером радиусов выше R крит^[5], которые могут стать источниками дальнейшего роста кристаллов.

В ходе гетерогенной нуклеации рост кристаллов АХ может иметь место, если в супернасыщенный раствор добавить какой-то другой кристалл S. Образование кластера определенный величины (ядра) на поверхности S включает поверхностную адсорбцию, диффузию на поверхности и последующее включение в кластер. Матрица S при этом может играть роль направляющей в образовании кристаллов АХ. Такой феномен называют эпитаксисом, а процесс образования критических кластеров называют эпитаксичекой нуклеацией.

Рост ионных кристаллов

Механические свойства таких сложных структур как кость и эмаль, состоящих из органических и неорганических компонентов, зависят от величины кристаллов. В отличие от нуклеации, для которой требуется значительное пересыщение ионов в растворе, рост кристаллов требует значительно более низких концентраций участников. При этом используются другие механизмы, которые включают так называемый спиралевидный рост. На образовавшемся ядре возникают спиралевидые структуры, рост которых идет по обычному принципу добавления новых ионов. Шаг такой спирали равен высоте одной структурной единицы кристалла.

Рост кристалла очень чувствителен к присутствию других ионов и молекул, которые выполняют роль ингибиторов кристаллизации. Причем, их концентрация может быть небольшой. Эти молекулы оказывают влияние не только на скорость, но на форму и направление роста кристаллов. С другой стороны, если эти молекулы добавить к другой системе, в которой кристалл растворяется, степень растворения обычно не изменяется. Некоторые комплексные неорганические ионы, ингибирующие рост кристаллов, способны уменьшать и скорость их растворения. Предполагают, что такие соединения адсорбируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ионов. Такими веществами являются, например, гексаметафосфат натрия, который тормозит преципитацию карбоната кальция. Пирофосфаты и полифосфаты, полифосфонаты и некоторые белки слюны тормозят рост кристаллов и нуклеацию гидроксиапатитов.

Расположение атомов и молекул в кристалле можно исследовать при помощи рентгеноструктурного анализа кристаллических решеток. Как правило, частички располагаются в кристалле симметрично. Частички, из которых построен кристалл, называются элементарными ячейками кристалла. Сеточка, образуемая ячейками, называется матрицей кристалла. Имеется семь разных категорий ячеек кристаллов и значит семь типов кристаллов: триклинные, моноклинные, орторомбические, тригональные, тетрагональные, гексагональные и кубические.

Минерализация в тканях - сложный, постоянно протекающий процесс

Наиболее ранняя теория минерализации тканей была предложена в 1923 году. В соответствии с ней для образования кристаллов в тканях важным является локальное высвобождение фосфата при участии активной щелочной фосфатазы из органических молекул. Однако эта теория не могла объяснить высокую активность фермента во многих неминерализующихся тканях.

Когда к 1958 году было показано, что внеклеточная жидкость пересыщена солями фосфата кальция, стало ясно, что кальцификации должна предшествовать нуклеация. После выяснения важности гетерогенного типа нуклеации (см.выше) первым предполагаемым кандидатом на роль неподвижной фазы стал коллаген, а рост кристаллов гидроксиапатита стали представлять по механизму эпитаксиса.

Считается, что не сам коллаген, а молекулы, которые могут связываться с ним, служат инициаторами минерализации. На роль таких молекул претендуют протеогликаны, гликозаминогликаны, белки, содержащие g-карбоксиглутаминовую кислоту, или фосфопротеины. Например, хондрокальцин является кальций связывающим белком, который локализован в минерализирующемся фронте хряща. Остеонектин - фосфогликопротеин из костной ткани, связывая гидроксиапатит и коллаген одновременно, может обеспечивать нуклеацию апатита из раствора фосфата кальция. Другие белки, найденные в кальцифицирующихся тканях и связывающие кальций, также могут иметь отношение к минерализации тканей.

В соответствии с данными электронной микроскопии в зонах минерализации выявляются внеклеточные мембраносвязанные тельца, содержащие кристаллы апатита. Предполагается, что именно эти пузырьки являются зонами нуклеации, а коллагеновые волокна лишь пространственно ориентируют рост кристаллов. Установлено, что пузырьки содержат липиды и активную фосфатазу. Считают, что фосфатаза увеличивает локальную концентрацию фосфора, катализируя расщепление органических фосфоросодержащих соединений. Однако такие пузырьки не были обнаружены при минерализации эмали, дентина или цемента.