Все ткани, кроме эмали, состоят из клеток, погруженных в твердый межклеточный матрикс. Основное отличие этих тканей – разная степень минерализации т.е. отношение минерального компонента к органическому. Этот показатель возрастает в следующей последовательности:
кость + секретируются из клетки и создают кислую среду 3,5-4,0, необходимую для работы ферментов резорбции и деминерализации матрикса.
Карбоангидраза II диссоциация
В зону резорбции Н + перекачиваются при помощи мембранных белков:
Поверхность остеокласта поляризуется и образуются выросты – «щеточная каемка».
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ И СТРОЕНИЕ АПАТИТОВ В ТВЕРДЫХ ТКАНЯХ
Костная ткань содержит 1200 г кальция и 580 г фосфора, в основном в составе кристаллов ГАП (Са10(РО4)6(ОН)2), похожие на кристаллы дентина и цемента зуба. Ионы в кристаллах занимают положение в соответствии с их размерами, величинами зарядов и удерживаются за счет электростатического взаимодействия.
Оптимальное расстояние между ионами Са 2+ и РО4 3- , необходимое для формирования кристалла ГАП задается органической матрицей. Изменение строения или количества любого вещества, формирующего матрицу, приводит к нарушению:
■ образованию кристаллов неправильной структуры;
■ снижению прочности костной ткани. Рис.11.22.
ГАП формируют кристаллы имеющие гидратную оболочку, толщиной
1 нм. Межпризменное пространство, отделяющее кристаллы друг от друга составляет 62,5 нм.
Апатиты могут обмениваются ионами с молекулами окружающей среды. Гидратный слой кристаллов содержит легко обмениваемый пул (запас) кальция быстро поставляющий Са 2+ и РО4 3- во внеклеточную жидкость.
Медленно обмениваемый пул состоит из фосфата кальция кристаллов ГАП. Мобилизация кальция из этого источника регулируется паратгормоном и кальцитриолом.
Молярный кальциево-фосфатный коэффициент Са/P характеризует состав ГАП, который равен 10/6 (1,67). Для биогенных апатитов организма человека, соотношение Са/P варьирует от 1,33 до 2,0. Это вызвано «изоморфными» замещениями. Наиболее часто:
▪ Са 2+ замещается Sr 2+ , Ba 2+ , Mo 2+ , реже Mg 2+ , Pb 2+ .
Стронциевый апатит Ca9Sr(PO4)6(OH)2 хрупкий. В районах, где вода, почва, а следовательно и пища богаты стронцием наблюдаются частые переломы костей.
При ацидозе, у больных сахарным диабетом, голодающих или страдающих нарушением кровообращения, ионы Са 2+ замещаются протонами (Н + ):
Так как Н + во много раз меньше иона кальция кристаллы ГАП разрушается:
▪ РО4 3- замещается НРО4 2- , СО3 2- , АsO3 2- , цитратом.
Активность такого замещения зависит от уровня бикарбонатов в крови.
▪ ОН — замещается анионами галогенов – Cl — , F — , I — , Br —
В небольших количествах фтор повышает устойчивость апатитов к разрушению.
Реакции «изоморфного» замещения протекают очень медленно и условно подразделяются на 3 стадии.
На I стадии в течение нескольких минут идет обмен ионов между тканью межпризменного пространства и гидратной оболочкой кристаллов. Ионы Na + , F — , по градиенту концентрации могут проникать в поверхностные слои кристалла.
II стадия продолжается несколько часов, происходит обмен ионами Са 2+ , РО4 3- , СО3 2- , Sr 2+ , F — гидратного и поверхостного слоев кристаллов ГАП. Ионы диффундируют в поверхностные слои кристаллов.
На III стадии происходит перемещение ионов, например Са 2+ , РО4 3- , Sr 2+ , F — из поверхностного слоя в глубь кристаллов. Продолжительность процесса от нескольких дней до нескольких месяцев.
Степень замещения зависит от:
■ концентрации и радиуса ионов;
■ продолжительности ионного обмена.
«Изоморфные» замещения приводят к:
■ изменению молярного соотношения Са/P;
■ размера и устойчивости кристаллов к физическим и химическим воздействиям.
ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
Основными органическими являются белки, протеогликаны, фосфолипиды и цитрат, составляющие от 1% в эмали зуба до 30% в костной ткани. Особенности их строения определяют способность межклеточного матрикса к минерализации.
Читайте также: Задача про ткань 3 класс петерсон
Белки костной ткани синтезируются остеобластами.
Коллаген I типа (остеоколлаген) содержит больше гидроксипролина, но мало гидроксилизина, поэтому менее гликозилирован. Между лизином, аллизином и гидроксилизином образуется меньше межцепочечных ковалентных связей, однако образуются структуры — пиридинолин (десмозин) и дезоксипиридинолин (изодесмозин) не встрещающиеся в коллагене I типа других тканей. Они устойчивы к деградации и во время резорбции кости в свободной форме (пиридинолин и дезоксипиридинолин) определяются в сыворотке крови и моче. В костном коллагене есть фосфорилированные остатки серина.
Неколлагеновые белки костной ткани. Некоторые из них присутствуют и в других тканях, но только в минерализованном матриксе они участвуют в процессах остеогенеза и дентогенеза, а также ремоделировании костной ткани.
Большинство неколлагеновых белков костного матрикса является
гликопротеинами или гликофосфопротеинами.
Остеонектин (ОН) синтезируется и секретируется зрелыми остеобластами и функционально активными остеоцитами. Белок содержит много аминокислотных остатков Глу, Асп, которые с помощью Са 2+ присоединяются к фосфатным остаткам (РО4 3- ) гидроксиапатитов.
ОН имеет центры связывания с коллагеном, альбумином, тромбоспондином и клеточными рецепторами. Взаимодействие с этими белками регулируют ионы Са 2+ , которые изменяет заряд и конформацию белка.
Взаимодействие ОН со специфическими лигандами. Рис. 11.24.
ОН участвует в формировании центров кристаллизации и инициирует процесс минерализации костной ткани.
Остеокальцин (ОК) является уникальным белком тканей кости и зубов. ОК синтезируется и секретируется остеобластами, остеоцитами и одонтобластами. Он содержит несколько (3-5) остатков γ (гамма)-карбоксиглутаминовой кислотой (γ-Глу, или gla). Образование γ-Глу катализирует витамин К-зависимый фермент – глутамилкарбоксилаза.
Остатки γ-Глу повышают способность ОК связывать Са 2+ . Комплекс ОК и кальция присоединяется к преостеокластам, моноцитам и стимулирует их дифференцировку.
Взаимодействие остеокальцина с фосфолипидами мембраны остеокласта.
Присоединяя Са 2+ , ОК снижает его содержание в матриксе. Таким образом, уменьшается связывание кальция с ОН, который участвует в образовании центров кристаллизации, поэтому кость не подвергается избыточной минерализации. Содержание ОК ограничено в местах минерализации и повышено в растущих тканях кости.
Экспрессия гена ОК в остеобластах регулируется кальцитриолом. При снижении синтеза и секреции ОК наблюдается усиление минерализации кости.
Gla-протеин матрикса – белок, родственный ОК, но секретируется остеобластами на более ранних стадиях развития кости и замедляет скорость минерализации.
Сиалопротеин кости синтезируется остеобластами и одонтобластами. Молекулы белка имеют высокий отрицательный заряд, который обеспечивается присутствием:
■ углеводов (50% массы молекулы) из них 12% составляет сиаловая кислота
■ фосфорилированных остатков серина;
■ повторов глутаминовой кислоты [-Глу-]n;
■ сульфатированных остатков тирозина;
■ гликозамингликановых цепей кератансульфата.
Это позволяет сиалопротеину взаимодействовать с Са 2+ и ГАП. Последовательность –Арг-Глу-Асп- (RGD-последовательность) в белке комплементарна рецепторам интегрина (αγβ3) остеокластов. Взаимодействие сиалопротеина с αγβ3-рецепторами вызывает их активацию. Сиалопротеин кости присутствует только в минерализованных тканях: костях, дентине и цементе.
Участие сиалопротеина в прикреплении остеокластов к поверхности кости.
Остеопонтин (ОП) синтезируется остеобластами и остеоцитами. Взаимодействие с ГАП матрикса происходит благодаря высокому отрицательному заряду ОП, который обеспечивается:
■ углеводными фрагментами, содержащими сиаловую кислоту;
■ сульфатированными и фосфорилированными остатками серина;
■ повторами аспарагиновой кислоты (–Асп–)n.
ОП имея –Арг-Глу-Асп- (RGD-последовательность) стимулирует прикрепление остеокластов к минерализованной поверхности кости. На этих участках костной ткани ОП превышает содержание других белков более чем в 10 раз.
Остеокласты в области «щеточной каемки» секретируют кислую фосфатазу, которая дефосфорилирует ОП, сиалопротеин и изменяет их:
■сродство к αγβ3-рецепторам остеокластов;
Активность остеокластов снижается, процесс резорбции замедляется.
Влияние остеопонтина на активность остеокластов. Рис.11.29 ——
Кальцитриол в несколько раз повышает экспрессию гена ОП и секрецию «зрелого» белка клетками.
Дата добавления: 2015-12-16 ; просмотров: 2378 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
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.
Читайте также: Трикотаж sewinglove ru ткани
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.
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: Ткани используемые для пошива кимоно
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