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: Какая мышечная ткань сокращается произвольно какие непроизвольно
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).
Метаболизм костной ткани и остеопороз
Рассмотрены подходы к выбору средств для профилактики и лечения потерь костной ткани, восстановления ее структуры и качества. Применяемый препарат должен способствовать синтезу коллагена, формированию костного матрикса, его минерализации и, соответственно
Approaches to selecting the methods of prevention and treatment of bone tissue losses, restoration of its structure and quality, were considered. The used preparation must contribute to collagen synthesis, formation of bone matrix, its mineralization, and, respectively, increase of the bone density and strength.
Остеопороз (ОП) — прогрессирующее системное заболевание скелета, характеризующееся снижением костной массы и нарушением микроархитектоники (качества) костной ткани, что приводит к хрупкости костей и повышению риска переломов. ОП — самое распространенное заболевание костной ткани: остеопоротические переломы отмечается у половины всех женщин, находящихся в периоде постменопаузы, а также у мужчин старших возрастных групп [1]. Очевидно, что рано начатые активные профилактические мероприятия у значительной части населения могут существенно повлиять на распространенность, прогрессирование и исходы заболевания, а также снизить риск переломов. В связи с этим изучение различных лекарственных препаратов и методов, применяемых для профилактики ОП, приобретает особый смысл.
Кость — специализированная разновидность соединительной ткани, состоящая из клеток и межклеточного вещества. В течение всей жизни основные функции костной ткани, такие как жесткость и гибкость, снижаются, поскольку с возрастом наблюдаются повреждение матрикса и потеря минералов. В противовес указанным проявлениям, в кости осуществляется ремоделирование — процесс, направленный на самостоятельное обновление и сохранение скелета как структурного и функционального органа.
Основными клетками костной ткани, функциями которой регулируется гомеостаз кости, являются остеобласты, остеокласты и остеоциты. Основной функцией остеобластов является создание органического межклеточного матрикса кости, остеоида. Остеобласты синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны. Наряду с этим остеобласты активно синтезируют и выделяют во внеклеточное пространство значительное количество глицерофосфолипидов, способствующих связыванию Ca 2+ и участвующих в процессах минерализации. Клетки сообщаются между собой через десмосомы, которые позволяют проходить Ca 2+ и цАМФ. Они также обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов и выступают в качестве посредников при связывании минеральных кристаллов с белковой матрицей.
В ходе формирования кости некоторые остеобласты оказываются замурованными в толщу матрикса и становятся остеоцитами. Остеоциты контактируют друг с другом через отростки, являются основными компонентами в сформировавшейся костной ткани. Основная функция остеоцитов — поддержание нормального состояния костного матрикса и баланса кальция и фосфора в организме.
Остеокласты — клетки, выполняющие функцию разрушения кости; развиваются из стволовой кроветворной клетки и являются специализированными макрофагами. В процессе ремоделирования кости резорбтивный стимул запускает процесс привлечения остеокластов к участку кости. Прикрепившись к кости, остеокласты продуцируют множество протеолитических ферментов и формируют полость в кальцинированном матриксе. Таким образом, они осуществляют непрерывный процесс резорбции и обновления костной ткани, обеспечивая необходимый рост и развитие скелета, структуру, прочность и упругость.
Важнейшим компонентом костной ткани является межклеточное вещество — уникальный комплекс органических и неорганических компонентов, заполняющих пространство между клетками. Минерализованный матрикс костной ткани поддерживает структуру скелета и под координирующим влиянием остеобластов и остеокластов обеспечивает резервуар как ионов, так и факторов роста, которые высвобождаются в процессе метаболизма.
Органический межклеточный матрикс костной ткани представлен семейством коллагеновых белков. Состав кости необычен тем, что фактически в ней представлен только коллаген I типа (90%), хотя наряду с коллагеном I типа в кости все же присутствуют следы других типов коллагена, таких как V, XI, XII. Скорее всего, что эти типы коллагена принадлежат другим тканям, которые и находятся в костной ткани, но не входят в состав костного матрикса. Например, коллаген V типа обычно обнаруживается в сосудах, которые пронизывают кость. Коллаген XI типа находится в хрящевой ткани и может соответствовать остаткам кальцифицированного хряща. Коллагеновые фибриллы в кости строго ориентированы в соответствии с распределенной функциональной нагрузкой на кость, что обеспечивает упругость и эластичность кости. Веретенообразные и пластинчатые кристаллы гидроксиапатита находятся на коллагеновых волокнах, в их пределах и в окружающем пространстве. Как правило, они ориентированы в том же направлении, что и коллагеновые волокна.
Читайте также: Набор маркеров для ткани 10 цветов centropen
Неколлагеновая часть матрикса (10%) представлена основным веществом (витамин К-зависимыми глютамилпротеинами (остеокальцином), матричными протеинами, остеопонтином, остеонектином, фибронектином, фосфопротеидами, сиалопротеидами, а также протеогликанами).
Минеральные вещества, которыми пропитан органический матрикс, представлены главным образом кристаллами гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2. Кроме того, в кости обнаружены ионы Mg 2+ , Na + , K + , SO4 2- , HCO 3- , гидроксильные и другие ионы, которые могут принимать участие в образовании кристаллов.
Важно подчеркнуть, что ОП является результатом уменьшения органического матрикса кости, а вовсе не плохой кальцификацией костной ткани. При ОП существенно снижается скорость образования остеоида, необходимого для формирования кости. Поэтому при планировании профилактических мероприятий чрезвычайно важно учитывать потенциальную возможность препаратов, наряду с адекватной минерализацией, оказывать влияние на синтез органического матрикса.
Разумеется, качественная структура и прочность кости, ее эффективное функционирование и своевременное самообновление возможны лишь при адекватной обеспеченности макро- и микроэлементами, которые, подобно кальцию и витамину D, принимают непосредственное участие в биохимических процессах костной ткани [2–5]. Магний, медь, цинк, марганец, бор, являясь кофакторами ферментов, регулируют синтез костного матрикса, его минерализацию, а также равномерный рост, гибкость и прочность костной ткани. Известно, что дефицит этих веществ замедляет формирование костной массы в детстве и подростковом возрасте, способствует ее ускоренной потере в пожилом возрасте. Соответственно, дефицит любого из известных минеральных веществ в организме препятствует успешной терапии и профилактике нарушений структуры кости [6, 7].
Одним из основных минералов, играющих важную роль в формировании и поддержании структуры костной ткани, является кальций. Поскольку кальций не производится в организме, то для поддержания оптимальной концентрации он должен регулярно поступать извне. Причем желательно, чтобы его поступление в организм обеспечивалось за счет натуральных молочных продуктов, молока и его производных (кефира, простокваши, ряженки, йогурта, творога, сыра). Вместе с тем биодоступность кальция из пищи составляет порядка 30%, причем с высокой индивидуальной вариабельностью. Более того, у лиц пожилого возраста нередко имеет место непереносимость молочных продуктов, связанная со снижением концентрации лактазы в желудочном соке, что приводит к низкому потреблению кальция.
Согласно эпидемиологическим исследованиям, среди женщин в возрасте старше 45 лет, проживающих в мегаполисах, непереносимость молока встречается с частотой 25,0–34,0%. При этом достаточное потребление кальция с продуктами питания имеет место менее чем у 5% женщин [8]. Фактически содержание кальция в пищевом рационе постменопаузальных женщин не соответствует рекомендованным нормам. Очевидно, что обеспечение должного уровня потребления кальция возможно лишь при условии дополнительного регулярного назначения медикаментозных препаратов.
Витамин D — основной регулятор активной абсорбции кальция в организме. Витамин D относят к группе жирорастворимых витаминов. Хотя в отличие от всех других витаминов он биологически не активен. В активную, гормональную, форму он превращается за счет двухступенчатой метаболизации в организме и оказывает многообразные биологические эффекты за счет взаимодействия со специфическими рецепторами, локализованными в ядрах клеток тканей и органов. Другое дело — активный метаболит витамина D. Он действует как истинный гормон, хотя в научной литературе его традиционно называют витамином D [9, 10].
Природная форма витамина D — витамин D2 (эргокальциферол) поступает в организм человека в относительно небольших количествах — не более 20–30% от потребности. В основном из злаковых растений, рыбьего жира, сливочного масла, маргарина, молока, яичного желтка и др. В организме витамин D2 метаболизируется с образованием производных, обладающих сходным с метаболитами витамина D3 действием.
Еще одна природная форма витамина D — витамин D3, или холекальциферол, является ближайшим аналогом витамина D2, но его синтез мало зависит от поступления извне. Холекальциферол образуется в организме позвоночных животных, в том числе амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих, в связи с чем играет значительно бóльшую роль в процессах жизнедеятельности человека, чем поступающий в небольших количествах с пищей витамин D2. В организме витамин D3 образуется из находящегося в дермальном слое кожи предшественника (7-дегидрохолестерина) под влиянием коротковолнового ультрафиолетового облучения спектра В (УФ–В/солнечного света, длина волны 290–315 нм) при температуре тела в результате фотохимической реакции раскрытия В-кольца стероидного ядра и термоизомеризации, характерной для секостероидов [9, 10].
В последующем поступивший с пищей и/или образовавшийся в организме в процессе эндогенного синтеза витамин D подвергается реакции 25-гидроксилирования в печени. Важно, что гидроксилирование витамина D3 в печени представляет собой полностью субстратзависимый процесс, который протекает весьма быстро и ведет к повышению уровня 25(ОН)D в сыворотке крови. Уровень этого вещества отражает как образование витамина D в коже, так и его поступление с пищей, в связи с чем может использоваться как маркер статуса витамина D [9, 10].
Вторая реакция гидроксилирования 25(ОН)D, с образованием наиболее важной, качественно и количественно значимой активной гормональной формы — 1a,25-дигидроксивитамина D3 (1α,25(ОН)2D3), называемой также D-гормоном, кальцитриолом, протекает уже в основном в почках, в клетках проксимальных отделов канальцев коры почек при участии фермента 1α-гидроксилазы (CYP27В1). Этот процесс строго регулируется рядом эндогенных и экзогенных факторов. Во-первых, регуляция синтеза 1a,25(ОН)2D3 в почках является непосредственной функцией паратиреоидного гормона (ПТГ), на концентрацию которого в крови, в свою очередь, по механизму обратной связи оказывают влияние как уровень самого активного метаболита витамина D3, так и концентрация кальция и фосфора в плазме крови. Во-вторых, активация синтеза 1a-гидроксилазы и реакции 1a-гидроксилирования зависит от половых гормонов (эстрогенов и андрогенов), кальцитонина, пролактина, гормона роста (через ИПФР-1) и др. В-третьих, ингибирующее влияние на активность 1a-гидроксилазы оказывают глюкокортикостероидные гормоны, 1α,25(ОН)2D3 и ряд его синтетических аналогов. Фактор роста из фибробластов (FGF23), секретируемый в клетках кости, вызывает образование натрий-фосфат-котранспортера, который действует в клетках почек и тонкого кишечника, оказывает тормозящее влияние на синтез 1,25-дигидроксивитамина D3. На метаболизм витамина D оказывают влияние и некоторые лекарственные средства, например, противоэпилептические препараты.
Читайте также: Чем отстирать клей момент от ткани
Основными реакциями, в которых участвует D-гормон, являются абсорбция кальция в желудочно-кишечном тракте и его реабсорбция в почках. D-гормон усиливает кишечную абсорбцию кальция в тонком кишечнике за счет взаимодействия со специфическими РВD. Об эффективности данного механизма свидетельствует тот факт, что без участия витамина D лишь 10–15% пищевого кальция и 60% фосфора абсорбируются в кишечнике. Взаимодействие между 1a,25-дигидроксивитамином D3 и РВD повышает эффективность кишечной абсорбции Са 2+ до 30–40%, т. е. в 2–4 раза, а фосфора — до 80%. Сходные механизмы действия D-гормона лежат в основе осуществляемой под его влиянием реабсорбции Са 2+ в почках.
В костях 1α,25(ОН)2D3 связывается с рецепторами на кость-формирующих клетках — остеобластах, вызывая повышение экспрессии ими лиганда рецептора активатора ядерного фактора кВ (RANKL). Рецептор-активатор ядерного фактора кВ (RANK), являющийся рецептором для RANKL, локализованным на преостеокластах, связывает RANKL, что вызывает быстрое созревание преостеокластов и их превращение в зрелые остеокласты. В процессах костного ремоделирования зрелые остеокласты резорбируют кость, что сопровождается выделением кальция и фосфора из минерального компонента (гидроксиапатита) и обеспечивает поддержание уровня кальция и фосфора в крови. В свою очередь, адекватный уровень кальция (Са 2+ ) и фосфора необходим для нормальной минерализации скелета [11–13].
Многочисленные исследования показали, что назначение препаратов кальция и/или витамина D способствует уменьшению потери костной ткани [14–19]. У женщин в поздней постменопаузе с низким употреблением пищевого кальция прием кальция предотвращает потерю костной ткани в позвоночнике [20, 21]. В свою очередь, назначение добавок кальция лицам старше 60 лет приводит к снижению потери костной массы в области бедра среди белых мужчин и женщин в возрасте моложе 72 лет [22]. Эффект назначения цитрата кальция на минеральную плотность кости (МПК) у женщин в раннем (до 5 лет) и среднем (от 5 до 10 лет) постменопаузальном периоде в течение двух лет проявлялся в виде прироста МПК в поясничном отделе на 1%, наряду со значимым снижением МПК на 2,4% в группе, получавшей плацебо [23]. Метаанализ 9 рандомизированных клинических исследований с общей выборкой более 50 тыс. человек, в 6 из которых сравнивалось комбинированное лечение витамином D (400 или 700–800 МЕ/сут) и кальцием с группами плацебо или без лечения, продемонстрировал достоверное снижение риска перелома бедра на 18% (RR 0,82 [95% ДИ 0,71–0,94], р = 0,0005) и риска внепозвоночных переломов на 12% (RR 0,88 [95% ДИ 0,78–0,99], р = 0,036) в группах, получавших комбинированную терапию, по сравнению с группами без добавок [24]. В исследованиях, где применялся витамин D в дозе 700–800 МЕ/сут, эффект на риск перелома бедра был выше, чем при приеме 400 МЕ (21% и 18% соответственно). Соответственно, в исследованиях, в которых пациенты получали только витамин D или плацебо (4 РКИ с общей численностью 9083 пациента), не было получено снижения риска внепозвоночных переломов как при применении дозы 400 МЕ (RR 1,14 [95% ДИ 0,87–1,49]), так при использовании 700–800 МЕ (RR 1,04 [95% ДИ 0,75–1,46]), что подтверждает ранее представленные данные о том, что витамин D без добавления кальция не снижает риск переломов [24].
Магний
Известно, что 60–65% магния находится именно в скелете и от обеспеченности костей магнием зависит обмен кальция и витамина D. Являясь структурным компонентом значительного числа ферментов, магний образует кристаллы с фосфатами, принимает участие в росте и стабилизации кристалла гидроксиапатита — структурной единицы минерального компонента костной ткани [25, 26]. Магний регулирует секрецию паратгормона (ПГ), повышает чувствительность клеток-мишеней к ПГ и витамину D, стимулирует действие кальцитонина. Длительное во времени нарушение соотношения Mg/Ca в сторону дефицита магния сопровождается замедлением обменных процессов в кости. Специальные магний-дефицитные диеты, сопровождающиеся уменьшением сывороточной концентрации магния, способствуют системной потере костной массы, снижению толщины надкостницы, характерным изменениям провоспалительных маркеров и маркеров резорбции кости. Уже по истечении достаточно короткого срока (4 недели), магний-дефицитная диета приводит к значимому снижению содержания минеральных веществ кости (р
М. И. Шупина, кандидат медицинских наук
Г. И. Нечаева 1 , доктор медицинских наук, профессор
Д. В. Шупин
Е. В. Надей
А. А. Семенкин, доктор медицинских наук, профессор
ГБОУ ВПО ОмГМУ МЗ РФ, Омск
- 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