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: Fendi что за ткань
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).
Неколлагеновые белки костной ткани таблица
В систему регуляции метаболических процессов опорных тканей входят как регуляторы, вырабатываемые центральной нервной системой и оказывающие действие на все уровни организма, так и местные регуляторы – факторы, оказывающие действие только на конкретные клетки. В настоящее время применение выделенных из костной ткани пептидов – регуляторов процессов остеогенеза является перспективным направлением в травматологии и ортопедии [1; 2; 4; 5]. Так, свое применение нашли следующие полученные из костной ткани стимуляторы остеогенеза: инсулинподобные факторы роста, трансформирующие факторы роста и костные морфогенетические белки. Однако и по сей день оценки регуляторных влияний местных рострегулирующих факторов на костную ткань противоречивы [6; 7].
Исходя из всего вышесказанного, следует признать, что состав и роль в метаболических процессах неколлагеновых белков костной ткани разных видов животных мало изучены. В связи с этим нами была предпринята попытка исследовать и сравнить состав водорастворимых неколлагеновых белков костной ткани млекопитающих животных.
Провести сравнительное хроматографическое исследование особенностей состава неколлагеновых белков костной ткани млекопитающих животных.
Препараты белков были получены из бедренной кости быка, свиньи и собаки, путем деминерализации костной ткани раствором соляной кислоты с последующим фракционированием смеси пептидов с помощью диализной установки. Полученные препараты костных белков исследовали с помощью анионообменной и гельпроникающей хроматографии, чтобы установить состав и молекулярную массу основных фракций смеси.
Хроматографическая система была представлена насосом высокого давления серии LC-20 AP, блоком автоинжектора SIL-10 AP, блоком ультрафиолетового детектора SPD-20 A и коллектора фракций FRC-10 A, колонки Shodex Protein KW-2002.5 для гельпроникающей хроматографии и Shodex IEC QA-2825 для анионообменной хроматографии. В качестве элюентов для гельпроникающей хроматографии использовали буферный раствор Трис-HCl концентрацией 50 ммоль/л и рН = 7,5. Для ионообменной хроматографии был использован фосфатный буфер концентрацией 20 ммоль/л. Буфер для анионообменной хроматографии имел рН = 7,5. Линейный градиент концентрации элюирующего раствора создавали использованием 0,00 – 1 М хлористого натрия в 20 мМ фосфатном буфере.
В качестве калибровочных растворов для гельпроникающей хроматографии использовали набор маркеров молекулярной массы Sigma-Aldrich MWGF 200-1 KT. Элюенты и пробы были предварительно профильтрованы через мембранный фильтр с диаметром пор 45 мкм. Масса белка, наносимого на колонку, составляла 10 мг [3].
Результаты исследования и их обсуждение
Из 100 г костной ткани животных было получено 0,981, 0,722 и 0, 316 г неколлагеновых белков быка, свиньи и собаки соответственно. Используя гельпроникающую хроматографию, было установлено количество пептидов в лиофилизированных препаратах и их молекулярная масса. Хроматографические профили препаратов представлены на рис. 1, время выхода пиков и молекулярная масса белковых фракций представлены в табл. 1.
Рис. 1. Хроматографические профили неколлагеновых белков костной ткани быка, свиньи и собаки, полученные с использованием гельпроникающей хроматографии на колонке Shodex Protein KW-2002.5, скорость потока 2,5 мл/мин, светофильтр 276 нм.
Время выхода пиков и рассчитанная молекулярная масса фракций неколлагеновых белков костной ткани быка, свиньи и собаки, полученные с использованием гельпроникающей хроматографии на колонке Shodex Protein KW-2002.5
Научная электронная библиотека
1.1. Особенности метаболизма костной ткани
В филогенетическом аспекте кость является самой молодой тканью. Она до сих пор находится в периоде адаптации к существованию в условиях гравитации. Кроме того, скелет человека подвержен воздействию такого фактора, как прямохождение, а в последние столетия претерпевает изменения, связанные с гипокинезией и различными вынужденными положениями.
В морфофункциональном отношении кость является одной из наиболее сложных и биологически активных тканей. По многим показателям она превосходит другие системы организма и является наиболее массивной, многофункциональной, обладает высокой метаболической и репаративной активностью. Костная ткань в разных участках на 20–25 % состоит из органического матрикса. Около 60–65 % массы сухого деминерализованного матрикса приходится на коллаген и 17–18 % на неколлагеновые белки, по своей структуре, являющиеся гликопротеинами. В состав стромы костного мозга входят недифференцированные стволовые мезенхимальные клетки – ретикулярные, соединительнотканные, эндостальные фибробластоподобные, эндотелиальные клетки, адипоциты, дифференцированные костные клетки (остеобласты, остеокласты, остеоциты), межклеточное вещество, клетки эндоста и периоста, костный мозг, сосудистые, лимфатические и нервные образования, интимно связанные с окружающими мягкими тканями [13, 28, 36, 52].
Читайте также: Не инсулин зависимые ткани это
В костной ткани постоянно протекают два противоположно направленных процесса – резорбция и новообразование. Соотношение этих процессов зависит от различных факторов, в том числе от физических нагрузок на кость и возраста. Считается, что остеогенез происходит за счет клеток эндоста, периоста и костного мозга. Процесс физиологического ремоделирования губчатой костной ткани проходит несколько фаз, в каждую из которых ведущую роль выполняют те или иные клетки. Первоначально участок костной ткани, подлежащий резорбции, «помечается» остеоцитами при помощи специфических цитокинов (активация), разрушается протективный слой на костном матриксе. К оголенной поверхности кости мигрируют предшественники остеокластов и сливаются в многоядерную структуру – симпласт – зрелый остеокласт. Затем остеокласт деминерализует костный матрикс (резорбция), уступает место макрофагам, которые завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости и подготавливают поверхность к адгезии остеобластов (реверсия). На последнем этапе в зону разрушения прибывают предшественники, дифференцирующиеся в остеобласты, они синтезируют и минерализуют матрикс в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость (формирование) [9, 14, 19, 45].
Регуляция остеогенеза имеет три уровня: локальный (местный), системный и генетический. Это обстоятельство в конечном итоге обеспечивает высокий уровень метаболизма костной ткани.
Локальную регуляцию осуществляет микроокружение посредством различных цитокинов, большим количеством факторов роста, рядом полипептидов, ферментов, межклеточных контактов.
Системная нейроэндокринная регуляция осуществляется гормонами и веществами с гормоноподобным действием. Наиболее изученными являются паратиреоидный гормон, половые гормоны, метаболиты вит. D, кальцитонин, глюкокортикоиды, тиреоидные гормоны [9, 52]. Морфофункциональная связь остеогенеза и кровообращения осуществляются не только анатомически, но и тесно функционально. Это подтверждено многочисленными исследованиями связей внутрикостной и внекостной системы артериального, венозного, лимфатического русла, нервной регуляции с остеорецепцией.
Красный костный мозг является депо крови, органом кроветворения, высокочувствительной рефлексогенной зоной, центральным звеном иммунной системы. Красный костный мозг – это источник практически неистощаемого пула мезенхимальных стволовых фибробластоподобных клеток – предшественников остеобластов, способных не только потенцировать остеогенез, но и строить кроветворное микроокружение и регулировать собственно кроветворение [49].
Нарушение процесса остеогенеза приводит к патологии. Исследования В.М. Чепоя (1978) с применением радиоактивного пирофосфата технеция показали, что при межпозвонковом остеохондрозе в телах позвонков отмечается значительное ослабление фибробластических процессов и усиление остеокластических изменений. Кость становится разреженной и хрупкой, как в старческом возрасте, т.е. развивается остеопороз. По мнению McMahon et al. (2002) дефицит в остеогенезе карбоангидразы-2 приводит к появлению симптомов остеосклероза.
По данным С.В. Либенсона (1989) при гипокинезии происходят существенные изменения в системе регуляции остеогенеза, выражающиеся в гипокальцемии, увеличении содержания паратгормина и кальцитонина в крови, гиперэкскреции с мочой минеральных и органических компонентов, участвующих в остеогенезе. Подобные же изменения автор наблюдал и при хроническом болевом синдроме.
Репаративная регенерация – это восстановление ткани после повреждения. Механизмы физиологической и репаративной регенерации костной ткани качественно едины, осуществляются на основе общих закономерностей. Репаративная регенерация – есть в той или иной мере усиленная физиологическая [34]. Одними из индукторов репаративной регенерации костной ткани и усиления метаболизма являются ее травматическое повреждение [10, 34], а также метод аутотрансплантации красного костного мозга, как источника мезенхимальных стволовых клеток – предшественников фибробластов.
Многие исследователи указывают на возможность локально возбуждать репаративную регенерацию костной ткани, тем самым изменять ее метаболизм, методом остеотомии, трепанации, туннелизации или перфорации в необходимых участках кости. Локализованная и дозированная альтерация костной ткани применяется, как средство терапевтического воздействия и приводит к купированию дегенеративно-дистрофических нарушений. Лечебный эффект проявляется местно в зоне стимуляции и регионарно в сегментарных областях за счет интенсификации гемоциркуляции [10, 32, 34].
Микротравматическое повреждение костной ткани приводит к возникновению остеоиндуктивного сигнала, который осуществляется морфогенетическим белком-2, при этом, как в костной ткани, так и в кровеносной системе, происходит стремительная активация ростовых факторов (инсулиноподобного фактора роста, фактора роста фибробластов, колониестимулирующего фактора, фактора некроза опухоли-α и т.д.) [6].
Индуцированный фактор некроза опухоли человека (hTNF)-α стимулирует образование одноядерных преостеокластоподобных клеток (POCs), увеличивает число мРНК рецепторов кальцитонина (CTR) в POCs, формирует образование колонийстимулирующего фактора макрофагов (M-CSF) и экспрессирует образование мРНК активатора ядерного фактора Каппа В лиганда (RANKL). Совместное влияние стволовых клеток красного костного мозга и hTNF-α с растворимым RANKL увеличивают образование многоядерных остеокластоподобных клеток (MNC-s) из макрофагов, осуществляя лизис и резорбцию перелома. RANKL не только участвует в сигнальной трансдукции преостеокластов и остеокластов, но и в резорбтивной функции и выживании зрелых остеокластов [50]. Сигнальные механизмы RANKL распространяются и на активируемые митогенами протеинкиназы – нейроэндокринный уровень регуляции [50]. HTNF-α, простагландин Е2 (PGE2), паратгормон (PNG), 1, 25 (ОН) 2 витамин D3 индуцируют образование интерлейкина 11 (IL-11), интерлейкина 11R (IL-11R) и гликопротеина (gp 130) остеобластами за счет мРНК.
Читайте также: Чем оттереть солидол от ткани
Основной фактор роста фибробластов (bFGF) увеличивает в ККМ количество остеобластов и стимулирует образование белкового матрикса, ускоряя минерализацию и снижая уровень свободного фосфата.
При повреждении кости в красном костном мозге, так же экспрессируется мРНК фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) с рецепторами. Ангиобласты способствуют окружению поврежденной зоны капиллярами. Действие механического повреждения может быть потенцировано введением аутологичных стволовых клеток костного мозга [36].
Особый интерес вызывают работы о применении внутрикостной трансплантации аллогенного костного мозга для лечения экспериментального сенильного остеопороза. В этом случае остеоиндуктивный сигнал осуществляется морфогенетическим белком-2 и макрофагами [25, 50]. Аденозинтрифосфат (АТФ) так же участвует в передаче сигналов факторов роста ККМ за счет повышения активности протеинкиназ. Таким образом, существенно усиливается метаболическая активность костной ткани.
Янковский Г.А. (1982) привел результаты лечения 135 больных пояснично-крестцовым радикулитом методом введения 1 мл изотонического раствора натрия хлорида в остистые отростки нижних поясничных позвонков. У 122 пациентов автор отметил значительный регресс неврологической симптоматики и в течение последующих 2-х лет у этих больных поясничные боли не отмечались. При рентгенденситометрии у данных пациентов было выявлено увеличении плотности костной ткани. Автор сделал вывод, что внутрикостная пункция остистого отростка вследствие общности кровообращения обуславливает улучшение трофики тела позвонка и, соответственно, межпозвонкового диска.
При гистологическом исследовании костной ткани И.Н. Атясовым (2000) после проведения внутрикостного введения 10 мл различных жидкостей или крови в 1 сутки определялось разрушение костных трабекул, повреждение стромы и паренхимы костномозговой ткани, нарушение кровообращения в очаге деструкции, что являлось следствием механического повреждения в момент внедрения иглы в кость.
Через 3 суток на месте внутрикостного вливания 10 мл жидкости наблюдалось разрастание нежноволокнистой ткани и гиперплазия эндостальных элементов в виде окружения близлежащих к очагу деструкции костных трабекул остеобластами, а в некоторых опытах (после внутрикостного введения лекарственных жидкостей вместе с аутологичным костным мозгом) – уже было видно образование и разрастание остеоидных балочек.
Через 5 суток разросшаяся нежноволокнистая ткань почти полностью замещала очаг кровоизлияний, определялась резко выраженная гиперплазия соединительнотканных и эндостальных элементов в виде разрастания множества остеоидных балочек и напластования остеоидных масс на окружающие зрелые костные балки.
По истечении 7 суток в месте введения жидкости определялась нежно-волокнистая ткань, полностью замещающая очаг кровоизлияний.
Через 15 суток в нежно-волокнистой соединительной ткани определялись скопления лимфоидных и жировых клеток, множество зрелых костных балок с явлениями активной перестройки с помощью остеобластов и остеокластов.
На 18–20 сутки определялись участки фиброза.
В последующие 30–60 суток в месте введения иглы в кость отмечалась разросшаяся фибринозная ткань неравномерной плотности, окруженная костными балками, находящимися в стадии дальнейшей перестройки.
К 60 суткам костная и костномозговая ткани полностью восстанавливали свою клеточную структуру [2, 3].
Костная ткань – это главное депо минеральных солей в организме, по своей химической структуре представляет собой кристаллы гидроксиапатита, поэтому обладает физическими свойствами пьезоэлектрика. При одноостных сжатиях, изгибах или кручениях постоянно изменяется пьезоэлектрический потенциал как всей кости, так и отдельных ее составляющих элементов. В основополагающих работах Фукады и Ясуды (1957) было показано, что поляризация линейно связана с механическим напряжением и деформацией. В состоянии покоя на поверхности кости нет связанных поляризационных зарядов, вызванных собственными механическими напряжениями, т.к. они компенсируются ионами электролита. Механическая деформация кости определенным образом изменяет пьезоэлектрические потенциалы.
Так, на вогнутой поверхности образуется отрицательный, а на выпуклой – положительный заряд. Сочетание положительных и отрицательных потенциалов так же существенно влияет на процессы активации остеокластов, остеобластов и других клеток кости и костного мозга, на движение ионов и заряженных молекул по кровеносным сосудам.
На вогнутой поверхности стимулируется костеобразование, а на выпуклой – резорбция кости. Кроме того, кровотоком создается электрохимический потенциал. Совокупность электропотенциалов распределена в кости таким образом, что венулы заряжены преимущественно положительно, что, по-видимому, является биологически оправданным механизмом предотвращения зарастания костных каналов, в которых они проходят.
Однако при недостаточных механических нагрузках на кость, незначительном внутрикостном кровотоке, венозном застое изменяется соотношение разнополярных потенциалов. Положительный заряд венул уменьшается или превращается в отрицательный. Это способствует костеобразованию в месте их выхода. Уменьшается диаметр отверстия, в котором проходит венула, что ограничивает возможности резервного оттока, усиливает отек, замедляет отток крови от кости. Таким образом, замыкается патологический круг.
- 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