Конспект по теме Биохимия ротовой полости. Биохимия ротовой полоститема 1 биохимия пульпы, периодонтальной связки и деснытема 2 биохимия минерализованных тканей ротовой полости
 Скачать 7.39 Mb.
|
|
Особенность всех минерализованных тканей: - малое кол-во клеток с отростками - большое кол-во матрикса с минералами (в связи с этим органический компонент матрикса имеет особое строение - он представлен белками, которые являются центрами кристаллизации для формирования кристаллов минерального компонента) ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КРИСТАЛЛОВ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ В минерализованных тканях животного мира преобладают апатиты. Общая формула апатитов: Са10(РО4)6(X)2, где Х представлен гидроксильной группой. ● Преобладает гидроксиапатит (ГАП) - Са10(РО4)6(ОН)2Н2О ● Другие соли кальция: карбонатапатит - Ca10(PO4)6CO3 хлорапатит - Ca10(PO4)6Cl2 фторапатит - Ca10(PO4)6F2 аморфный кальций в виде Ca3(PO4)2, CaCO3, цитрат кальция Больший процент приходится на Са2+, достаточно большой процент РO4(2-) ВКМ (внеклеточный матрикс) минерализованных тканей ● Кристаллы солей кальция (преобладает гидроксиапатит) ● Другие неорганические соли ● Органические вещества (преобладают специализированные белки) ● Вода (4-15%) Замещаемые и замещающие ионы и молекулы в составе апатитов (изоморфное замещение) Замещаемые ионы Замещающие ионы PO4(2-) AsO3(2-) НРO4(2-) CO2 Cа2+ Sr2+ Ba2+ Pb2+ Na+ K+ Mg2+ H2O ОH- F- Cl- Br- l- H2O 2ОН CO2(2-) O2(-) Гидроксиапатиты (ГАП) ● имеют гексагональную структуру, которая обусловливает высокую прочность ● молярное соотношение кальций:фосфат=1:67 (очень устойчивая структура, стабильная ионная решетка, в которой плотно упакованы ионы, удерживаемые за счет электростатических сил) ● стабильны, НО легко обмениваются ионами с окружающей средой, благодаря чему в их составе могут появляться другие ионы (изоморфное замещение) ○ размер атома - фактор, определяющий возможность замены Элементы кристаллической решетки апатитов могут обмениваться с ионами раствора, окружающего кристалл и изменяться за счет ионов, находящихся в этом растворе. В живых системах способность к изоморфному замещению делает апатиты высокочувствительными к ионному составу крови, межклеточной жидкости, слюны (зависит от характера пищи и потребляемой воды). ● изоморфное замещение влияет на прочность и размеры кристаллов ГАП (т. е. изменяет свойства) Наиболее распространенные реакции изоморфного замещения ● В кислой среде ионы кальция замещаются протонами, что приводит к разрушению кристалла ГАП. Реакция деминерализации костной ткани в кислой среде (1). ● Фторапатиты - наиболее стабильные апатиты. Две реакции изоморфного замещения с участием фтора (3, 4). ○ Если концентрация фтора в норме, то образуются кристаллы фторапатитов (рекомендуется временное применение фтор-содержащих паст для того, чтобы некоторое количество ГАП в эмали замещалось на кристаллы фторапатитов. Фторапатиты уменьшают растворимость ГАП в кислой среде) - р. 3 ○ Если концентрация фтора высока, реакция изоморфного замещения происходит по другому типу - кристаллы не образуются (р. 4). Заболевание, которое развивается при избыточной концентрации фтора в воде, почве, зубах, костях в период формирования костного скелета и зубных зачатков - ФЛЮОРОЗ (размягчение тканей зуба) Карбонатный апатит ● содержит карбонат или гидрокарбонат ● накопление карбоната повышает кариесвосприимчивость эмали ● с возрастом увеличивается Стронциевый апатит ● образуется в результате замещения кальция ● замещение происходит при накоплении радионуклидов в потребляемов воде ● уменьшает механическую прочность зуба У изоморфного замещения могут быть положительные эффекты (р. 3), но в основном он имеет негативный характер. КЛЕТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ ● Остеобласты (костьобразующие) и остеокласты (костьрастворяющие) ● Цементобласты (цемент) ● Одонтобласты (дентин) ● Амелобласты (эмаль) Все клетки участвуют в формировании ВКМ, что способствует минерализации твердых тканей зуба. БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ ● Зубы располагаются в костных лунках - отдельных ячейках альвеолярных отростков верхней и нижней челюстей. Костная ткань - разновидность соединительной ткани, развивающаяся из мезодермы и состоящая из клеток, межклеточного неминерализованного органического матрикса (остеоид) и основного минерализованного межклеточного вещества. ● Поверхность кости альвеолярного отростка покрыта надкостицей (периост), образованной преимущественно плотной волокнистой соединительной тканью. Из остеогенного слоя надкостницы в кость проходят сосуды и нервы. ● Надкостница осуществляет не только трофическую функцию, но и участвует в росте и регенерации кости. Вследствие этого костная ткань альвеолярных отростков обладает высокой регенеративной способностью не только в физиологических условиях, при ортодонтических воздействиях, но и после повреждения (переломы). ● Минерализованный матрикс организован в трабекулы - структурно-функциональные единицы губчатой костной ткани. ● В организме постоянно происходят процессы обновления костной ткани путём сопряженного по времени костеобразования и рассасывания (резорбция) кости. В этих процессах активно участвуют различные клетки костной ткани. КЛЕТОЧНЫЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ ● Клетки занимают всего лишь 1-5% общего объёма костной ткани скелета взрослого человека. Различают 4 типа клеток костной ткани. ● Мезенхимальные недифференцированные клетки кости находятся главным образом в составе внутреннего слоя надкостницы, покрывающей поверхность кости снаружи - периоста, Из этих клеток могут образовываться новые клетки кости - остеобласты и остеокласты. В соответствии с этой их функцией их также называют остеогенными клетками. ● Остеобласты - клетки, находящиеся в зонах костеобразования на внешних и внутренних поверхностях кости. Остеобласты синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны. Они также обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов и выступают в качестве посредников при связывании минеральных кристаллов с белковой матрицей. По мере старения остеобласты превращаются в остеоциты. ● Остеокласты - клетки, выполняющие функцию разрушения кости, образуются из макрофагов. Они осуществляют непрерывный управляемый процесс реконструкции и обновления костной ткани, обеспечивая необходимый рост и развитие скелета, структуру прочность и упругость костей. МЕЖКЛЕТОЧНОЕ ВЕЩЕСТВО ● Межклеточное вещество представлено органическим межклеточным матриксом, построенным из коллагеновых волокон и основным минерализованным веществом. ● Основное вещество межклеточного матрикса состоит главным образом из внеклеточной жидкости, гликопротеинов и протеогликанов, участвующих в перемещении и распределении неорганических ионов. Минеральные вещества, размещенные в составе основного вещества в органическом матриксе кости представлены кристаллами, главным образом гидроксиапатитом. Основными белками внеклеточного матрикса костной ткани являются коллагеновые белки l типа, которые составляют около 90% органического матрикса кости. Наряду с коллагеном типа присутствуют следы других типов коллагена, таких как V, XI, XII. ● Неколлагеновые белки костной ткани представлены гликопротеинами и протеогликанами. ● Гликопротеины синтезируются остеобластами и способны связывать фосфаты или кальций; таким образом они принимают участие в формировании минерализованного матрикса. Связываясь с клетками, коллагенами и протеогликанами, они обеспечивают образование надмолекулярных комплексов матрикса костной ткани. ОСТЕОБЛАСТ (ОБ) – костеобразующая клетка ● Формируется из ПРЕостеобласта (этот процесс индуцируется цитокинами) ● Цитокины BMP7 и BMP2 (костные морфогенетические белки) взаимодействуют с рецепторами и через фосфорилирование факторов транскрипции индуцируют дифференцировку ОБ из клеток-предшественников (преостеобластов – ПОБ). Коллагеновая губка, содержащая BMP2, применяется для заполнения костных дефектов. РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ КОСТНОЙ ТКАНИ В процессе жизнедеятельности костная ткань постоянно обновляется. При этом в костной ткани происходят два противоположно направленных процесса - резорбция и восстановление. Соотношение этих процессов называется ремоделированием костной ткани. ● Остеокласты “присасываются” к кости и осуществляют растворение старой костной ткани. Остеобласты формируют новую костную ткань с участием органического остеоида. Известно, что каждые 30 лет костная ткань изменяется почти полностью. в норме кость растет до 20 лет, достигая пика костной массы. В этот период прирост костной массы составляет до 8% в год, затем до 30 лет - период устойчивого состояния. После этого начинается естественное снижение костной массы. После наступления менопаузы у женщин наблюдается максимальная скорость потери костной ткани, т. к. эстрогены влияют на резорбция кости, продолжается этот процесс до 60 лет. Женщины теряют 30-50% костной ткани. Мужчины в меньшем количестве 15-30%. ● Костная ткань является депо кальция и фосфата. ● Протекание процессов костеобразования и резорбции кости позволяет поддерживать постоянную концентрацию Ca2+ в крови (2,2-2,8 мМ). КОСТЕОБРАЗОВАНИЕ ● 1 этап – активные секретирующие остеобласты создают слои остеоида - неминерализованного матрикса кости, который медленно восполняет полость резорбции. Компоненты органического остеоида (необходимы для 1 этапа): коллаген I типа, BSP-II, остеонектин, остеокальцин, щелочная фосфатаза, протеогликаны. Когда образующийся остеоид достигает определенного размера, он начинает минерализоваться: ● 2 этап – минерализация остеоида, т.е формирование кристаллов ГАП в многочисленных центрах нуклеации. Скорость минерализации зависит от содержания кальция, фосфора и ряда микроэлементов. Таким образом, процесс минерализации управляется остеобластами, которые образуют остеоид, и тормозится пирофосфатом - природный ингибитор минерализации. 1 этап: СИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА (преобладающий компонент) и ДРУГИХ БЕЛКОВ ОСТЕОИДА ● Коллаген I типа (90%), минорные коллагены V и XII типа. ○ Коллаген l типа состоит из двух альфа-цепей. Характеризуется наличием триад: 33% глицин, 20% пролин, лизин (участвует в образовании ковалентных сшивок) ● В коллагене бифункциональные сшивки преобладают над трифункциональными сшивками. Среди трифункциональных сшивок преобладают перемычки пиррольного типа. ● Существуют «зазоры» между тропоколлагеновыми единицами, являющиеся центрами нуклеации - здесь начинается рост кристаллов ГАП. Размер “зазора” 35-40 нм. ○ Молекулы тропоколлагена выстраиваются в параллельные ряды (20-100 рядов), располагаются со смещением на ¼ длины молекулы тропоколлагена - вид поперечной исчерченности. Наблюдаются участки полного перекрытия, что придает коллагеновому волокну большую механическую прочность. BSP-II (костный сиалопротеин 2) ● Молекулярная масса 70 кДа (низкомолекулярный). ● На 50% состоит из углеводов. ● В количественном отношении на втором месте после коллагена. Преобладающий гликопротеин ВКМ. ● Обладает очень кислыми свойствами (pI = 3,9) за счет большого количества остатков глутамата (22%), фосфорилированных (на этапе посттрансляционной модификации с уч-ем АТФ) остатков серина и треонина, сульфатированных (с участием ФАФС) остатков тирозина и сиаловой кислоты, принадлежащей олигосахаридным фрагментам. ● За счет отрицательного заряда может присоединять ионы кальция. ● Участвует в прикреплении клеток. ● Участвует в минерализации матрикса. ● Имеет мультидоменную структуру, 3 домена: ○ гидрофобный домен для связывания коллагена ○ RGD-домен (аргинин, глицин, аспарагин) для связывания с мембранными интегринами (белками) клеток ○ центр нуклеации для образования первых кристаллов ГАП. Домен - СФЕ белка. ОСТЕОНЕКТИН (ON) ● Кислый, богатый цистеином гликопротеин ● Белок синтезируется остеобластами, одонтобластами ● Содержит большое количество отрицательно заряженных АК, поэтому обладает способностью связывать ионы кальция ● Через углеводный компонент связывается с коллагеном l типа ● Обеспечивает взаимодействие компонентов матрикса ● Является инициатором минерализации кости, хряща, цемента ОСТЕОКАЛЬЦИН ● Витамин К-зависимый Гла-протеин ● Отличительная особенность семейства Гла-белков - присутствие в структуре остатка гамма-карбокси-глутаминовой кислоты (Гла) ○ Образование Гла происходит на этапе посттрансляционной модификации (см. реакцию ниже) ● Синтезируется только в остеобластах ● Молекулярная масса 6 кДа ● Состоит из 49 АК, из них три представлены гамма-карбокси-глутаминовой кислотой ● Маркер костеобразования ● Гормональное действие: мишенью является поджелудочная железа и половые железы ○ а) усиление выделения инсулина ○ б) усиление синтеза тестостерона Реакция посттрансляционной модификации остатков глутаминовой кислоты в молекуле про-остеокальцина (предшественника остеокальцина) В пре-остеокальцине есть несколько остатков глутаминовой кислоты, которые на этапе посттрансляционной модификации карбоксилируются (Е: глутаматкарбоксилаза ). Этот фермент сложный, содержит в своей структуре вит. К. Это единственный случай, когда жирорастворимый витамин выполняет коферментную функцию! Жирорастворимые витамины обычно являются антиоксидантами (вит. А, Е, D). Модификация: вместо одной карбоксильной группы в структуре глутамата появляется вторая (отрицательно заряженная клешня в составе остеокальцина). Клешня взаимодействует с ионами кальция. Какие белки, кроме белков костной ткани, относятся к Гла-протеинам? Белки системы свертывания крови (они тоже работают в присутствии ионов кальция). Свойство связывать кальций обеспечивается посттрансляционной модификацией остатка глутаминовой кислоты. ЩЕЛОЧНАЯ ФОСФАТАЗА (ЩФ) ● Фермент ● Катализирует реакцию: S-OPO3H2 + H2O = S + H3PO4 (высвобождается фосфат, необходимый для образования кристаллов ГАП) ● Относится к белкам органического остеиода ● Обладает относительной субстратной специфичностью ● Субстраты: ○ пирофосфат (природный ингибитор минерализации) ○ фосфорилированные белки ( BSP-ll ) ○ нуклеотиды ( АТФ, АДФ ) ○ низкомолекулярные органические фосфаты (глицеро-3-фосфат) ● pH оптимум = 9-10 Гидролиз пирофосфата снимает его ингибирующее действие на процесс минерализации и снабжает ткань фосфатами. 2 этап: МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ОСТЕОИДА Освобожденные под действием щелочной фосфатазы, фосфатные остатки кристаллизуются с ионами Са , используя коллагеновые волокна и BSPII , в качестве каркаса. Факторы, необходимые для формирования кристаллов правильной формы (только такие кристаллы обладают высокой механической прочностью): Для ограничения роста кристаллов в ширину - вещества, обладающие способностью связывать излишки Са: 1. ЦИТРАТ-ИОНЫ , адсорбируемые на поверхности кристаллов (3 заряженные отрицательно гидроксильные группировки, обладающие способностью связывать Са); 2. Матриксный ГЛА - протеин, синтезируемый с участием витамина К остеобластами (обладает способностью связывать аморфный Са, который есть на поверхности кристаллов). Протеогликаны - органический компонент костной ткани, являются компонентом органического остеоида. ● Остеобласты выделяются во внеклеточный матрикс, главным образом, малые протеогликаны богатые лейцином (декорин, бигликан, фибромодулин, люмикан); *к их особенностям относится: 1. их поровый белок обладает значительной молекулярной массой; 2. они содержат 1-2 цепи ГАГ. ● В ходе минерализации лизосомальные ферменты (протеиназы и гликозидазы) остеобласта гидролизуют: 1. компоненты протеогликанов, 2. другие компоненты органического матрикса и идет замещение органического матрикса минеральным компонентом. Маркеры усиления костеобразования: ● Повышение активности щелочной фосфатазы (костного изофермента) в крови; ● Повышение концентрации остеокальцина в крови; ● Повышение концентрации пропептидов коллагена I типа *такие пропептиды отщепляются в процессе посттрансляционной модификации синтеза коллагена. Например: 1. Измерение количества сывороточного остеокальцина позволяет определить риск развития остеопороза у женщин; 2. Рахит у детей в раннем возрасте сопровождается снижением содержания остеокальцина (степень снижения концентрации остеокальцина зависит от выраженности рахитического процесса) |