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.
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.
Читайте также: Синтетическая ткань для мешков для пылесоса
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.
Органический матрикс минерализованных тканей
Минерализованные ткани представлены в организме костью, цементом, дентином, и эмалью. Эти виды ткани различаются по онтогенезу (первые три вида ткани – мезенхимального происхождения, а эмаль – эктодермального), клеточному составу, строению и протеканию в них биохимических процессов.
Минерализованные ткани, как и другие виды соединительной ткани, содержат небольшое количество клеток и большое межклеточное пространство (межклеточный матрикс). Межклеточный матрикс минерализованных тканей состоит из двух компонентов – высокоорганизованного органического матрикса (представленного, в основном, белками и протеогликанами) и связанных с ним минеральных компонентов. На рисунке изображен высокоорганизованный органический матрикс эмали (деминерализованная эмаль) при различных увеличениях.
Органический матрикс кости, который называют также остеоидом, или экстрацеллюларным матриксом, составляет приблизительно 30% массы влажной ткани. Содержание органических веществ в тканях зуба сильно варьирует от 2% в эмали до 30% в дентине.
Минеральные компоненты, в свою очередь, представлены, в основном, гидроксиапатитом, который можно описать общей формулой Са10(РО4)6(ОН)2, Как следует из формулы, основными ионами, входящими в состав гидроксиапатитов, являются Са 2+ и РО4 3- . Органический матрикс минерализованных тканей мезенхимального происхождения на 90-95% представлен коллагеном I типа. Протеогликаны составляют около 1%. От 3 до 8% массы приходится на неколлагеновые белки и фосфолипиды, причем, в литературе имеются данные о том, что последние принимают участие в процессах минерализации. Белки, участвующие в связывании клеток с компонентами внеклеточного матрикса, называют адгезивными. Среди присутствующих в минерализованных тканях ферментов можно выделить щелочную фосфатазу, действие которой приводит к увеличению уровня фосфат-ионов и ускорению минерализации, а также кислую фосфатазу, способствующую резорбции костной ткани.
Читайте также: Синтетические ткани для сумки
Костная ткань содержит до 1% (от общей массы) цитрата, что составляет 90% от общего количества цитрата в организме. Вероятно, цитрат образует комплексные соединения с солями кальция, обеспечивая возможность повышения их концентрации в тканях до такого уровня, при котором может начинаться образование центров кристаллизации и последующая минерализация. Коллагеновые волокна придают минерализованным тканям прочность на разрыв, протеогликаны – эластичность, а минеральные компоненты — прочность на сжатие.
4.1. Коллаген I типаучаствует в минерализации, образуя комплексы с гидроксиапатитами, только в составе костной ткани, дентина и цемента (в сухожилиях, хряще и коже коллаген I типа не минерализуется). Эти различия обусловлены присутствием в минерализованных тканях соответствующих регуляторных белков. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов. Кроме коллагена I типа в костной ткани встречаются также коллаген V типа и неколлагеновые белки.
4.2. Протеогликаныминерализованных тканей представлены, в основном, дерматан- и кератансульфатами. Благодаря большому количеству отрицательных зарядов в их молекулах, протеогликаны могут связывать ионы кальция, к которым далее присоединяются фосфат-ионы, поэтому существует предположение, что протеогликаны способны связывать гидроксиапатиты.
4.3. Остеонектинсекретируетсязрелыми остеобластамии остеоцитами, поэтому по количеству остеонектина в крови можно судить о степени дифференцировки костных клеток. Остеонектин- гликопротеин кости и дентина. Он имеет высокое сродство к коллагену I типа и соединяется с ним через углеводный компонент. Остеонектинможет связываться с гидроксиапатитами через пространственно сближенные аминокислотные остатки аспартата и глутамата, которые взаимодействуют с ионами кальция, а также остатки аргинина, образующего ионные связи с ионами фосфата. Участки связывания гидроксиапатитов на молекуле остеонектинамогут играть роль центров кристаллизации. Кроме того, остеонектин, возможно, участвует во взаимодействии клеток и межклеточного матрикса, поэтому его относят к адгезивным белкам.
4.4. gla-Белки – это белки, содержащие аминокислотные остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты, образующиеся в результате посттрансляционной модификации глутамильных остатков в полипептидной цепи. Реакцию катализирует витамин К1-зависимый фермент – γ-глутамилкарбоксилаза, требующий для протекания реакции наличия кислорода и карбонат-ионов. Остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты, содержащие две близко расположенные карбоксильные группы, наделены повышенной способностью связывать ионы кальция.
Представителем этой группы белков является остеокальцин, называемый также костным gla-белком, который занимает второе место (10-20%) среди неколлагеновых белков, синтезируется, в основном, в остеобластах и в остеоцитах, располагается в этих же клетках, а также в экстрацеллюларном матриксе. Остеокальцин низкомолекулярный (6,7- 6,5 кДа) кислый белок, состоящий из 49 аминокислотных остатков, три из которых представлены g-карбоксиглутаминовой кислотой. Приблизительно 90% вновь синтезируемого остеокальцина связывается в минерализованных тканях, а 10% попадает в кровь, поэтому этот белок является маркером костного метаболизма. Нормальный уровень остеокальцина в сыворотке у взрослых людей составляет 10 нг/мл. Увеличение его концентрации означает активизацию остеогенеза. При остеокластической резорбции (т.е. при разрушении костной ткани под действием остеокластов) в кровь, а затем в мочу попадают пептиды, образовавшиеся в результате протеолиза остеокальцина, содержащие аминокислотные остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты.
Читайте также: Потолочный итальянский светильник из ткани
В литературе имеются данные о том, что остеокальцин предотвращает слишком быструю, а также избыточную минерализацию костной ткани, связывая ионы кальция. В результате связывания с ионами кальция остеокальцинприобретает способность взаимодействовать с фосфолипидами клеточных мембран и привлекать к себе остеокласты и их предшественников — моноциты, а также другие макрофаги. Выступая в роли фактора хемотаксиса, остеокальцинспособствует увеличению количества остеокластов и остеобластов, а также их активации и, таким образом, способствует ремоделированию кости. К gla-белкам относится также матриксный gla-белок, содержащий последовательность из пяти γ-карбокси-глу.
4.5. Остеопонтин является неколлагеновым белком, выделенным из кости, с чем связано и его название. Этот адгезивный белок не является строго специфичным для костной ткани, и был обнаружен независимыми исследователями в других тканях. В кости он синтезируется остеобластами, остеоцитами и остеокластами. Он содержит мотив RGD, обычный для многих белков внеклеточного матрикса, стимулирует адгезию клеток, хемотаксис остеокластов, клеток гладких мышц, моноцитов и B-лимфоцитов, является регулирующим фактором для макрофагов, T-клеток. Остеопонтин способен связывать клетки минерализованной ткани с гидроксиапатитом. Он участвует в процессах резорбции кости, малигнизации и кальцификации воспаленных и поврежденных тканей.
4.6. Костный сиалопротеин составляет приблизительно 5% всех неколлагеновых белков кости. Он синтезируется в остеобластах, остеоцитах и остеокластах и обнаружен в костях, дентине, цементе и некоторых гипертрофированных хрящевых клетках. В состав этого белка входят 320 аминокислот, много сиаловых кислот (до 20%) и RGD-последовательность, которая придает ему способность связываться с мембранными клеточными рецепторами. Костный сиалопротеин имеет некоторые сходные структурные признаки с остеопонтином, тем не менее, эти два белка не являются гомологичными. Костный сиалопротеин, подобно остеопонтину, продуцируется остеобластными клетками как сульфатированный и фосфорилированный протеин. В отличие от остеопонтина, который не определяется в костном матриксе до минерализации и присутствует во многих тканях, костный сиалопротеин появляется только в минерализованной соединительной ткани в начале костного формирования. Костный сиалопротеин выполняет функции связывания клеток с коллагеном I типа и фактором резорбции матрикса кости.
4.7. Фосфофорин – это белок, на долю которого приходится до 1% белков дентина. Из приблизительно 1000 аминокислотных остатков фосфофорина 426 приходится на серин, способный фосфоэфирной связью соединяться с остатками неорганического фосфата, а 447 – на отрицательно заряженную аспарагиновую кислоту, связывающую ионы кальция. Такой аминокислотный состав лежит в основе связывания фосфофорином гидроксиапатитов.
4.8. Белки эмали. Поскольку эмаль представляет минерализованную ткань эктодермального происхождения, ее органический матрикс сильно отличен от матрикса минерализованных тканей мезодермального происхождения. В частности, в эмали отсутствуют коллагены, но имеются кальций-связывающие белки эмали. Основными белками развивающейся эмали являются фосфопротеины семейства амелогенинов. В зрелой эмали содержание амелогенинов приблизительно равно содержанию белков другой группы фосфопротеинов – энамелинов.
Наряду с перечисленными выше белками, соединительные ткани содержат много ферментов и белковых факторов, регулирующих рост и дифференцировку клеток, о которых можно получить дополнительную информацию в учебнике: Вавилова Т.П. Биохимия тканей и жидкостей полости рта, М.: Издательский дом «ГЭОТАР-МЕДИА», 2008.
Последующие лекции курса «Биохимия полости рта» будут посвящены минеральной основе твердых тканей организма, процессам минерализации и ремоделирования костной ткани, регуляции метаболизма (обмена белков, кальция и фосфатов) в минерализованных тканях, а также жидкостям полости рта и надзубным образованиям. Хочется верить, что предлагаемое учебное пособие поможет студентам успешно освоить достаточно сложный курс биохимии полости рта.
С целью помочь студентам проверить свои знания и оттенить наиболее важные моменты изучаемой темы предлагаются вопросы, которые требуют однозначного ответа «да» или «нет».
- 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