Биохимия экзамен ответы на стомат вопр. Биохимия костной ткани
 Скачать 69.4 Kb.
|
|
8 БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ. Костная ткань - это особый вид соединительной ткани, включающий компоненты органической и неорганической природы, выполняющий функцию депо Са (99%). Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность. Состоит из клеток и костного матрикса (межклеточного вещества). Костный матрикс составляет 50% сухого "веса и состоит из неорганической (50%) и органической (25%) частей и Н2О (25%). Неорганическая часть в значительном количестве содержит Са (25%) и Р (50%), образующие кристаллы гидроксиапатита, а также другие компоненты: бикарбонаты, цитраты, соли Mg2+, K+, Na+ и др. Органическая часть образована коллагеном, неколлагеновыми белками, гликозаминогликанами (хондроитинсульфат, кератан-сульфат). Собственно костные неколлагеновые белки представлены сиалопротеинами, протеогликанами, фосфопротеинами и сложным белком, содержащим углеводный компонент и ортофосфат. От правильного набора матриксных белков, особенностей строения, а также специфического аминокислотного состава зависит отложение гидроксиапатита, создавая необходимую концентрацию Са для процесса минерализации. Сиалопротеины имеют молекулярную массу 70000. 50% - это углеводы, 12% -сиаловая кислота. Большинство углеводов - это олигосахариды (фруктоза, галактоза, глюкоза, манноза, пентоза, галактозамин). До 30% серина и другие аминокислоты: аспарагиновая и глутаминовая, ковалентно связанные с фосфатом. Присутствие этого белка обеспечивает: - клеточное прикрепление; - связывание катионов. Неколлагеновых белков в костной ткани около 200, они составляют 3-5% от ее массы или 15-17% от массы ее деминерализованного и высушенного внеклеточного органического матрикса. Все они участвуют в процессах обеспечения гистогенеза, самоподдержания, иммунологические свойства на протяжении всей жизни и репарации костной ткани. Кальций-связывающие белки костной ткани. Остеонектин - молекулярная масса 32 кДа. Он имеет кальций-связывающие участки, образованные сиаловыми кислотами и ортофосфатом, придающие возможность взаимодействия с коллагеном и избирательно с гидроксиапатитом. Он поддерживает в присутствии коллагена осаждение Са и РО4 3-. Остеопонтин - молярная масса 41,5 кДа, богат дикарбоновыми аминокислотами и фосфосерином, 30 остатков моносахаридов, 10 остатков сиаловых кислот. Он способен фиксировать остеобласты в участках физиологического и репаративного костеобразования. Его синтез резко возрастает во время трансформации вирусов. Остеокалъцин - это гла-содержащий протеин. Дело в том, что костная, как и другие ткани, содержит белки, которые подвергаются посттрансляционной модификации с помощью витамин К-зависимых ферментов, в результате чего образуются остатки у-карбоксилглутаминовой кислоты (gla). Модифицированная таким образом аминокислота придает белкам способность связывать Са2+ с помощью расположенных по соседству карбоксильных групп. Молекула этого белка состоит из 49 аминокислотных остатков (в 17-ом, 21-ом, 24-ом положениях - остатки у-карбоксилглутаминовой кислоты). Роль их - связывать кристаллы гидроксиапатита и тем самым способствовать их накоплению в ткани. Синтез остеокальцина зависит не только от витамина К, но и D, что подчеркивает его связь с процессом минерализации. gla-протеин-матрикса (молекулярная масса - 15000 ). Он сохраняется в матриксе кости после деминерализации, в отличие от остеокальцина, который легко экстрагируется в этот период. Остатков у-карбоксилглутаминовой кислоты до шести. Он связывает минеральные кристаллы и легко растворимый в воде костный морфогенетический белок, доставляя его к клеткам-мишеням. Протеин-S - синтезируется в печени, участие в метаболизме костной ткани доказывается фактом изменения скелета у пациентов с дефицитом этого белка. Но, еще невыясно, каким типом клеток костной ткани он синтезируется. Протеогликаны - класс сложных соединений, состоящих из различных белков, содержащих олигосахариды, связанные с гликозаминогликанами (хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарин). Среди них различают: Большой хондроитинсульфатсодержащий протеогликан. Предполагается, что этот протеогликан «захватывает пространство», которое должно стать костью, благодаря большому содержанию сульфата, в гидротированном состоянии способен занимать значительный объем пространства. Декорин и бигликан очень сходны по строению, соответственно имеют один или два гликозаминогликана, белковая часть содержит 24 аминокислотных остатка, богатых лейцином. Несмотря на биохимическое сходство, эти белки отличаются по локализации. Локализация более распространенного декорина совпадает с расположением коллагена, что соответствует его функции «отделывать» молекулы коллагена и регулировать диаметр фибрилл. Бигликан сохраняется в матриксе. К настоящему времени выделено много других типов протеогликанов, но это в основном белки клеточной поверхности, роль которых мало изучена. На долю альбумина приходится большая часть неколлагеновых белков. По иммунологическим свойствам идентичен сывороточному. Углеводы играют огромную роль в жизнедеятельности костной ткани, в процессах ее образования. На долю гликогена приходится 50-80мкг на 1г влажной ткани. Присутствие гликогена - необходимое условие процесса минерализации, он концентрируется главным образом на месте будущего центра минерализации. В костной ткани с большой интенсивностью протекают процессы гликолиза и пентозофосфатного пути. Уровень нуклеиновых кислот зависит от функциональной активности. В покоящихся остеобластах количество РНК невелико, тогда как в пролиферирующих и гипертрофированных клетках повышено. Отмечено снижение содержания РНК при превращении остеобластов в остеоциты. ДНК находится в ядрах преостеобластов, остеобластов и остеокластов. Высокое содержание РНК отражает их активную и постоянную биосинтетическую функцию: образование большей массы костного матрикса. Липиды играют важную роль в процессе минерализации и транспорта ионов через мембраны. Преобладают полярные липиды: фосфатидилхолин, фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин. Всего 0,61% липидов на сухую массу ткани. Основная органическая кислота, находящаяся в костной ткани - цитрат. Её содержание в 230 раз превышает концентрацию в печени и достигает 90%. Активность цитратсинтетазы значительно выше активности ферментов, принимающих участие в распаде лимонной кислоты, а она, накапливаясь, принимает участие в регуляции уровня Са в сыворотке крови. Причем лимонная кислота находится в двух формах: 1. растворимой - принимает участие в цикле трикарбоновых кислот; 2. нерастворимой - неактивной, входящей в состав минерального компонента костной ткани. В костной ткани активно преобладают метаболические процессы. Характерная особенность - аэробный гликолиз. Потребление глюкозы как в аэробных, так и в анаэробных условиях остеогенными клетками значительно больше, чем клетками печени, мышц и других органов. Структура и функции костной ткани поддерживаются специфическими ферментами, синтезирующими и расщепляющими макромолекулярные компоненты органического матрикса кости и ферментами общих метаболических путей, снабжающих костные клетки энергией. Ферментам принадлежит важная роль в процессах минерализации и резорбции кости. Следует отметить специфическую локализацию ферментов. В остеокластах проявляется более высокая активность дегидрогеназ, кислой фосфатазы, аминопептидазы, по сравнению с другими клетками. В то же время остеокласты не содержат щелочной фосфатазы. Высокая активность аденилатциклазы, пируваткиназы, фосфотрансфераз в зонах роста, где протекают процессы кальцификации. Активность окислительных ферментов, таких как цитохромоксидаза, каталаза значительно ниже, чем, например, печени. Щелочная фосфатаза локализованная главным образом в остеобластах, в остеокластах вообще не обнаружена. Содержание этого фермента и его активность резко повышается в определенные сроки переломов кости, рахите и других патологий. Кислая фосфатаза сосредоточена в остеокластах. Она непосредственно участвует в резорбции кости, осуществляя расщепление органических эфиров фосфорной кислоты с освобождением фосфатных ионов. Таким образом, кислая фосфатаза - лизосомный фермент и ее главная функция заключается в катаболизме, тогда как щелочная - принимает участие в процессах минерализации. Основной белок костной ткани - коллаген, который содержится в количестве 15% - в компактном веществе, 24% - в губчатом веществе. Костный коллаген - коллаген I типа - в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген - это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани. В процессе жизнедеятельности костной ткани между ее компонентами и неорганическими ионами плазмы крови постоянно осуществляется обмен. Костная ткань является депо минеральных компонентов, буферной системой, участвующей в поддержании концентрации ряда ионов. Она быстро поглощает из крови введенный Са, также быстро, за короткое время содержание Са в ней уменьшается на 20%.в костной ткани обнаруживаются различные соединения Са: кальцийфосфат, карбонат кальция, соединения с Cl, F.  Структура решетки неорганических кристаллов кости соответствует структуре кристаллов гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 - это часть минеральной фазы кости, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция. Он представляет плотную некристаллическую субстанцию в виде аморфных гранул, имеющих вид овалов или кругов, диаметром 5,0-20,0 нм. Является важным компонентом костной ткани, и его присутствие не зависит от анатомического строения кости, но подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Эта фаза преобладает в раннем возрасте, в зрелой же кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит. Образование костной соли отражается общим уравнением: 5Ca2+ + 3HPO42- +4OH- → Ca5(PO4)3OH + 3H2O Растворению костной ткани способствует локальное повышение кислотности среды. При небольшом повышении содержания протонов водорода кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция: Ca5(PO4)3OH + 2Н+ → Ca4Н(PO4)3 + Ca2+ + H2O При большей кислотности среды происходит полный ее распад: Ca5(PO4)3OH + 7Н+ → 3Н 2PO4- + 5Ca2+ + H2O Гидролиз аморфного кальцийфосфата обеспечивает постоянную концентрацию кальция в интерстициальной жидкости костной ткани. В настоящее время известно более 30 микроэлементов: Си, Sr, Zn, Ba, Al, Be, Si, F и другие. Они необходимы для жизнедеятельности отеогенных клеток в процессе оссификации и декальцинации. Обызвествление костной ткани и ее декальцинации находятся в тесной зависимости от содержания микроэлементов. Так, Sr и V способствуют обызвествлению, a Zn и Ва участвуют в регуляции процесса декальцинации. Mg активирует ряд ферментов, в частности, щелочную фосфатазу, участвующую в процессе минерализации. Особого внимания заслуживает Sr. Его химические свойства близки к Са. Sr конкурирует с Са за место в кристаллической решетке, однако Sr удерживается в меньшей степени, чем Са, в том случае, если в рационе преобладает Са. При дефиците же Са в рационе Sr поглощается организмом в значительно больших количествах, чем в норме. Длительное поступление избыточных количеств Sr ведет к замещению им ионов Са в кристаллической решетке гидроксиапатита, в результате чего кости деминерализуются и деформируются. В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия. Минерализация - это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии (в форме АТФ), регулируемой многими факторами, включая ферменты, гормоны, витамины. Решительный поворот в изучении минерализации начался с 1923г., вскоре после открытия в костной ткани фермента щелочной фосфатазы. Английский биохимик Р.Робинсон высказал предложение, что фосфорнокислый кальций откладывается там, где действует этот фермент. Однако щелочная фосфатаза содержится во многих тканях, не подвергающихся минерализации, и для того, чтобы произошло обызвествление необходимы другие факторы. Позднее было доказано участие многих факторов: гликогена, ферментов гиколиза, АТФ, ЦТК, гликозаминогликанов. Для приведенных всех теорий и некоторых экспериментальных данных общим является представление о ведущей роли ферментов, отщепляющий неорганический фосфат от органического субстрата. Концентрация фосфата в участках функционирования этих ферментов повышается, достигая уровня, при котором начинается его самопроизвольное осаждение, приводящее к кристаллизации. • Дальнейшие исследования позволили предположить, что процесс кальцификации состоит в очаговом образовании центров кристаллизации гидроксиапатита из растворов Р и Са под действием коллагеновых волокон, в которых необходимо специфическое взаиморасположение реакционноспособных групп боковых аминокислотных цепей, способных служить центрами кристаллизации. Важную роль в минерализации выполняют гликозаминогликаны, в частности хондроитинсульфат, которые обладают повышенным сродством к ионам Са и Р. подтверждением служат экспериментальные данные, демонстрирующие, что гликозаминогликаны интенсивно секретируются остеобластами в зоне минерализации, а затем подвергаются действию лизосомальных ферментов, образуя высокоактивные ионы. Биохимическую основу нуклеации первичных зародышевых кристаллов составляет реакция образования комплекса между коллагеном, АТФ, Са и хондроитинсульфатом. К факторам, контролирующим кристаллообразование на волокнах коллагена относится также пирофосфат, который ингибирует минерализацию. Доказана также роль в этом процессе фосфолипидов, без которых органический матрикс костной ткани утрачивает способность обызвествляться. Возрастные изменения костной ткани и основная патология. В процессе онтогенетического развития костная ткань претерпевает выраженные изменения структурно-морфологического и биохимического характера. В ней происходит закономерное снижение содержания органических компонентов и нарастание минеральных. Эти изменения тесно связаны с обменом микроэлементов. Происходит накопление Sr, Pb, Si, A1, а концентрация Си уменьшается, интенсивность метаболизма фосфора и кальций уменьшается в десятки раз. Один из ведущих возрастных изменений костной системы - развитие остеопороза - прогрессирующее системное заболевание скелета, характеризующееся снижением массы кости, нарушением структуры костной ткани, приводящее к увеличению хрупкости кости и риска переломов.
Классификация остеопорозов. I. Постменопаузный остеопороз (требует наблюдения в течение 15 лет с начала менопаузы). Происходит разрежение костных балок, увеличивается частота переломов позвонков и других костей. П. Сенилъный остеопороз — характерен для мужчин старше 70 лет. III. Вторичный остеопороз - на фоне глюкокортикоидной терапии синдрома Кушинга, синдрома мальасорбции, нарушении питания, длительной иммобилизации. Лечение. Предупредить остеопороз легче, чем лечить. Медикаментозные средства (кальцитонин, эстрогены, кальций, витамин D) способны лишь замедлить скорость потери кости, но, как правило, малоэффективны для восстановления уже утраченной костной массы. Эстрогены - важное средство профилактики с наступлением менопаузы у женщин Са - больным с остеопорозом показано 1000-1500 мг в день (с пищей поступает около 500 мг Са). 9 ЭТАПЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ. 1-й ЭТАП: остеобласты начинают синтезировать костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Особенностью процесса минерализации является перенасыщение среды ионами кальция и фосфора. На 1 этапе минерализации кальций и фосфор связываются с костным коллагеном. Обязательный участник процесса - сложные липиды. 2-й ЭТАП - в зоне минерализации усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция. Одновременно из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония и гидроксид-ионов, которые соединены с фосфатом. Так формируются ядра кристаллизации. Ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-углеводным комплексом, переходят в растворимое состояние и формируют кристаллы гидроксилапатита. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной. Ингибитор процесса минерализации - неорганический пирофосфат. Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть щелочная фосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка. При нарушении процессов минерализации - например, при заболевании оссифицирующим миозитом - кристаллы гидроксиапатита могут появлятся в сухожилиях, связках, стенках сосудов. Вместо кальция в костную ткань могут включаться другие элементы - стронций, магний, железо, уран и т.д. После формирования гидроксилапатита такое включение уже не происходит. На поверхности кристаллов может накапливаться много натрия в форме цитрата натрия. Кость выполняет функции лабильного (изменчивого) депо натрия, который выделяется из кости при ацидозе и, наоборот, при избытке поступления натрия с пищей, чтобы предотвратить алкалоз - натрий депонируется в кости. В ходе роста и развития организма количество аморфного фосфата кальция уменьшается, потому что кальций связывается с гидроксилапатитом. РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА КОСТНОЙ ТКАНИ. На обмен кальция и фосфора влияют: паратгормон, тиреокалъцитонин, большая группа витаминов. За сутки из кишечника всасывается примерно 1г кальция и только 1/3 от этого количества усваивается тканями организма. Столько же – 1г - ежесуточно теряется с мочой и калом. В межклеточных жидкостях содержится тоже в среднем 1г кальция. Значит, за одни сутки полностью обновляется весь внеклеточный кальций организма. У взрослого здорового человека в возрасте до 40 лет все процессы минерализации и резорбции костной ткани находятся в равновесии. У детей до окончательного окостенения наблюдается положительный кальциевый баланс. После 40-летнего возраста - отрицательный баланс кальция. Паратгормон - повышает содержание сывороточного Са2+, вызывает резкое усиление процессов резорбции, выражающееся в разрушении минеральной и органической основы костной ткани. Под действием данного гормона увеличивается число остеокластов и их метаболическая активность, что доказывается повышением Са2+ в крови выделением с мочой оксипролина. Тиреокалъцитонин, напротив, ингибирует резорбцию кости остеокластами, поэтому его применяют в клинике при заболеваниях, связанных с усиленной резорбцией кости (остеопорозы различного происхождения, замедленное заживление переломов, несовершенный остеогенез). Наиболее сильный эффект резорбции имеют тироксин и паратгормон. Кортикостероиды (кортизол) тормозят всасывание кальция в кишечнике, увеличивают синтез и секрецию паратгормона. При недостатке эстрогенов, которые угнетают резорбцию, возникает остеопороз. В регуляции обмена костной ткани участвует также большая группа витаминов. При дефиците витамина А происходит утолщение костей, изменение их формы, существенные изменения наблюдаются в костях черепа. Т. к. его воздействие определяется специфическим влиянием на активность остеобластов и остеокластов, тормозится синтез гликозаминогликанов, нарушается остеогенез и рост костей. Избыток вызывает зарастание эпифизарных хрящевых пластинок и замедление роста кости в длину. При дефиците витамина С снижается скорость синтеза РНК, коллагена и нарушается общий механизм, от которого зависти синтез белков, ферментов, гликозаминогликанов, влияющих на биохимическую, морфологическую и функциональную специализацию элементов костной ткани, что проявляется в замедлении роста костей и заживлении переломов. Витамин D- стимулирует минерализацию на уровне транскрипции, усиливая экспрессию остеокальцина. Активный витамин D3 увеличивает всасывание кальция в кишечнике и повышает усвоение кальция костной тканью, усиливает действие паратгормона в костной ткани и почках. 10 ЭМАЛЬ. Является самой твердой тканью зуба. По твердости ее, нередко, сравнивают с кварцем. Твердость эмали 398 кг/мм2. Это обусловливается высоким содержанием в ней минеральных солей. | ||||||||||