Минерализованные ткани, к которым относятся костная ткань, дентин, клеточный и бесклеточный цемент и эмаль зуба, характери- зуются высоким содержанием минерального компонента, главной составной частью которого являются фосфорнокислые соли кальция.
3.1. Химический состав минерализованных тканей
Образование и распад минерального компонента в этих тканях тесно связан с обменом кальция и фосфора в организме. В межклеточном матриксе минерализованных тканей происходит депонирование кальция, который выполняет также структурную функцию. В клетках кальций исполняет роль вторичного посредника в механизмах внутриклеточного переноса сигналов.
Особенностью всех минерализованных тканей, за исключением эмали и бесклеточного цемента, является малое количество клеток с длинными отростками, а большой межклеточный матрикс заполнен минералами. В белках матрикса формируются центры кристаллизации для формирования кристаллов минерального компонента — апатитов. Эмаль и бесклеточный цемент зубов образуются из эктодермы, а остальные минерализованные ткани из стволовых клеток мезодермы. Насыщенность минеральными соединениями зависит от вида твёрдой ткани, топографической локализацией внутри ткани, возраста и экологических условий.
Все минерализованные ткани различаются по содержанию воды, минеральных и органических соединений (табл. 3.1).
В эмали по сравнению с другими твёрдыми тканями определяется наиболее высокая концентрация кальция и фосфатов, и количество этих минералов снижается в направлении от поверхности к эмалеводентинной границе. В дентине, наряду с ионами кальция и фосфатов, определяется достаточно высокая концентрация магния и натрия. Наименьшее количество кальция и фосфатов присутствует в костной ткани и цементе (табл. 3.2).
В состав твёрдых тканей зубов и костей входят соли HPO4 2- , или PO4 3- . Ортофосфаты кальция могут быть в форме однозамещен-
Процентное распределение воды, неорганических и органических веществ
в минерализованных тканях
Химический состав минерализованных тканей
Химические элементы, в % от сухой массы
ных (H2PO 4- ), двузамещенных (HPO4 2- ) или фосфат ионов (PO4 3- ). Пирофосфаты встречаются только в зубных камнях и костной ткани. В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция, что выражается в регуляции величины кристаллов.
Большинство фосфорно-кальциевых солей кристаллизуются с образованием кристаллов разной величины и формы в зависимости от входящих элементов (табл. 3.3). Кристаллы присутствуют не только в минерализованных тканях, но и способны образовываться в других тканях в виде патологических образований.
Расположение атомов и молекул в кристалле можно исследовать при помощи рентгеноструктурного анализа кристаллических реше- ток. Как правило, частички располагаются в кристалле симметрично; их называют элементарными ячейками кристалла. Сеточка, образуемая ячейками, называется матрицей кристалла. Имеется 7 разных
Кристаллические образования, присутствующие в различных тканях
категорий ячеек кристаллов и соответственно 7 типов кристаллов: триклинные, моноклинные, орторомбические, тригональные, тетрагональные, гексагональные и кубические.
В минерализованных тканях животного мира преобладают апатиты. Они имеют общую формулу Ca10(PO4)6 X2, где X представлен анионами фтора или гидроксильной группой (OH — ).
Гидроксиапатит (гидроксилапатит) — основной кристалл мине- рализованных тканей; составляет 95-97% в эмали зуба, 70-75% в дентине и 60-70% в костной ткани. Формула гидроксиапатита — Са10(PO4)6(ОН)2. В этом случае молярное соотношение Са/Р (кальциево-фосфатный коэффициент) равно 1,67. Решётка гидроксиапатита имеет гексагональную структуру (рис. 3.1, А). Гидроксильные группы расположены вдоль гексагональной оси, тогда как фосфатные группы, имеющие наибольшие размеры по сравнению с ионами кальция и гидроксилами, распределяются как равнобедренные треугольники вокруг гексагональной оси. Между кристаллами имеются микропространства, заполненные водой (рис. 3.1, Б). Гидроксиапатиты являются
А — гексагональная форма молекулы гидроксиапатита; Б — расположение
кристаллов гидроксиапатита в эмали зуба.
довольно устойчивыми соединениями и имеют очень стабильную ионную решётку, в которой ионы плотно упакованы и удерживаются за счёт электростатических сил. Сила связи прямо пропорциональна величине заряда ионов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Гидроксиапатит электронейтрален. Если в структуре гидроксиапатита содержится 8 ионов кальция, то кристалл приобретает отрицательный заряд. Он может заряжаться и положительно, если количество ионов кальция достигает 12. Такие кристаллы обладают реакционной способностью, возникает поверхностная электро- химическая неуравновешенность и они становятся неустойчивыми.
Читайте также: Dardeco ткань для штор
• Гидроксиапатиты легко обмениваются с окружающей средой, в результате чего в их составе могут появляться другие ионы (табл. 3.4). Наиболее часто встречаются следующие варианты обмена ионов: Са 2+ замещается катионами Sr 2+ , Ba 2+ , Mo 2+ , реже Mg 2+ , Pb 2+ .
Катионы Ca 2+ поверхностного слоя кристаллов, могут на короткое
время замещаться катионами К + , Na + .
• ОН — замещается анионами галогенов Cl — , F — , I — , Br — .
Элементы кристаллической решётки апатитов могут обмениваться с ионами раствора, окружающего кристалл и изменяться за счёт ионов, находящихся в этом растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высокочувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости. В свою очередь, ионный состав крови и межклеточной жидкости зависит от характера пищи и потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решётки протекает в несколько этапов с разной скоростью.
Обмен ионов в кристаллической решётке гидроксиапатита изменяет его свойства, в том числе прочность, и существенно влияет на размеры кристаллов (рис. 3.2).
Некоторые ионы (К + , Cl — ) в течение несколькольких минут путём диффузии из окружающей биологической жидкости заходят в гидрат-
Замещаемые и замещающие ионы и молекулы в составе апатитов
Sr 2+ , Ba 2+ , Pb 2+ , Na + , K + , Mg 2+ , H2O
Рис. 3.2. Размеры кристаллов различных апатитов [Edwards P. A., 2005].
ный слой гидроксиапатита, а затем также легко его покидают. Другие ионы (Na + , F — ) легко проникают в гидратную оболочку и, не задерживаясь, встраиваются в поверхностные слои криста лла. Проникновение ионов Са 2+ , PO4 3- , СО3 2- , Sr 2+ , F — в поверхность кристаллов гидроксиапатита из гидратного слоя происходит очень медленно, в течение нескольких часов. Только немногие ионы: Са 2+ , PO4 3- , СО3 2- , Sr 2+ , F — встраиваются вглубь ионной решётки. Это может продолжаться от нескольких дней до нескольких месяцев. Преимущественным фак- тором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения. Тем не менее, в ходе такого замещения поддерживается общее распределение зарядов по
принципу: Сa10х(HPO4)х(PO4)6х(OH)2х, где 0 2+ частич- -+ но компенсируется потерей OH и частично H , присоединённых к
В кислой среде ионы кальция способны замещаться протонами по
Это замещение несовершенно, поскольку протоны во много раз меньше катиона кальция.
Такое замещение приводит к разрушению кристалла гидроксиапатита в кислой среде.
Фторапатиты Ca10(PO4)6F2 наиболее стабильные из всех апатитов. Они широко распространены в природе и прежде всего как почвенные минералы. Кристаллы фторапатита имеют гексагональную форму. В водной среде реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция зависит от концентрации фтора. Если она сравнительно невысока (до 500 мг/л), то образуются кристаллы фторапатита:
Фтор резко уменьшает растворимость гидроксиапатитов в кислой среде.
При высоких концентрациях фтора (>2 г/л) кристаллы не образуются:
Заболевание, развивающееся при избыточной концентрации фтора в воде и почве, зубах и костях в период формирования костного скелета и зубных зачатков назывется флюорозом.
Карбонатный апатит содержит в своем составе несколько процентов карбоната или гидрокарбоната. Процесс минерализации биологических апатитов в значительной степени определяется присутствием и локализацией карбонатных ионов в кристаллической решётке. Карбонатные радикалы СО3 2- могут замещать как ОН — (А-узел), так и РО4 3- (В-узел) в решётке гидроксиапатита. Например, около 4% апатита эмали зуба составляют карбонатные группы, которые замещают как фосфатные, так и гидроксильные ионы в пропорции 9:1 соответственно. Подобная ситуация характерна и для других гидроксиапатитов естественного происхождения. Условно химическая формула карбонированного гидроксиапатита может быть записана в виде Ca10[(PO4)6-x(CO3)x][(OH)2-2y(CO3)y], где х характеризует В-замещение, а у — А-замещение. Для гидроксиапатита эмали зуба x=0,039, y=0,001. Карбонат уменьшает кристалличность апатита и делает его
Читайте также: Обшить тканью входную дверь
более аморфным и хрупким. Чаще всего фосфат-анионы апатитов замещаются ионами НСО 3- по схеме:
Интенсивность замены зависит от числа образующихся гидрокарбонатов. В организме постоянно происходят реакции декарбоксилирования, и образующиеся молекулы СО2 взаимодействуют с молекулами Н2O. Анионы НСО3 — образуются в реакции, катализируемой карбоангидразой, и замещают фосфат-анионы.
Карбонатные апатиты более характерны для костной ткани. В тканях зуба они образуются в непосредственной близости от эма- лево-дентинной границы за счёт продукции анионов НСО3 — одонтобластами. Возможно образование молекул НСО 3- за счёт активного метаболизма аэробной микрофлоры зубного налёта. Образующееся количество НСО 3- в этих участках может превышать PO4 3- , что способствует образованию карбонатного апатита в поверхностных слоях эмали. Накопление карбонатапатита свыше 3-4% от общей массы гидроксиапатита повышает кариесвосприимчивость эмали. С возрастом количество карбонатных апатитов увеличивается.
Стронциевый апатит. В кристаллической решётке апатитов Sr 2+ может вытеснять или заменять вакантные места для Ca 2+ .
Это приводит к нарушению структуры кристаллов. В Забайкалье, вдоль берегов небольшой реки Уров, описано заболевание, получившее название «уровская» болезнь. Оно сопровождается поражением костного скелета, уменьшением конечностей у людей и у животных. В местности, загрязненной радионуклидами, неблагоприятное значение стронциевого апатита для организма человека связано с возможностью депонирования радиоактивного стронция.
Магниевый апатит образуется при замещении Ca 2+ на ионы Mg 2+ .
Органические вещества минерализованных тканей в основном представлены белками, а также углеводами и липидами.
Биохимия соединительных тканей и органов полости рта
» data-shape=»round» data-use-links data-color-scheme=»normal» data-direction=»horizontal» data-services=»messenger,vkontakte,facebook,odnoklassniki,telegram,twitter,viber,whatsapp,moimir,lj,blogger»>
Биохимия соединительных тканей и органов полости рта
(костная, хрящевая ткани; зубы)
Главный минеральный (неорганический) компонент костной ткани и твердых тканей зуба — кристаллы апатитов (апатит в переводе — неизвестный). В их основе — фосфат кальция. Любой минеральный компонент формируется следующим образом:
брушит октакальцийфосфат гидроксиапатит (ГА)
Общая формула апатитов — А10(ВО4)6Х2, где А — Са, Ва, Sr, Cr, Pb, Cd; B — P, As, Si; X — F, Cl, OH‾, CO3 2– . Самый распространенный в минерализованных тканях — ГА, самый устойчивый к действию кислот — фторапатит Са10(РО4)6(F)2 . При концентрация F в средствах по уходу за зубами и полостью рта до 500мг/л образуется гидроксифторапатит — Са10(РО4)6(ОН)F; 500–2000 мг/л — фторапатит; более 2000 мг/л — СаF2, а это уже не кристаллы апатитов.
В «идеальном» апатите соотношение Са/Р = 1, 67. Уменьшение этого соотношения приводит к неблагоприятным последствиям, в частности к снижению резистентности эмали. При замещении в ГА Са на Sr , особенно на Sr 90 , который является β-излучателем, развивается стронциевый рахит, для которого характерны хрупкость и ломкость костей и зубов, переломы, деформации скелета.
Обмен ионов кристаллов апатита на ионы, находящиеся в растворе, называется изоморфное замещение. Преимущественным фактором возможности замены является сходство размера атома, а сходство заряда имеет второстепенное значение. Кроме изоморфного замещения, состав кристалла апатита можно изменить путем заполнения другими ионами вакантных мест в кристаллической решетке апатита.
Этапы проникновения различных элементов в кристаллы ГА:
- проникновение элементов в воду гидратной оболочки кристалла (длится несколько минут);
- обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристалла (длится несколько часов);
- проникновение ионов в кристалл (длится месяцами и годами).
Минерализация костной ткани и твердых тканей зуба
В основе этого процесса — образование кристаллов апатита с участием фосфата кальция. В организме внеклеточная жидкость перенасыщена фосфатом кальция и он начинает осаждаться. Выделяют 2 стадии осаждения фосфата кальция:
- нуклеация — образование плотного осадка (ядра);
- рост кристаллов из ядра — эпитаксис.
Нуклеация бывает гомогенная (кристаллы образуются без участия другой фазы) и гетерогенная (образование кристаллов инициирует другая фаза, играющая роль матрицы-затравки). Матрица может и направлять рост кристаллов. Роль матрицы выполняют протеогликаны, гликозаминогликаны, Са-связывающие белки: фосфопротеины и белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту (γ-КГК), для синтеза которой нужен витамин К.
Теории минерализации костной ткани и твердых тканей зуба:
- физико-химическая, в основе которой лежат названные выше 2 стадии;
- ферментная: щелочная фосфатаза костной ткани гидролизует фосфорорганические эфиры, в результате этого освобождается фосфат-ион, что при наличии кальция и матрицы вызывает рост кристаллов ГА;
- смешанная: сначала синтезируется внеклеточный матрикс, а затем наступает этап минерализации из-за перенасыщенного состояния раствора фосфата кальция и наличия матрицы.
Читайте также: Феличита ткань для мебели что
Неколлагеновые белки костной ткани и их роль
в процессах минерализации
Остеокальцин: 1) содержит 3 остатка γ-КГК → связывает Са 2+ ; 2) прочно связан с апатитом; 3) участвует в росте кристаллов.
Костный сиалопротеин: 1) содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП (R-G-D) → способен связываться с другими клетками, макромолекулами и рецепторами клеточных мембран; 2) через специальный рецептор (10 остатков ГЛУ) связывается с Са 2+ ; 3) относится к фосфопротеинам, тесно связан с клетками и апатитом; 4) присоединяет остеобласты к кости в период ее синтеза.
Остеопонтин: 1) содержит трипептид R-G-D; 2) связывается с Са 2+ ; 3) прочно связан с апатитом.
Остеонектин: 1) имеет Са-связывающий домен, хотя в нем и нет γ-КГК; 2) связывается с коллагеном и апатитом.
Тромбоспондин: 1) содержит трипептид R-G-D; 2) связывается с поверхностями клеток и другими белками костной ткани.
Костный кислый гликопротеин: участвует в минерализации костной ткани.
Химический состав тканей зуба и кости (весовые %)
| Ткани | Минеральные (неорганические) вещества |
Органические вещества |
Вода |
| Эмаль | 95 | 1 — 1,5 | 4 |
| Дентин | 70 | 20 | 10 |
| Цемент | 60 | 25 | 15 |
| Кость | 55 | 30 | 15 |
| Пульпа | 5 | 40 | 55 |
Эмаль. Вода находится здесь в двух видах: свободная и связанная (гидратная оболочка кристаллов апатитов).
Минеральная основа — кристаллы апатитов: ГА — 75 %; остальное — фторапатит, карбонатный апатит, хлорапатит. В наружном слое много Са, Р и F (в 10 раз больше, чем в подлежащих слоях), поэтому он более устойчив к действию кислот. Кроме F, есть Zn, Pb, Sb, Fe. В глубоком слое много Na, Mg, карбонат-иона. По всей толщине эмали равномерно распределены Sr, Cu, Al, K.
Органический компонент — неколлагеновые белки, пептиды, липиды, моносахариды.
ГА — кристаллы гидроксиапатита:
Неколлагеновые белки — амелогенины, энамелины, Са-связывающий белок эмали. В процессе созревания эмали количество амелогенинов уменьшается, а энамелинов — увеличивается. Энамелины прочно присоединяются к кристаллам апатитов.
Са-связывающий белок играет главную роль в формировании белковой матрицы — основы эмали. Трехмерная сеть эмали образуется путем объединения в пространстве молекул Са-связывающего белка с ионами Са. Эта сеть (матрица) — зона нуклеации для роста кристаллов ГА. Она фиксируется на волокнах амелогенинов.
Дентин. Первичный дентин образуется в период прорезывания и формирования зубов, составляет основную часть дентина; вторичный (физиологический вторичный) образуется в сформированном зубе после прорезывания и является продолжением первичного; третичный (репаративный вторичный) образуется в ответ на действие раздражающих факторов напротив пораженного участка эмали. Отростки одонтобластов проходят через дентин до эмали и формируют каналы для трофики (питания) зуба. Они заполнены дентиновой жидкостью, которая выполняет минерализующую и сенсорную функции.
Минеральный компонент — ГА, но соотношение Са/Р не 1,67, а 1,5–1,67. F в 2 раза больше, чем в эмали, а Mg в 3 раза больше, чем в костях.
Органический компонент — коллаген I типа и неколлагеновые белки (протеогликаны и фосфопротеины). Они способны связывать кальций и соединяться с коллагеном.
В дентине есть и аморфная (некристаллическая) фаза, в которой имеются фосфат и карбонат кальция.
Цемент. Похож на костную ткань, поэтому называется «костаген», но в отличие от нее не имеет сосудов и не подвергается постоянной перестройке.
Минеральный компонент — в основном ГА.
Органический компонент — коллаген I типа, протеогликаны, липиды.
Пульпа. Содержит сосуды и нервы и выполняет трофическую, защитную, репаративную функции.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом