Биохимия. глава 2 Биохимия костной тканй. 453025 233740 Цемент 61
 Скачать 0.75 Mb.
|
ГЛАВА БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНЙ. Для выполнения биологической функции некоторые виды соединительной ткани должны обладать высокой механической прочностью. Это качество достигается благодаря высокому содержанию минеральных веществ. В организме человека различают 4 вида минерализованных (твёрдых) тканей кость (рис 2.1), цемент, дентин, эмаль. Первые три ткани - мезенхимального происхождения, а эмаль — эктодермального. Степень минерализации снижается в последовательности эмаль > дентин > цемент > кость. Рис. 2.1 строение кости Твердые ткани состоят из следующих компонентов неорганические вещества (кристаллы-апатиты, аморфные соли и вода органическое основное вещество (преимущественно представленное в массивном матриксе клеточные элементы. Составные части минерализованных тканей, как и все составные элементы организма, находятся в постоянной перестройке, причем органические вещества и кристаллы все время синтезируются и разрушаются. Особенности строения кристаллов- апатитов и содержание других минеральных соединений определяются видом твёрдой ткани (табл, топографической локализацией внутри ткани, возрастом и экологическими условиями. Таблица 2.1 Содержание основных компонентов в минерализованных тканях ткани минеральные компоненты/органические компоненты/вода в % к весу ткани в % к объему ткани Кость(компактная) 45/30/25 23/37/40 Цемент 61/27/1 33/31/36 Дентин 70/20/1 45/30/25 Эмаль(зрелая) 95/1/4 86/2/12 Костная ткань одновременно выполняет несколько функций структурно-опорную механической защиты депонирующую для многих макро- и микроэлементов поддержание кислотно-основного равновесия внутренней среды. 2.1 МИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОСТНОЙ ТКАНИ. В таблице 2.2 показано, что неорганические составные компоненты костной ткани представлены главным образом кальцием, фосфатом и карбонатом. Из содержащихся в организме 2,2 кг кальция 99% сосредоточено в костях, там же находится 87% фосфора. При усилении процессов резорбции, эти элементы легко мобилизуются и поступают в кровь, где их концентрация жестко регулируется и составляет 2,1-2,6 ммоль/л для общего Са 2+ и 1-1,5 ммоль/л для фосфора. Кроме того, значительную часть составляют магний, натрий и калий. В костной ткани сосредоточено 50% Mg 2+ и 46% а. Многие другие ионы содержатся в ничтожном количестве. Неорганические вещества кости имеют правильное расположение в форме кристаллов апатитов шириной от 20 до 50 Аи длиной до 500 А. Вследствие такого строения образуется огромная поверхность около 200 мг костной ткани, которая играет важную роль в составе и обмене веществ костной ткани. Рис. 2.2 Элементарная ячейка гидроксиапатита Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Общая формула апатитов Са 10 (РО 4 ) 6 Х 2 , где Х представлен анионами ОН - (гидроксиапатит - ГАП) или другими. Состав идеального ГАП соответствует формуле десятикальциевого соединения Са 10 (Р0 ОН с молярным отношением Са/Р = 10/6 = 1,67, называемым молярным кальциево-фосфатным коэффициентом. У природных апатитов величина отношения Са/Р существенно колеблется от 1,33 до 2,0. Это явление связано с заменой ионов кристаллической решетки апатитов другими ионами, сходными по размеру (по ионному радиусу, заряду, валентности, поляризующим свойствами т.д. Таблица 2.2 Количественный состав макроэлементов в минерализованных тканях Элементы г/на 100 г ткани (грамм-проценты) Эмаль Дентин Цемент Кость (компактный слой трубчатой кости) Ca 2+ 32-39 26-28 21-24 24 PO 4 3- 16-18 12-13 10-12 11 CO 3 2- 1,9-3,6 3,0-3,5 2,0-4,3 3,9 Na + 0,25-0,9 0,6-0,8 - 0,8 Mg 2+ 0,25-0,56 0,8-1,0 0,4-0,7 0,3 Cl - 0,19-0,3 0,3-0,5 - 0,01 K + 0,05-0,3 0,02-0,04 - 0,2 фториды 0,5 0,1 - 0,5 Са/Р 1,5-1,68 1,6-1,7 1,6-1,7 1,6-1,7 Апатиты образуют очень стабильную ионную решётку (точка плавления свыше 1600 0 Св которой ионы тесно контактируют между собой и удерживаются за счет электростатических сил. Каждый катион окружен определенным количеством анионов (в зависимости от их размера, а анионы, в свою очередь, притягивают катионы. Таким образом, формирование ионной решётки происходит в соответствии сих размерами и величинами зарядов. Сравнение размеров и формы ионов фосфата, кальция, гидроксила показывает, что фосфат-ионы имеют наибольшие размеры и, следовательно, занимают в ионной решётке доминирующую долю в общей структуре. Согласно теоретическим расчётам фосфат-ионы имеют форму шара, поэтому упаковка ионов представляет многослойную гексагональную структуру, в которой каждый фосфат-ион окружен 12 непосредственными соседями - ионами Са 2+ и -ОН из которых 6 ионов принадлежат тому же слою ионов, где расположен фосфат-ион,а по 3 иона расположены в выше- и нижележащих слоях ионов. Между фосфат-ионами формируются каналы, в которых располагаются Са 2+ , -ОН и ионы. Идеальный, или модельный ГАП образует кристаллы в виде гексагональных призм. Анионы могут взаимно обмениваться. Фосфат и цитрат относятся к анионам, которые связаны в костях описанным выше способом. На поверхности кристаллов апатита может адсорбироваться значительное количество ионов. Очевидно, большое количество карбоната и фосфата связывается путем поверхностной адсорбции. В составе кости могут возникать дальнейшие изменения вследствие обмена ионов и рекристаллизации. Благодаря процессам, описанным выше, возникает динамическое равновесие в неорганических составных частях кости. Обмен минералов особенно быстро происходит в поверхностных частях кости ив частности, сильно выражен в губчатом слое трубчатых костей, который представляет часть кости с лабильным активным обменом веществ. Этот обмен обеспечивается хорошим кровоснабжением. 2.2 КЛЕТКИ. В костях среди других клеток преобладают остеобласты и остеокласты, которые соответственно осуществляют построение и разрушение костной ткани а также остеоциты – клетки замурованные в кальцифицированном межклеточном матриксе. Рис. 2.3 Клетки и белки, формирующие кость 2.3 ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КОСТИ. Биологическая роль белковой матрицы минерализованных тканей полностью еще не выяснена, но твердо установлено, что у всех млекопитающих минерализация осуществляется только на белковой матрице кроме структурной, белки выполняют регуляторные функции стимулируют митозы предшественников клеток твердых тканей и являются митогенами; воздействуют на дифференцировку и созревание клеток такие вещества называются морфогены; осуществляют межклеточные взаимодействия, прикрепление клеток к межклеточному матриксу, взаимосвязь органической основы с минеральными компонентами - адгезины; вызывают направленное движение клеток (хемотаксис) – хемоаттрактанты Органическое вещество костей состоит примерно на 90%-95% из коллагена I типа, от 3% до 8% массы приходятся на неколлагеновые белки кости и фосфолипиды, 1% составляют кислые и нейтральные гликозаминогликаны, которые в качестве скрепляющей субстанции располагаются между ГАП. Хондроитинсульфат играет центральную роль в обмене веществ костей. Он образует с белками основное вещество костей и имеет большое значение в обмене кальция. Костная ткань обнаруживает относительно большое количество цитрата (1%). Снабжение костной ткани осуществляется кровеносной системой. Доставка веществ происходит по гаверсовым каналами лакунам. Прочностные свойства костной ткани определяются совокупностью трех компонентов коллаген - прочность, протеогликаны - эластичность, кристаллы гидроксиапатитов - жесткость. Таким образом, кость (а также дентин и цемент) организована наподобие железобетона коллаген и протеогликаны выполняют роль арматуры, а ГАП роль бетона. Действительно, по ряду характеристик (устойчивость к разрыву, модуль упругости и др) кость сопоставима с железобетоном или даже превосходит его. 1 Белки Коллаген составляет приблизительно 90% органического матрикса кости. Коллагеновый состав кости в определенной степени необычен тем, что фактически представлен только коллагеном I типа (КЛ, хотя следы других типов коллагена, таких как V, XI и XII, все же определяются. На самом деле не исключено, что эти типы коллагена принадлежат другим тканям, которые хотя и находятся в костной ткани, ноне входят в состав костного матрикса. Например, V тип коллагена, обычно обнаруживаемый в сосудах, которые пронизывают кость, невозможно обнаружить до того, как будет осуществлена экстракция белков. Тип XI находится в хрящевой ткани и может соответствовать остаткам кальцифицированного хряща. Источником коллагена XII типа на самом деле могут быть "заготовки" коллагеновых фибрилл. В костной ткани коллаген I типа имеет ряд особенностей в нем меньше поперечных связей, чем в других видах соединительной ткани, и эти связи формируются посредством аллизина. Еще одним возможным отличием является то, что М-терминальный пропептид коллагена I типа фосфорилирована также то, что этот пептид сохраняется (по крайней мере, частично) в минерализованном матриксе. Такая посттрансляционная модификация проколлагена, в других видах соединительной ткани пока не выявлена. Коллаген I типа способен участвовать в минерализации, образуя комплексы с ГАП, только в составе костной ткани, дентина и цемента (в сухожилиях, коже – коллаген I типа не минерализуется). Эти различия в свойствах коллагена I типа разных тканей определяются наличием в минерализующихся тканях особых неколлагеновых регуляторных белков и ферментов. В жидкости, заполняющей лакунарно-канальцевую систему, циркулируют ферменты секретируемые остеобластами (щелочная фосфотаза, пирофосфатаза) и остекластами (кислая фосфатаза, карбангидраза, коллагеназа и другие лизосомальные ферменты. Неколлагеновые белки (НКБ) костного матрикса синтезируются остеобластами и остеоцитами, являются гликопротеидами или гликофосфопротеидами и выполняют роль регуляторов короткодистантного действия. Это - морфогенетические белки кости (МБК), фактор роста скелета (ФРС), костноэкстрагируемые факторы роста (КЭФР), остеонектин ОСН, остеокальцин (ОК) и остеопонтин (ОП. а) Остеонектин (ОСН) - гликопротеин, богатый аминокислотами ГЛУ, АСП, АРГ, радикалы которых пространственно сближены. ОСН — адгезин, связывающий (через углеводный компонент) КЛ и ГАП. ГАП фиксируется ионными связями через Са 2+ с радикалами АСП и ГЛУ и ионными (по некоторым данным фосфамидными) связями через Р 4 3- с радикалами АРГ. Таким образом, ОСН образует центры кристаллизации. ОСН секретируется зрелыми остеобластами и функционально активными остеоцитами. Поэтому по количеству ОСН в кости можно судить о степени дифференцировки костных клеток. б) Остеокалъцин занимает второе место среди НКБ (10-20%), синтезируется в остеобластах и остеоцитах, располагается в этих же клетках, а также в межклеточном матриксе. OK - низкомолекулярный кислый белок, состоящий из 49 аминокислот, среди которых 3 представлены -карбоксиглутаминовой кислотой ( -ГЛУ). Образование радикалов γ-ГЛУ происходит вовремя посттрансляционной модификации проостеокальцина. Реакцию катализирует витамин зависимый фермент - глутамилкарбоксилаза, использующий витамин K 1 в качестве кофактора и требующий для протекания реакции О и СОВ ходе реакции СО под действием фермента присоединяется к радикалу ГЛУ, в γ положении с образованием γ-ГЛУ. При этом витамин К (гидрохинон) окисляется в филлохинон-2,3-эпоксид, который в последующих реакциях восстанавливается в витамин К (гидрохинон) в два этапа. Наличие дополнительной – СОО - группы в γ-ГЛУ обеспечивает ей способность активно связывать Са 2+ . Другие Ме 2+ тоже способны связывать с ОК, нос разной степенью сродства (Ca 2+ > Mg 2+ > Sr 2+ > Ba 2+ ). Связанный с Са 2+ остеокальцин является фактором хемотаксиса для остеокластов. Предполагается что связывание Са 2+ так изменяет конформацию ОК, что он становится способным взаимодействовать с фосфолипидами мембран клеток. Следовательно, вызывать хемокинез всех подвижных клеток, попадающих в кость. Эта гипотеза подтверждается тем, что ОК действительно привлекает не только остеокласты, но и их предшественники - моноциты, атак же другие макрофаги. Рис. 2.4 Метаболизм остеокальцина Блокирование реакции γ-карбоколлирования остеокальцина варфарином (антагонист витамина К) лишает этот белок биологических свойств. Предполагаются две основные функции остеокальцина: Предохранение кости от избыточной минерализации. Запуск процессов ремоделирования кости по схеме старый остеодит → секреция остеокальцина → хемотаксис остеокластов → резорбция → остеогенез → молодой остеоцит. Концентрация остеокальцина в крови является показателем интенсивности метаболизма кости. в) Ocmeoпонтин - кислый гликопротеин, содержащий сиаловые кислоты обнаружен в остеобластах и остеоцитах. Основная роль ОП - адгезия клеток кости с ГАП, которая опосредуется пентапептидом: ГЛУ-АРГ-ГЛИ-АСП-СЕР, локализованном в центре белковой молекулы. ОП связан также с мембранными рецепторами остеокластов, регулирует их активность и, соответственно, процессы резорбции костной ткани. Наряду с отмеченными свойствами ОП, установлено, что увеличение содержания м-РНК ОП сопровождается метастазированием опухолей костной ткани, что, как полагают, связано с изменением адгезивных свойств клеток под влиянием ОП и активацией процесса инвазии. Таблица 2.3 Неколлагеновые белки костной ткани Белок Мг Отличительные признаки Гликопротеины Остеонектин 43 000 – 46 000* 32 000** Гликозилированный, фосфорилированный протеин множественная низкая аффинность к Са 2 Щелочная фосфатаза S-S димер, 50 000 – 80 000* Связывание Са 2+ BAG-75 75 000 Содержит 60% углеводов (7% - сиаловая кислота, 8% фосфатов Белки, содержащие RGD Тромбоспондин S-S тример, 150 000 Связывание Са 2+ и гидроксиапатита, сайты связывания такие же, как у фибронектина; связывается с остеонектином; клеточная адгезия Фибронектин S-S димер, 250 000 Сайты связывания с поверхностью клеток, фибрином, гепарином, бактериями, желатином, коллагеном, ДНК начальное прикрепление клеток Витронектин 70 000 Связывается со многими белками матрикса и сыворотки, ответственными за прикрепление клеток Остеопонтин 45 000 – 75 000* 41 500** Содержит N- и О-связанные олигосахариды, фосфосерин и тирозин, участвует в прикреплении клеток Костный сиалопротеин 75 000* 33 500** Содержит 50% углеводов (12% - сиаловая кислота у некоторых видов происходит сульфатирование тирозина участвует в прикреплении клеток Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту протеин матрикса 15 000 Одна внутримолекулярная связь S-S, 5 остатков gla Остеокальцин 12 000 – 14 000* 5 800** Одна внутримолекулярная связь S-S, 3-5 остатков gla, связывание с гидроксиапатитом, зависимое от gla Mr - относительная молекулярная масса. S-S - дисульфидная связь. Gla - гликозоамины Определено с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия. Для полипептида. г)Костный сиалопротеин составляет 5% от всех НКБ кости, синтезируется в остеобластах, остеоцитах, остеокластах и представляет собой кислый гликопротеин с большим содержанием сиаловых кислот. КСП выполняет функции гликопротеина, связывающего клетки с КЛ фактора резорбции матрикса кости. д) Морфогенетический белок кости (протеин матрикса) - олигомерный белок, выделяемый разрушающимися остеоцитами и содержащий 4 или 5 протомеров с молекулярной массой 32, 24, 17,5, 14, 1,5-2,0 кДа. Протомер 17,5 кДа обладает морфогенетической активностью. Это - кислый гликофосфопротеин, богатый СЕР и ГЛИ, содержащий 3 дисульфидные связи, восстановление которых вызывает его инактивацию. Морфогенетический эффект протомера 17,5 кДа, называется остеоиндукцией, в физиологических условиях проявляется в его действии на перициты (клетки, локализованные вдоль сосудов, вызывающем их дифференцировку в скелетогенные клетки. Остеоиндукция подтверждена экспериментально путем эктопического введения протомера 17,5 кДа в мышцы, переднюю камеру глаза, под капсулу почек. Вместе введения через 7 дней возникает хрящ, который через 15 дней замещается костью, а спустя 40-60 дней формируется сферическая кость с костным мозгом внутри. Действие протомера 17,5 кДа в значительной степени зависит от комплексирования с другими протомерами (32, 24, 14 кДа): комплекс 17,5 +32 кДа - биологически инертен комплекс 17,5 + 24 кДа - биологически активен, гидрофобен, устойчив к действию протеиназ; комплекс 17,5+14 кДа - гидрофилен и действует на большем расстоянии, чем один протомер 17,5 кДа (радиус действия последнего 400 нм. Протомер 14 кДа содержит γ-ГЛУ. Гидрофильные свойства самого протомера 14 кДа, а также комплекса (17,5 +14 кДа ) связывают с наличием радикала γ-ГЛУ, содержащего 2 карбоксильные группы и, особенно, с присоединением к радикалу γ-ГЛУ Са 2+ Протомер-пептид, с Мм. 1,5-2,0 кДа, богатый ГЛИ, занимает особое положение может входить в состав олигомерного белка - МБК, но возможно существуeт самостоятельно и называется ингибитором остеоиндукции (ИО. е) Фактор роста скелета(ФРС) - термо- и рН-стабильный белок. Легко гидролизуется кислыми протеиназами. Оказывает двойное регуляторное влияние митогенное - стимулирует деление скелетогенных клеток морфогенное - вызывает дифференцировку скелетогенных клеток в остеогенные. Действие ФРС на клетки-мишени индукционное (клетка переходит в активное состояние после кратковременного контакта с белком. ж) Костнотноэкстрагируемые факторы роста(КЭФР) - два гликопротеина, взывают митогенный эффекту остеогенных клеток контактным способом (митозы продолжаются, пока КЭФР связан с мембраной. Нуклеиновые кислоты В костной ткани представлены оба вида нуклеиновых кислотно количество РНК превышает содержание ДНК в 1,5-2,0 раза. Интенсивность образования органического матрикса костной ткани коррелирует с концентрацией РНК в остеобластах, поскольку количество РНК в клетках отражает активность их биосинтетических процессов. 3 Липиды Среди липидов костной ткани наибольшее значение имеют глицерофосфолипиды (ГФЛ). Значительное количество ГФЛ содержится в остеобластах, активно их синтезирующих, и экскретирующих во внеклеточное пространство. Находящиеся в молекуле ГФЛ остаток фосфорной кислоты или –СОО - группа заряжены отрицательно и способны присоединять Са 2+ . Считается, что именно ГФЛ играют ведущую роль в начальных этапах минерализации, связывая Са 2+ , в реализации непрерывного роста кристаллов ГАП; в осуществлении функции посредников для комплексирования ГАП с белковой матрицей Взаимосвязь ГФЛ с радикалами аминокислот в белках происходит за счет гидрофобных связей между алифатическими цепями остатков жирных кислот ГФЛ и алифатическими радикалами аминокислот (ВАЛ, ЛЕЙ, ИЛЕ а также за счет ионных связей между ионизированными группировками фосфолипидов и ионизированными радикалами аминокислот (АСП, ГЛУ, ЛИЗ). 4 Углеводы. Углеводы в костной ткани локализованы внутри- и внеклеточно. Внутриклеточные углеводы представленны гликогеном, а внеклеточные - гликозаминогликанами. Гликоген и глюкоза выполняют в основном, энергетическую функцию, и, образующийся при распаде глюкозы АТФ, используется для минерализации. Содержание гликогена в костной ткани с увеличением возраста остеобластов снижается с 15-20 мг на грамм ткани до 5-10 мг. В молодых клетках путем гликолиза образуется 60% АТФ, а в старых - 85%. В остеоцитах гликогена нет (или следы) и вся АТФ получается за счет гликолиза. Состав простетических групп протеогдиканов кости меняется на разных стадиях развития. В молодой кости преобладает гиалуронат, в зрелой - сульфатированные гликозоаминогликаны (ГАГ) (хондроитин и кератансульфаты). Полианионные сульфатные группы последних активно связывают Са 2+ , создавая его депо. Разрушение ГАГ приводит к уменьшению связывания Ca 2+ , а активация синтеза - увеличивает связывание Са 2+ и на определенных этапах развития кости, способствует минерализации. Среди гликозаминогликанов наибольшая доля приходится на хондроитинсульфаты, среди которых доминирует хондроитин-4-сульфат и кератансульфаты. Хондроитинсульфаты (ХС) и кератансульфаты (КС) являются простетическими группами протеогликанов межклеточного матрикса, обеспечивая соединение последних с КЛ. При удалении ХС и КС, волокна КЛ утрачивают поперечную исчерченность, наблюдаемую в электронный микроскоп, легко подвергаются ограниченному протеолизу, образуя желатину. ХС и КС, связывая Са 2+ сульфогруппами, активно участвуют в минерализации костной ткани. Завершение оссификации характеризуется уменьшением доли сульфатированных гликозаминогликанов. Гиалуроновая кислота (ГК), в отличие от ХС и КС, встречается как в связанном с белками-протеогликанами, таки в свободном состоянии. В молодой костной ткани количество ГК преобладает над содержанием ХС, но синтез обоих гликозаминогликанов необходим для соединения протеогликанов с КЛ и правильного формирования коллагеновых волокон. Таким образом, связанные формы гликозаминогликанов обеспечивают стабилизацию и цементирование волокнистых структур КЛ. Свободная ГК, благодаря полианионным свойствам, активно сорбирует катионы и воду, участвуя, тем самым, в регуляции обмена воды и электролитов. 5 Цитрат. Низкомолекулярное органическое соединение - цитрат присутствует в костной ткани в относительно большом количестве - до 1 % от общей массы, что враз больше, чем в печени. Наряду с этим, активность фермента цитратсинтазы, катализирующего образование цитрата из ацетил-КоА и оксалоацетата (ОА), в костной ткани значительно выше активности других энзимов. Эти факты подчеркивают особую роль цитрата в метаболических процессах в костной ткани, особенно в обмене Са 2+ . Цитрат легко образует растворимые соли Са 2+ и, являясь переносчиком кальция, обеспечивает его поступление в минерализующиеся ткани. Так как цитрат является хелатом легко связывающем Са 2+ , то увеличение его концентрации в крови снижает ее свертываемость. Реакция Са 2+ с цитратом может идти но разным схемам в зависимости от рН среды, концентрации Са 2+ и других факторов. Продукция цитрата гормонозависимый процесс. Она интенсефицируется гормоном паращитовидных желез (ПТГ). 2.4 МИНЕРАЛИЗАЦИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ. Минерализация - отложение кристаллов ГАП в ранее образованный органический матрикс специализированных твердых тканей эмали, дентина, цемента, костей. Нарушение минерализации органического матрикса (особенно в костной ткани) именуется остеомаляцией. Дефекты образования самой органической основы - остеопороз. Образование центров кристаллизации зависит от сформированности органического магрикса, наличия достаточного количества Са 2+ и Р 4 3- , активности щелочной фосфотазы (ЩФ), мобилизующей Р 4 3- и пирофосфатазы, разрушающей Н 4 Р 2 0 7 (ингибитор кристаллообразования. Необходимым условием является достаточное количество 0 2 для активного синтеза АТФ, а также наличиe депо Са 2+ в виде Са 2+ связанного с сулъфогруппами хондроитин- и кератан- сульфатов, а также с фосфатными группами глицерофосфолипидов (ГФЛ). Начало минерализации характеризуется усилением оксигенации костной ткани, что сопровождается активным накоплением в митохондриях Са 2+ , Р 4 3- и повышенной выработкой АТФ, путем окислительного фосфорилирования. АТФ используется как источник энергии для процесса синтеза органического матрикса ив качестве донора фосфата для минерализации. Усиленная оксигенация приводит также к повышению проницаемости мембран остеобластов и активному отпочкованию в межклеточный матрикс особых образований, называемых пузырьками матрикса, или мембранными везикулами (MB). Установлено, что MB имеют диаметр до 100 нм, покрыты клеточной мембраной и содержат в высокой концентрации Са 2+ и ГФЛ; ЩФ, пирофосфатазу, АТФ-азу и 5'-АМФ-азу. Концентрация Са 2+ в MB враз выше, чем в остеобластах. Са 2+ связан с ГФЛ, имеющими суммарный отрицательный заряд при физиологическом значении рН: фосфатидилинозитолом и фосфатидилсерином. Последний имеет особенно высокую аффинность к Са 2+ и является главным компонентом ГФЛ минерализованных тканей. В кальций-глицерофосфолипидных комплексах молярное отношение Са/Р = 1/1. Содержащиеся в MB фосфогидролазы увеличивают локальную концентрацию Р 4 3- , гидролизуя соответствующие субстраты. ЩФ среди таких ферментов занимает особое место • ее высокая активность характерна для минерализующихся тканей (активность резко снижена при дефекте формирования кости • ЩФ действует как гидролаза, отщепляя фосфат от органических соединений, и как фосфотрансфераза, перенося фосфат на акцептор органической природы. Рис. 2.4 Реакции, катализируемые щелочной фосфатазой Таким образом, в MB, в связи с высокой концентрацией Са 2+ и Р 4 3- , возникает перенасыщенный раствор фосфата кальция, что приводит к формированию первичных микрокристаллов гадроксиапатитов (ГАП). Содержащийся в MB, в составе ГФЛ, кальций взаимодействует со связанным белками фосфатом, образуя протеолипидный комплекс, содержащий первичный фосфат кальция. N C N C CH 2 +Ca + -ГФЛ CH 2 O OH O-P=O O-P=O OH O-Ca- ГФЛ Рис. 2.5 образование первичного фосфата кальция Однако рост кристаллов не происходит из-за способности протеогликанов и пирофосфатов (PPi) образовывать комплексы с кальцием. Считается, что одним из факторов, препятствующих кальцификации тканей, богатых коллагеном (кожи, сухожилий и др, является наличие большого количества протеогликанов и отсутствие пирофосфатазы. Отпочкование MB из остеобластов в межклеточный матрикс и разрушение их мембран сопровождается освобождением минеральных компонентов и микрокристаллов, а также частичным протеолизом протеогликанов лизосомальными протеиназами. Частичный протеолиз протеогликанов обеспечивает освобождение Са 2+ и Р 4 3- и способствует нуклеации - формированию поверхности белков, на которой будет происходить образование кристаллической решетки ГАП. Это становится возможным за счет связывания Са 2+ , Р 4 3- и микрокристаллов ГАП с радикалами полярных заряженных аминокислот НКБ кости. АСП/ГЛУ N O N C-O +PO 4 3- +PO 4 3- и т.д. -- +Ca 2+ +Ca 2+ АРГ Рис. 2.6 образование центров нуклеации на неколлагеновых белках за счет фиксации кальция и фосфатных групп Первичное формирование микрокристаллов ГАП в М остеобластов называется внутриклеточным процессом образования центров кристаллизации (или мест нуклеации). Фиксация Са 2+ и Р 4 3- на радикалах аминокислот НКБ в межклеточном матриксе называется, соответственно, внеклеточным процессом образования центров кристаллизации. В костной ткани протекают оба процесса. Основное место минерализации (независимо от внутриклеточного или внеклеточного начала процесса) располагается в микроканалах между микрофибриллами КЛ. Белками костной ткани, наиболее активно фиксирующими Са 2+ и О 3- , являются остеонектин (ОСН) и протеин. Особая роль ОСН доказана тем, что если в культуре тканей заменить ОСН фибронектином, то минерализации не происходит. Матричный белок расположен между микрофибриллами КЛ, содержит пространственно сближенные радикалы АРГ и 5 остатков -ГЛУ (механизм - карбоксилирования аналогичен процессу у остеокальцина, рис 2.7). Активно связывает Р 4 3- , но особенно Са 2+ в связи с этим, нередко называется матричным Са 2+ -связывающим белком. В детском организме содержание этого протеина на 30% больше чему взрослых. Рис. 2.7 образования глутаминовой кислоты Аи начало роста кристалловгидроксиапатитов(Б) В структуре самого КЛ костной ткани аминогруппа радикала ЛИЗ, освобожденная от протеогликанов, фиксирует Р 4 3- с образованием фосфамидной связи. Считается, что фосфат, связывая Са 2+ , возможно, участвует в образовании центра кристаллизации. ЛИЗ +Ca 2+ N C N C N C и т.д. (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 4 (CH 2 ) 4 NH 2 HN- HN- Рис. 2.8 фиксация фосфатов на лизине, входящем в состав коллагена и начало роста кристаллов гидроксиапатита Образование фосфоэфирных, а тем более фосфамидных связей, требует особых условий (источника энергии, наличия фермента. Донорами Р 4 3- для инициации процессов минерализации, служат PPi и органические эфиры фосфорной кислоты, освобождающие Р 4 3- под влиянием пирофосфатазы, 5'-АМФ-азы, АТФ-азы. Однако доминирующее значение в образовании фосфат содержащих центров кристаллизации принадлежит ЩФ, обеспечивающей перенос PO 4 3- от фосфорорганических эфиров к белкам, осуществляющим минерализацию. После формирования центров кристаллизации начинается эпитаксический (самоорганизованный, направленный) рост кристаллов ГАП на белковой матрице костной ткани. По завершении процесса роста кристаллов ГАП, остеобласты оказываются окруженными по периферии минерализованным матриксом и превращаются в остеоциты, главное назначение которых - поддержание стабильности обменных процессов в уже минерализованных отделах костной ткани, то есть сохранение постоянства ее органического и минерального состава. Это возможно только при наличии непрерывного динамического равновесия между процессами образования костной ткани, осуществляемыми остеобластами и остеоцитами, и процессами ее разрушения, или резорбции, выполняемыми остеокластами. Последние располагаются по поверхности костей в особых углублениях - нишах резорбции, образуемых за счет деятельности этих клеток. Пусковыми факторами, способствующими активации резорбции костной ткани, является снижение оксигенации ткани и интенсификации в остеокластах анаэробного гликолиза, вызывающего накопление лактата и соответственно, Н. Другой источник Н - это Н 2 СО 3 , образуемая карбангидразой. Снижение рН приводит к повышению проницаемости мембран лизосом и освобождение соответствующих гидролаз коллагеназы, гликозидаз, сульфатаз. Остеокласты выделяют в межклеточный матрикс Н, лактат и лизосомальные гидролазы. В результате местного ацидоза происходит распад связи кристаллов ГАП и белков межклеточного матрикса, кристаллы разрушаются. Ферменты гидролизуют соответствующие белки и происходит разрушение матрицы. Продукты распада белков матрикса и ГАП поступают в кровь, которая доставляет в остебласты кальций и фосфор, происходит восстановление органического и минерального состава костной ткани. 2.5 РЕГУЛЯЦИЯ ОСТЕОГЕНЕЗА, МИНЕРАЛИЗАЦИИ И ДЕМИНЕРАЛИЗАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ. Кость состоит из так называемых основных многоклеточных единиц ремоделирования, ответственных за локальные формообразование и местные концентрации кальция и фосфора. В составе таких единиц имеются мононуклеарные потомки недифференцированных мезенхимальных клеток – остеобласты. Они синтезируют коллаген 1 типа, располагают рецепторами паратгормона и ответственны за отложение органического остеоида и его последующую минерализацию. Маркером их активности служит секретируемый ими фермент – щелочная фосфатаза. Минерализация обеспечивается при участии минорных неколлагеновых кальций-связывающих белков остеобластов, которые содержат остатки α-карбоксиглютаминовой кислоты, фиксирующей кальций. К ним относятся остеокальцин и мофогенетический белок кости (матриксный кабоксиглютамил-содержащий белок, протеин матрикса. Карбоксиглютаминирование обоих белков зависит от витамина К. Остеокальцин уникален для костей и зубов и его уровень в крови отражает скорость остеогенеза. Параллельно, через тромбоспондин, остеонектин и остеопонтин, эти фиксаторы кальция (и магния) закрепляются на коллагеновой матрице. Окружая себя минерализованным остеоидом, остеобласты превращаются в остеоциты, цитоплазма которых образует отростки, через гаверсовы канальцы остеоида связанные с соседними остеоцитами. Остеоциты участвуют в локальной перилакунарной деструкции кости и могут влиять на быстрые колебания уровня кальция в крови. Однако, основную остеолитическую Рис. 2.9 СХЕМА РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА КОСТИ Сокращения ПТГ- паратгормон, ЭГ – эстрогены, АГ – андрогены, КТ – кальцитонин, ОК –остеокальцин, МБК – морфогенетический белок кости, ИО – ингибитор остеоиндукции, ФРС – фактор роста скелета, рО 2 – парциальное давление кислорода, ЩФ – щелочная фосфатаза, КФ – кислая фосфатаза, ПФ – пирофосфатаза, СТГ – соматотропный гормон, ГК –глюкокортикоиды, ОСН – остеонектин, РРi –Н 4 Р 2 О 7 , ГАП - гидроксиапатиты Активирующие факторы перициты Синтез МБК Ингибирующие факторы МБК-ИО Синтез ИО МБК ИО скелетогенные клетки остеобласты образование межклеточного матрикса образование центров кристаллизации эпитаксия замуровывание остеобластов остеоциты ПТГ ЭГ, АГ КТ ПТГ, вит Д ЭГ, АГ ФРС, рО 2 СТГ, инсулин, ЭГ рО 2 , лактат ГК анаболики, витамины глюкокортикоиды ОСН, АТФ, рО 2 , ЩФ, ПФ рО 2 , КФ, РРi моноциты остеокласты секреция Н, КФ, гидроксилаз ОК КТ разрушение ГАП освобождение МБК, ФРС фрагменты коллагена функцию в единицах ремоделирования кости выполняют потомки моноцитов – гигантские многоядерные макрофаги костей – остеокласты. Остеокласты перемещаются и образуют в участках резорбируемой кости, в особых лакунах Хоушипа, активный слой, прикрепляясь через специальный адаптер – α β 3 -интегрин – к остеопонтину. Они выделяют на своей активной гофрированной каёмке коллагеназу и маркерный фермент – кислую фосфатазу, лизируя минерализованный остеоид и растворяя кристаллы гидроксиапатита. Для этого, с помощью специальных протонного АТФазного насоса и карбоангидразы 2 типа, ими локально создаётся зона кислого рН=4. Молодой неминерализованный остеоид устойчив к их действию. Повреждённая кость при воспалении резорбируется ими и заменяется остеобластами на новую. Молодые остеокласты имеют рецепторы парат-гормона и кальцитонина, нона зрелых остаются лишь последние. Нету них и рецепторов кальцитриола. Дифференцировка остеокластов зависит от гранулоцитарно-моноцитарного колониестимулирующего фактора, интерлейкина ИЛ и паратгормона. Остеобласты и остеокласты функционируют согласованно (рис 2.9), что приводит к обновлению всего кальция костей за период, примерно, влет. Рост костей в длину зависит от энхондрального образования костной ткани на месте метаэпифизарного хряща, а в ширину (толщину) – от периостального окостенения. Костная ткань находится под контролем многих гормонов. Так, СТГ, пролактин, инсулин и андрогены способствуют синтезу остеоида. Инсулин стимулирует пролиферацию клеток и синтез в них КЛ и НКБ. Потенцирует действие фактор роста скелета (ФРС). (Установлено, что инсулин - необходимый компонент всех сред для культивирования клеток и тканей, те. роль в репликации и росте клеток несомненна. Глюкагон стимулирует секрецию кальцитонина (КТ). Глюкокортикоиды снижают в костях синтез коллагена, а также, препятствуя действию КТ в кишечнике и, уменьшая почечную реабсорбцию кальция, способствуют потере этого иона и остеопорозу. Эстрогены способствуют синтезу остеоида и отложению кальция в костях, как опосредованно через главные регуляторы кальциевого обмена, таки непосредственно. Андрогены (наиболее активный представитель - тестостерон) вызывают общий анаболический эффект. Индуцируют синтез белка в хондроцитах хрящевой зоны роста ив остеобластах, что сопровождается задержкой Са 2+ и Р 4 3- и увеличением массы костной ткани. Анаболический эффект тестостерона оптимально проявляется в присутствии гормона роста. Тестостерон усиливает синтез ингибитора остеоиндукции. Поэтому наступление половой зрелости тормозит рост скелета (в длину. Эстрогены (наиболее активный гормон - 17- -эстрадиол-Е 2 ) обладают общим анаболическим действием. В остеобластах, обладающих специфическими рецепторами к Е, возрастает синтез КЛ, активность ЩФ ив меньшей степени, повышается синтез остеопонтина. Особенность действия Е, по сравнению с андрогенами, заключается в чрезвычайно активной стимуляции дифференцировки хондрогенных клеток в хондроциты в хрящевой зоне роста. Данный феномен обуславливает закрытие ростовых зон, раннюю минерализацию и интраскелетную оссификацию. Следовательно, в период полового созревания происходит остановка роста скелета. Мощными паракринными стимуляторами остеогенеза служат различные факторы роста (фибробластов, тромбоцитов, а также трансформирующий и инсулиноподобный). Резорбция кости стимулируется, через простагландины, такими паракринными регуляторами, как интерлейкин -1 (ИЛ, кахексин, лимфотоксин и интерферон. Цитокины - интерлейкин-1 и интерферон ( -ИФ) оказывают влияние следующим образом ИЛ - белок-митоген индуцирует пролиферацию преостеобластов и синтез остеобластами двух белков остеопонтина и остеокальцина, последнего - в большей степени. -ИФ - белок ингибирующий действие ИЛ. К факторам роста относят фактор роста эпидермиса (ФРЭ), инсулиноподобные факторы роста 1 и 2 (ИФР-1; ИФР-2). Эти белки-митогены стимулируют пролиферацию предшественников остеобластов и синтез остеобластами КЛ и НКБ. Но решающей остаётся регуляция с помощью кальцитонина, кальцитриола и паратгормона. Паратгормон способен осуществлять в организме следующие эффекты, определяющие ход вышеописанных процессов Стимуляцию второго гидроксилирования витамина D в почках, превращающего этот прогормон в активный гормон 1, 25-дигидроксивитамин D. Кальцитриол – неполный синергист действия паратгормона. Он, подобно паратгормону, стимулирует нарастание содержания кальция и магния в плазме, нов отличие от паратиреокринина, задерживает и фосфаты. Активацию остеокластов, остеолиза и освобождения кальция из костей. Гормон способствует появлению у молодых остеокластов специфической гофрированной камки, с помощью которой они резорбируют костное вещество, а также, в более отдалённые сроки, увеличивает само количество остеокластов, ускоряя их дифференцировку из моноцитов. Гормон стимулирует остеолиз глубокими остеоцитами. В последнее время показано, что активирующее действие гормона на зрелые остеокласты носит непрямой характер. Оно паракринно опосредовано цитокинами, выделяемыми в ответ на гормон в остеобластах и фибробластах (ИЛ, кахексином и лимфотоксином, а также, возможно, ИЛ и гранулоцитарно- моноцитарным колониестимулирующим фактором. Параллельно этому, паратгормон, через остеобластические рецепторы, стимулирует и остеогенез. При высоких концентрациях гормона преобладает стимуляция остеолиза, при низких – остеогенеза. Периодические курсовые воздействия небольших доз паратгормона оказывают анаболический эффектна костную ткань. В целом, паратгормон способствует отрицательному костному балансу, то есть соотношению темпов остеогенеза и остеолиза, с преобладанием последнего, показателем чего служат наблюдаемые при гиперпаратиреозе повышение выведения оксипролина и сиаловых кислот с мочой. Кальцитриол действует синергично с паратиреокринином, а 24,25-дигидроксивитамин D (секальциферол) стимулирует остеогенез. Усиление экскреции фосфата с мочой это сопровождается также понижением реабсорбции сульфата, бикарбоната, натрия, хлоридов и аминокислот. В силу подобных эффектов, парат-гормон способствует развитию выделительного ацидоза. Кальцитриол выступает частичным антагонистом и частичным синергистом паратиреокринина, задерживая и фосфат, и кальций. Увеличение всасывания кальция (магния) в ЖКТ. Этот эффект, по-видимому, отчасти, опосредован через кальцитриол, который действует аналогично, но, вдобавок – способствует ещё и абсорбции фосфатов. У паратгормона существует гормональный физиологический антагонист, реципрокно влияющий на кальций-фосфатный метаболизм, это гормон С-клеток щитовидной железы – кальцитонин (КТ). Кальцитонин – пептид из х аминокислот, из которых 7 остатков на аминоконце замкнуты дисульфидной связью в кольцо. Гормон синтезируется из прокальцитонина. Кальцитониновые рецепторы находятся в остеокластах, а также в клетках почек и ЖКТ. Эффекты кальцитонина сводятся к тому, что подавляется резорбция костного вещества остеокластами (при длительном действии нарушается остегенез остеобластами подавляется реабсорбция кальция и фосфата ( а также Na + , Mg 2+ , K + ) в почках возможно тормозит активацию макрофагов 24,25(ОН) 2 Dз - 24,25-дигидроксихолекальциферол, один из активных метаболитов холекальциферола - (витамина з, рассматривается в настоящее время как стероидный гормон. Образуется в митохондриях клеток почек, костей, хрящей, тонкого кишечника и плаценты при гидроксилировании метаболита ОН) з по 24 атому углерода. В хрящевой зоне роста эпифизов стимулирует пролиферацию и дифференцировку хондрогенных клеток, содержащих специфические рецепторы для данного соединения. По некоторым данным, 24,25(ОН) 2 Dзстимулирует синтез коллагена остеобластами. Характер биологического эффекта зависит от природы клетки-мишени: в молодых остеобластах - усиление синтеза КЛ, активация щелочной фосфатазы, увеличение скорости дифференцировки в зрелых остеобластах и остеоцитах - уменьшение активности ЩФ, синтеза коллагена, усиление синтеза ОК и продукции цитрата в моноцитах - стимуляция дифференцировки в макрофаги и остеокласты, активация синтеза лизосомальных ферментов в макрофагиах- стимуляция дифференцировки в остеокласты, в Т-лимфоцитах - увеличение продукции лимфокининов, усиливающих дифференцировку моноцитов и макрофагов в остеокласты, в остеокластах рецепторов к кальцитриолу нет. В почках в проксимальных канальцах происходит стимуляция реабсорбции Р 4 3- , а в дистальных - Са 2+ Механизмы процессов аналогичны тем, которые реализуются в энтероцитах. Синтез кальцитриола В коже (мальпигиев слой эпидермиса) из провитамина D 3 - 7-дегидрохолестерола образуется холекальциферол (витамин D3). Далее холекальциферол связывается с D- связывающим белком и поступает в печень. В печени холекальциферол под действием 25- гидроксилазы превращается в 25-оксихолекальциферол (25-OH-D3) — основную форму, в которой этот витамин циркулирует в кровотоке в связи стем же связывающим белком. В проксимальных извитых почечных канальцах под действием 1α-гидроксилазы 25- оксихолекальциферол гидроксилируется в С1-положении, превращаясь в биологически активный 1,25-диоксихолекальциферол ОН- D3. Повышение уровня кальцитриола в плазме тормозит активность 1α-гидроксилазы и повышает активность 24-гидроксилазы, что приводит к преимущественному образованию из 25-OH-D3 не 1,25-(OH)2-D3, а побочного продукта — 24,25-(OH)2-D3, который не обладает биологической активностью. Гидроксилирование, протекающее в почках является скорость-лимитирующей реакцией. Паратгормон индуцирует 7-α-гидроксилазу, стимулируя, тем самым, синтез ОН- D3. Низкая концентрация в крови фосфатов и Са 2+ также ускоряет синтез кальцитриола. Рис. 2.10 Синтез кальцитриола Витамин А (ретинол) - непосредственно, а также, в большей мере, в форме метаболита - ретиноевой кислоты (гормона) активирует пролиферацию и дифференцировку хондрогенных клеток в хрящевой зоне роста эпифизов, синтез хондроитинсульфатов протеогликанов; усиливает задержку SO 4 2- , Са2 + , Р Действие витаминов Си К связано с созреванием коллагена, и - карбоксилированием ОК. Механизмы регуляции анаболических и катаболических путей тесно взаимосвязаны и призваны сохранить баланс и стабильность обмена как органических веществ, в первую очередь - белков, таки минеральных компонентов, обеспечивая константы [Са 2+ ] и Р 4 3- ] в крови. Гипофиз, щитовидная железа и половые железы оказывают глубокое влияние на обмен веществ и формирование костной системы. При выпадении функции гипофиза или щитовидной железы тормозится рост и развитие, нарушаются процессы дифференциации, что ведет к карликовости. Введение гипофизарных гормонов усиливает отложение кальция. 2.6 ВЛИЯНИЕ ПИТАНИЯ. Значение введения кальция и магния в костеобразовании общеизвестно. Недостаточное белковое питание вызывает уменьшение образования мукопротеидов, что ведет к нарушению процесса костеобразования. Многие витамины влияют различным образом на костеобразование. При недостаточном поступлении в организм витамина А тормозится деятельность остеобластов и уменьшается включение S 35 и Р в состав костной ткани. Недостаток аскорбиновой кислоты ведет к полному прекращению пролиферации остеобластов и тем самым к уменьшению образования органического основного вещества. Падает содержание щелочной фосфатазы. Недостаток витамина Д приводит к рахиту. Рахит (от греч. rhachis - спинной хребет, позвоночник) - это нарушенная минерализация растущей кости, ведущая к нарушениям формирования скелета в раннем детстве. Различают витамино-дефицитный и витамино-резистентный рахит. К дефициту витамина D могут приводить неадекватная инсоляция, недостаточное поступление витамина D с пищей, синдром мальабсорбции. Кроме того, рахит может быть следствием терапии антиконвульсантами типа фенобарбитала и т. д. (повышенный метаболизм витамина D вследствие индукции ферментных систем печени отсутствия выработки 1,25-дигидроксихолекальциферола (при витамин зависимой форме заболевания, при почечной недостаточности повышенной потери фосфора (при гипофосфатемическом витамин резистентном рахите, синдроме Фанкони). Сочетанному дефициту таких минеральных веществ, как кальций, фосфор, магний и медь, в совокупности с недостаточными количествами витамина D в последнее время придается особое значение, хотя изолированный дефицит каждого из них в отдельности также может приводить к развитию минералодефицитных форм рахита. В клинической картине доминируют симптомы со стороны костной системы, которые редко появляются до го месяца жизни, обычно — во втором полугодии жизни, очень редко у детей более старшего возраста поздний рахит. Вслед за общим беспокойством, раздражительностью, нарушениями сна, избыточным потоотделением в области волосистой части головы обычно развивается мышечная гипотония. Краниотабес является первым скелетным симптомом. Метафизарные зоны роста длинных костей увеличиваются вследствие нарушения структуры хрящей и отложения некальцифицирован-ной остеоидной ткани. Это происходит на границах между хрящевой и костной тканью ребер (так называемые рахитические четки, в дистальных концах длинных костей (расширения в форме чашечек на пальцах — «четкообразные» пальцы, на запястьях и лодыжках — симптом Марфана), на черепе — квадратичная деформация (capus quadratum), на лобной и теменной костях с одновременным уплощением затылка, в других частях скелета деформации и искривления (кифоз, колоколоподобная грудная клетка, сужение таза и т. д. У детей с рахитом созревание скелета затягивается, отмечается также более позднее и нерегулярное прорезывание молочных зубов. Основные способы предупреждения рахита – правильное питание и достаточная инсоляция. |