Кроме гликозаминогликанов и коллагена, в составе матрикса костной и хрящевой ткани животных присутствуют белки неколлагеновой природы (табл. 2). Эти белки участвуют во взаимодействиях между клетками и выполняют адгезионные функции, обеспечивают процессы пролиферации, дифференциации и миграции клеток.
К неколлагеновым белкам хрящевой ткани относятся фибронектин и ламинин, которые взаимодействуют с фибробластами или клетками эндотелия. Молекулярная масса фибронектина составляет около 250 000 Да. Ламинин – это также гликопротеин, образованный одной большой и тремя более короткими цепями, представляющий собой крестообразную молекулу с м.м. около 800 000 Да. Фибронектин – это гликопротеин, состоящий из двух сходных, но не идентичных субъединиц, соединенных дисульфидной связью (Mosher, 1989).Оба эти белка полифункциональны – стимулируют пролиферацию, дифференциацию и миграцию клеток.
Важную группу адгезивных белков составляют кадгерины(calcium dependent cell adhesion molecules), которые подразделяются на группы E, N, P и, как следует из их названия, влияют на клеточную адгезию только при наличии кальция. Относительно недавно были описаны сельктины(selctins), названные также Lec-CAMs. Один их домен, который связывается с карбогидратами, гомологичен, по-видимому, домену, присутствующему в лектинах (L), или в эпидермальном факторе роста (E), или в белках связывающих комплемент (P).
В межклеточных взаимодействиях большую роль играют другие белки. Это фосфорилированный белок – остеопонтин, чей синтез ингибируется кальцитонином. Анализ первичной последовательности белка (Prince et al., 1987) и кодирующей его ДНК позволил установить несколько интересных фактов, включая наличие повторов богатых аспарагиновой кислотой, которые, вероятно, придают остеопонтину способность связываться с гидроксилаппатитом, и каноническую последовательность аминокислот RGD (Arg-Gly-Asp в средней части молекулы), ответственную за адгезию клеток (Grzesik et al., 1993).
Основные неколлагеновые белки костной ткани животных и человека (по Риггз и Мелтон ,2000)
Гликозилированный, фосфорилированный протеин; множественная низкая аффинность к Са2 + две структуры E–F hand, гомология с овомукоидом
Содержит 60 % углеводов(7 % – сиаловая кислота), 8 % фосфатов
Связывание Са2 + и гидроксиапатита, сайты связывания такие же, как у фибронектина; связывается с остеонектином; клеточная адгезия без распластывания
Сайты связывания с поверхностью клеток, фибрином, гепарином, бактериями, желатином, коллагеном, ДНК; начальное прикрепление клеток
Связывается со многими белками матрикса и сыворотки, ответственными за прикрепление клеток
Остеопонтин (BSP-1, 2ar, SPP-1, pp69)
Содержит N- и О-связанные олигосахариды, фосфосерин и тирозин, участвует в прикреплении клеток
Содержит 50 % углеводов (12 % – сиаловая кислота); у некоторых видов происходит сульфатирование тирозина; участвует в прикреплении клеток
Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту:
Одна внутримолекулярная связь S–S, 5 остатков gla
Одна внутримолекулярная связь S–S, 3–5 остатков gla, связывание с гидроксиапатитом, зависимое от gla
* – Определено с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии ДСН.
RGD – последовательность аминокислот Arg-Gly-Asp.
Еще один белок, идентифицированный в хрящевой ткани – остеонектин, называемый также SPARC (secreted protein acidic rich in cysteinе). Это фосфорилованный гликопротеин c молекулярной массой 43000–46000 Да. Остеонектин найден в остеобластах, одонтобластах и в небольшом количестве в хондроцитах (Bianco et. al., 1988). Исследования in vitro показали, что число типов клеток, которые синтезируют остеонектин, намного больше, чем это было отмечено in vivo. К ним относятся фибробласты (Otsuka et al., 1988), и эндотелиальные клетки (Sage, 1986). В связи с этим остеонектин имеет еще одно название «культуральный шоковый протеин», которое говорит о том, что в условиях тканевых культур его продукция быстро усиливается. N-концевые последовательности данного белка отличаются высокой кислотностью, что может сказываться на конформации α-спирали с образованием до 12 участков связывания кальция, имеющих структуру типа EF-hand. В остеонектине имеется богатая цистеином область, аминокислотные последовательности в которой гомологичны овомукоиду и другим ингибиторам сериновых протеиназ. Наличие этих последовательностей необычно для секретируемого белка, но участки связывания кальция, как и те последовательности, которые присутствуют в N-концевом отделе молекулы, придают остеонектину способность связывания с гидроксилапатитом (Termine et al., 1981). Функции, которые выполняет остеонектин в различных тканях, полностью не изучены. Исследования in vitro позволили предположить, что этот белок регулирует пролиферацию и взаимодействия клеток матрикса.
Из хрящевой ткани выделен высокомолекулярный гликопротеид – хондронектин. Его молекулярная масса составляет 180 000 Да. Установлено, что хондронектин синтезируется in vivo хондроцитами (Tryggvason et al., 1987).
Остеокальцин, присутствующий как в тканях, так и в сыворотке крови, обозначается также как GLA-протеин или BGP (bone GLAprotein), так как в своей молекуле он содержит от 3-х до 5-ти остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты (GLA). Глутаминовая кислота в его молекуле посттрансляционно карбоксилируется в позициях 17, 21, 24 в присутствии витамина К.
Из минерализованных участков позвонков атлантической суповой акулы (Galeorhinus galeus) был выделен витамин-К-зависимый матриксный гликопротеин(Rice et al., 1994). Его количество составляет 35–40 % от общего количества неколлагеновых белков акулы. Он почти нерастворим в нейтральной среде и сохраняет способность к самоагрегации, которая может быть важной, но еще непонятой функцией. Этот гликопротеин содержит четыре аминокислотных остатка в 102–106 положениях. Молекулярная масса белка составляет 12 770 Да, что не на много меньше молекулярной массы Gla-протеина животных и человека (Риггз, Мелтон, 2000). Первые N-концевые 76 аминокислотных остатка гликопротеина акулы гомологичны последовательности Gla-протеина млекопитающих на 37 %, а С-концевые 23 аминокислотных – отличаются. Этот С-терминальный сегмент акульего белка содержит только 8 основных аминокислот. Особенность Gla-протеина акулы и млекопитающих, а также всех известных витамин-К зависимых белков – это гомологичный участок из 15 аминокислотных остатков, функции которого пока не установлены.
Читайте также: Фон атласная ткань желтый
Исследования низкомолекулярных белков хрящей акул показали, что белок из рифовой акулы (Carcharhinus springeri) обладает поразительным сходством с тетранектином из плазмы крови. Белок был выделен путем экстрагирования хряща в растворе 4 М гуанидинхлорида. Его аминокислотная последовательность представлена 166 аминокислотными остатками при м.м. – 18 430 Да. Белок на 45 % идентичен тетранектину человека и участвует в процессе минерализации хрящевой ткани (Neamen et al., 1992). Тетранектин – глобулярный белок плазмы крови – состоит из четырех нековалентно связанных полипептидов с м.м. приблизительно 21 000 Да. Существует предположение, что тетранектин может принимать участие в фибринолизе и протеолизе тканей (Wewer et al., 1994).
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 Mg 2+ , 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:
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 Са 2+ 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.
Читайте также: Как берут биопсию мягких тканей
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:
Растворению костной ткани способствует локальное повышение кислотности среды. При небольшом повышении содержания протонов водорода кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:
При большей кислотности среды происходит полный ее распад:
Читайте также: Грануляционная ткань при хроническом воспалении
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.
ПРЕДПРАСПОЛАГАЮЩИЕ К РАЗВИТИЮ ОСТЕОПОРОЗА
-принадлежность к европеоидной или монголоидной расам;
-семейная предрасположенность (нетравматические перело-
мы у родственников 1 степени родства;
— после 35-40 лет костная масса и всасывание Са в кишечнике снижается.
-низкое потребление Са и витамина D;
-низкая физическая активность;
-нарушение менструального статуса (длительная вторичная аменорея, преждевременная менопауза – до 45 лет, позднее начало менструаций);
-эндокринные болезни (первичный гиперпаратиреоз, тиреотоксикоз, сахарный диабет, синдром Кушинга);
-болезни крови (множественная миелома, системный масто-
-воспалительные ревматические заболевания (ревматоидный артрит, дерматомиозит, системная красная волчанка);
-заболевания ЖКТ (нарушения всасывания, болезнь Крона, хронические заболевания печени);
-хроническая почечная недостаточность;
-хронические неврологические заболевания.
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
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).
- 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