Министерство здравоохранения



Pdf көрінісі
бет3/11
Дата24.07.2018
өлшемі5.09 Kb.
#80252
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
ГЛАВА 
2
 
БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНЙ. 
Для  выполнения  биологической  функции  некоторые  виды  соединительной  ткани 
должны обладать высокой механической прочностью. Это качество достигается благо-
даря высокому содержанию минеральных веществ. В организме человека различают 4 
вида минерализованных (твёрдых) тканей: кость (рис 2.1), цемент, дентин, эмаль. Пер-
вые три ткани - мезенхимального происхождения, а эмаль — эктодермального. Степень 
минерализации снижается в последовательности: эмаль > дентин > цемент > кость.  
 
Рис. 2.1 строение кости 
Твердые ткани состоят из следующих компонентов: 
  неорганические вещества (кристаллы-апатиты, аморфные соли и вода); 
  органическое основное вещество (преимущественно представленное в массивном 
матриксе); 
  клеточные элементы.  
Составные  части  минерализованных  тканей,  как  и  все  составные  элементы орга-
низма, находятся в постоянной перестройке, причем органические вещества и кристал-
лы  все  время  синтезируются  и  разрушаются.  Особенности  строения  кристаллов-
апатитов и содержание других минеральных соединений определяются видом твёрдой 
ткани (табл.2.1), топографической локализацией внутри ткани, возрастом и экологиче-
скими условиями. 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
30
Таблица 2.1 
Содержание основных компонентов в минерализованных тканях 
ткани 
минеральные компоненты/органические компоненты/вода 
в % к весу ткани 
в % к объему ткани 
Кость(компактная) 
45/30/25 
23/37/40 
Цемент 
61/27/1 
33/31/36 
Дентин 
70/20/1 
45/30/25 
Эмаль(зрелая) 
95/1/4 
86/2/12 
 
Костная ткань одновременно выполняет несколько функций: 
  структурно-опорную 
  механической защиты 
  депонирующую для многих макро- и микроэлементов 
  поддержание кислотно-основного равновесия внутренней среды. 
2.1 МИНЕРАЛЬНЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОСТНОЙ ТКАНИ. 
В таблице 2.2 показано, что неорганические составные компоненты костной ткани 
представлены главным образом кальцием, фосфатом и карбонатом. Из содержащихся в 
организме 2,2 кг кальция 99% сосредоточено в костях, там же находится 87% фосфора. 
При  усилении процессов резорбции, эти элементы легко мобилизуются и поступают в 
кровь,  где  их  концентрация  жестко  регулируется  и  составляет  2,1-2,6  ммоль/л  для об-
щего  Са
2+
  и  1-1,5  ммоль/л  для  фосфора.  Кроме  того,  значительную  часть  составляют 
магний, натрий и калий. В костной ткани сосредоточено 50% Mg
2+
 и 46% Nа
+
. Многие 
другие ионы содержатся в ничтожном количестве.  
Неорганические  вещества  кости  имеют  правильное  расположение  в  форме  кри-
сталлов апатитов шириной от 20 до 50 А и длиной до 500 А. Вследствие такого строе-
ния  образуется  огромная  поверхность  около  200  м
2
/г  костной  ткани,  которая  играет 
важную роль в составе и обмене веществ костной ткани. 
P
O
O
-
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
O
-
P
O
O
-
O
-
O
-
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
2OH
-
 
Рис. 2.2 Элементарная ячейка гидроксиапатита Ca
10
(PO
4
)
6
(OH)
2

 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
31
Общая формула апатитов: Са
10
 (РО
4
)
6
Х
2
, где Х представлен анионами ОН
-
 (гидро-
ксиапатит - ГАП) или другими. Состав идеального ГАП соответствует формуле десяти-
кальциевого  соединения:  Са
10
(Р0
4
)
6
(ОН)
2
  с  молярным  отношением  Са/Р  =  10/6  =  1,67, 
называемым молярным кальциево-фосфатным коэффициентом. У природных апатитов 
величина отношения Са/Р существенно колеблется: от 1,33 до 2,0. Это явление связано 
с  заменой  ионов  кристаллической  решетки  апатитов  другими  ионами,  сходными  по 
размеру (по ионному радиусу), заряду, валентности, поляризующим свойствам и т.д. 
Таблица 2.2 
Количественный состав макроэлементов в минерализованных тканях 
Элементы 
г/на 100 г ткани (грамм-проценты) 
Эмаль 
Дентин 
Цемент 
Кость (компактный 
слой трубчатой кости) 
Ca
2+ 
32-39 
26-28 
21-24 
24 
PO
4
3- 
16-18 
12-13 
10-12 
11 
CO
3
2- 
1,9-3,6 
3,0-3,5 
2,0-4,3 
3,9 
Na

0,25-0,9 
0,6-0,8 

0,8 
Mg
2+ 
0,25-0,56 
0,8-1,0 
0,4-0,7 
0,3 
Cl

0,19-0,3 
0,3-0,5 

0,01 
K

0,05-0,3 
0,02-0,04 

0,2 
фториды 
0,5 
0,1 

0,5 
Са/Р 
1,5-1,68 
1,6-1,7 
1,6-1,7 
1,6-1,7 
 
Апатиты  образуют  очень  стабильную  ионную  решётку  (точка  плавления  свыше 
1600 
0
  С)  в  которой  ионы  тесно  контактируют  между  собой  и  удерживаются  за  счет 
электростатических сил. Каждый катион окружен определенным количеством анионов 
(в зависимости от их размера), а анионы, в свою очередь, притягивают катионы. Таким 
образом, формирование ионной решётки происходит в соответствии с их размерами и 
величинами зарядов. Сравнение размеров и формы ионов фосфата, кальция, гидроксила 
показывает, что фосфат-ионы имеют наибольшие размеры и, следовательно, занимают 
в ионной решётке доминирующую долю в общей структуре. 
Согласно теоретическим расчётам фосфат-ионы имеют форму шара, поэтому упа-
ковка ионов представляет многослойную гексагональную структуру, в которой каждый 
фосфат-ион окружен 12 непосредственными соседями - ионами Са
2+
 и -ОН из которых 
6  ионов  принадлежат  тому  же  слою  ионов,  где  расположен  фосфат-ион,  а  по  3  иона 
расположены в выше- и нижележащих слоях ионов. 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
32
Между фосфат-ионами формируются каналы, в которых располагаются Са
2+
, -ОН 
и F
-
-ионы. Идеальный, или модельный ГАП образует кристаллы в виде гексагональных 
призм.  Анионы  могут  взаимно  обмениваться.  Фосфат  и  цитрат  относятся  к  анионам, 
которые связаны в костях описанным выше способом. На поверхности кристаллов апа-
тита может адсорбироваться значительное количество ионов. Очевидно, большое коли-
чество  карбоната  и  фосфата  связывается  путем  поверхностной  адсорбции.  В  составе 
кости могут возникать дальнейшие изменения вследствие обмена ионов и рекристалли-
зации.  Благодаря  процессам,  описанным  выше,  возникает  динамическое  равновесие  в 
неорганических  составных  частях  кости.  Обмен  минералов особенно  быстро  происхо-
дит  в  поверхностных  частях  кости  и,  в  частности,  сильно  выражен  в  губчатом  слое 
трубчатых  костей,  который  представляет  часть  кости  с  лабильным  активным обменом 
веществ. Этот обмен обеспечивается хорошим кровоснабжением. 
2.2 КЛЕТКИ. 
В  костях  среди  других  клеток  преобладают  остеобласты  и остеокласты,  которые 
соответственно осуществляют  построение  и  разрушение  костной  ткани  а  также остео-
циты – клетки «замурованные» в кальцифицированном межклеточном матриксе. 
2.3 ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КОСТИ. 
Биологическая роль белковой матрицы минерализованных тканей полностью еще 
не выяснена, но твердо установлено, что: 
   у  всех  млекопитающих  минерализация  осуществляется  только    на  белковой 
матрице;  
   кроме структурной, белки выполняют регуляторные функции: 
   стимулируют  митозы  предшественников  клеток  твердых  тканей    и  являются 
митогенами;  
   воздействуют  на  дифференцировку  и  созревание  клеток:  такие  вещества  на-
зываются морфогены;  
   осуществляют  межклеточные  взаимодействия,  прикрепление  клеток  к  меж-
клеточному матриксу, взаимосвязь органической основы с минеральными компо-
нентами - адгезины; 
  вызывают направленное движение клеток (хемотаксис) – хемоаттрактанты 
Органическое вещество костей состоит примерно на 90%-95% из коллагена I ти-
па, от 3% до 8% массы приходятся на неколлагеновые белки кости и фосфолипиды, 1% 
составляют  кислые  и  нейтральные  гликозаминогликаны,  которые  в  качестве  скреп-
ляющей субстанции располагаются между ГАП. Хондроитинсульфат играет централь-
ную роль в обмене веществ костей. Он образует с белками основное вещество костей и 
имеет большое значение в обмене кальция. Костная ткань обнаруживает относительно 
большое  количество  цитрата  (1%).  Снабжение  костной  ткани  осуществляется  крове-
носной системой. Доставка веществ происходит по гаверсовым каналам и лакунам. 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
33
Прочностные  свойства  костной  ткани  определяются  совокупностью  трех  компо-
нентов:  коллаген  -  прочность,  протеогликаны -  эластичность,  кристаллы  гидроксиапа-
титов  -  жесткость.  Таким  образом,  кость  (а  также  дентин  и  цемент)  организована  на 
подобие  железобетона:  коллаген  и  протеогликаны  выполняют  роль  арматуры,  а  ГАП 
роль  бетона.  Действительно,  по  ряду  характеристик  (устойчивость  к  разрыву,  модуль 
упругости и др.) кость сопоставима с железобетоном или даже превосходит его. 
1 Белки 
Коллаген составляет приблизительно 90% органического матрикса кости. Колла-
геновый состав кости в определенной степени необычен тем, что фактически представ-
лен только коллагеном I типа (КЛ1), хотя следы других типов коллагена, таких как V, 
XI  и  XII,  все же определяются.  На  самом  деле  не  исключено,  что  эти  типы  коллагена 
принадлежат другим тканям, которые хотя и находятся в костной ткани, но не входят в 
состав костного матрикса. Например, V тип коллагена, обычно обнаруживаемый в со-
судах, которые пронизывают кость, невозможно обнаружить до того, как будет осуще-
ствлена экстракция белков. Тип XI находится в хрящевой ткани и может соответство-
вать остаткам кальцифицированного хряща. Источником коллагена XII типа на самом 
деле могут быть "заготовки" коллагеновых фибрилл. В костной ткани коллаген I типа 
имеет ряд особенностей: в нем меньше поперечных связей, чем в других видах соеди-
нительной ткани, и эти связи формируются посредством аллизина. Еще одним возмож-
ным отличием является то, что М-терминальный пропептид коллагена I типа фосфори-
лирован, а также то, что этот пептид сохраняется (по крайней мере, частично) в мине-
рализованном матриксе. Такая посттрансляционная модификация проколлагена, в дру-
гих видах соединительной ткани пока не выявлена.  
Коллаген  I  типа  способен  участвовать  в  минерализации,  образуя  комплексы  с 
ГАП, только в составе костной ткани, дентина и цемента (в сухожилиях, коже – колла-
ген I типа не минерализуется). Эти различия в свойствах коллагена I типа разных тка-
ней определяются наличием в минерализующихся тканях особых неколлагеновых регу-
ляторных белков и ферментов. 
В  жидкости,  заполняющей  лакунарно-канальцевую  систему,  циркулируют  фер-
менты,  секретируемые  остеобластами  (щелочная  фосфотаза,  пирофосфатаза)  и  остек-
ластами  (кислая  фосфатаза,  карбангидраза,  коллагеназа  и  другие  лизосомальные  фер-
менты). 
Наиболее  важные  неколлагеновые  белки  (НКБ)  костного  матрикса  синтезиру-
ются  остеобластами  и  остеоцитами,  являются  гликопротеидами  или  гликофосфопро-
теидами и выполняют роль регуляторов короткодистантного действия. Это - морфоге-
нетические  белки  кости  (МБК),  фактор  роста  скелета  (ФРС),  костноэкстрагируемые 
факторы роста (КЭФР), остеонектин (ОСН), остеокальцин (ОК) и остеопонтин (ОП). 
а)Остеонектин  (ОСН)  -  гликопротеин,  богатый  аминокислотами:  ГЛУ,  АСП, 
АРГ,  радикалы  которых  пространственно  сближены.  ОСН  —  адгезин,  связывающий  
(через  углеводный  компонент)  КЛ1  и  ГАП.  ГАП  фиксируется  ионными  связями  через 
Са
2+
 с радикалами АСП и ГЛУ и ионными (по некоторым данным фосфамидными) свя-

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
34
зями через Р0
4
3-
 с радикалами АРГ. Таким образом, ОСН образует центры кристаллиза-
ции. ОСН секретируется зрелыми остеобластами и функционально активными остеоци-
тами. Поэтому по количеству ОСН  в кости можно судить о степени дифференцировки 
костных клеток. 
б)Остеокалъцин занимает второе место среди НКБ (10-20%), синтезируется в ос-
теобластах  и  остеоцитах,  располагается  в  этих  же  клетках,  а  также  в  межклеточном 
матриксе. OK - низкомолекулярный кислый белок, состоящий из 49 аминокислот, среди 
которых  3  представлены  -карбоксиглутаминовой  кислотой  (-ГЛУ).  Образование  ра-
дикалов γ-ГЛУ происходит во время посттрансляционной модификации проостеокаль-
цина.  Реакцию  катализирует  витамин  K
1
-зависимый  фермент  -  глутамилкарбоксилаза, 
использующий витамин K
1
 в качестве кофактора и требующий для протекания реакции 
О
2
 и СО
2

В ходе реакции СО
2  
под действием фермента присоединяется к радикалу ГЛУ, в γ 
положении  с  образованием  γ-ГЛУ.  При  этом  витамин  К
1
  (гидрохинон)  окисляется  в 
филлохинон-2,3-эпоксид, который в последующих реакциях восстанавливается в вита-
мин К
1
 (гидрохинон) в два этапа. 
Наличие  дополнительной  –  СОО
-
  группы  в  γ-ГЛУ  обеспечивает  ей  способность 
активно связывать Са
2+
. Другие Ме
2+
 тоже способны связывать с ОК, но с разной степе-
нью сродства (Ca
2+
 > Mg
2+
> Sr
2+
> Ba
2+
). 
 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
35
Таблица 2.3 
Неколлагеновые белки костной ткани 
Белок 
Мг 
Отличительные признаки  
Гликопротеины 
Остеонектин  
43 000 –  
46 000* 
32 000** 
Гликозилированный,  фосфорилированный  протеин; 
множественная низкая аффинность к Са
2
 
Щелочная  фос-
фатаза 
S-S димер, 
50 000 –  
80 000* 
Связывание Са
2+
 
BAG-75 
75 000 
Содержит  60%  углеводов  (7%  -  сиаловая  кислота),  8% 
фосфатов 
Белки, содержащие RGD 
Тромбоспондин 
S-S три-
мер, 150 
000 
Связывание Са
2+
 и гидроксиапатита, сайты связывания 
такие же, как у фибронектина; связывается с остеонек-
тином; клеточная адгезия  
Фибронектин 
S-S димер, 
250 000 
Сайты  связывания  с  поверхностью  клеток,  фибрином, 
гепарином,  бактериями,  желатином,  коллагеном,  ДНК; 
начальное прикрепление клеток 
Витронектин 
70 000 
Связывается со многими белками матрикса и сыворот-
ки, ответственными за прикрепление клеток 
Остеопонтин  
45 000 –  
75 000* 
41 500** 
Содержит  N-  и  О-связанные  олигосахариды,  фосфосе-
рин и тирозин, участвует в прикреплении клеток 
Костный 
сиало-
протеин 
~75 000* 
33 500** 
Содержит  50%  углеводов  (12%  -  сиаловая  кислота);  у 
некоторых видов происходит сульфатирование тирози-
на; участвует в прикреплении клеток 
Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту 
Gla-протеин  мат-
рикса 
15 000 
Одна внутримолекулярная связь S-S, 5 остатков gla 
Остеокальцин 
12 000 –  
14 000* 
5 800** 
Одна  внутримолекулярная  связь  S-S,  3-5  остатков  gla, 
связывание с гидроксиапатитом, зависимое от gla 
Mr - относительная молекулярная масса.  
S-S - дисульфидная связь.  
Gla - гликозоамины 
*Определено с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии доде-
цилсульфата натрия.  
**Для полипептида. 
 
Связанный с Са
2+
 остеокальцин является фактором хемотаксиса для остеокластов. 
Предполагается что связывание Са
2+
 так изменяет конформацию ОК, что он становится 
способным  взаимодействовать  с  фосфолипидами  мембран  клеток.  Следовательно,  вы-
зывать хемокинез всех подвижных клеток, попадающих в кость. Эта гипотеза подтвер-
ждается тем, что ОК действительно «привлекает» не только остеокласты, но и их пред-
шественники - моноциты, а так же другие макрофаги. 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
36
Блокирование  реакции  γ-карбоколлирования  остеокальцина  варфарином  (антаго-
нист витамина К) лишает этот белок биологических свойств. 
Предполагаются две основные функции остеокальцина: 
  Предохранение кости от избыточной минерализации. 
  Запуск  процессов  ремоделирования  кости  по  схеме:  старый  остеодит  →  секреция 
остеокальцина → хемотаксис остеокластов → резорбция → остеогенез → молодой ос-
теоцит. 
Концентрация  остеокальцина  в  крови  является  показателем  интенсивности  мета-
болизма кости. 
в)Костный сиалопротеин составляет 5% от всех НКБ кости, синтезируется в ос-
теобластах,  остеоцитах,  остеокластах  и  представляет  собой  кислый  гликопротеин  с 
большим содержанием сиаловых кислот. КСП выполняет функции: 
  гликопротеина, связывающего клетки с КЛ1; 
  фактора резорбции матрикса кости. 
г)Ocmeoпонтин  -  кислый гликопротеин,  содержащий  сиаловые  кислоты;  обнару-
жен в остеобластах и остеоцитах. Основная роль ОП - адгезия клеток кости с ГАП, ко-
торая  опосредуется  пентапептидом:  ГЛУ-АРГ-ГЛИ-АСП-СЕР,  локализованном  в  цен-
тре  белковой  молекулы.  ОП  связан  также  с  мембранными  рецепторами  остеокластов, 
регулирует их активность и, соответственно, процессы резорбции костной ткани. Наря-
ду с отмеченными свойствами ОП, установлено, что увеличение содержания м-РНК ОП 
сопровождается метастазированием опухолей костной ткани, что, как полагают, связа-
но  с  изменением  адгезивных  свойств  клеток  под  влиянием  ОП  и  активацией  процесса 
инвазии. 
д)Морфогенетический белок кости (Gla-протеин матрикса) - олигомерный белок, 
выделяемый разрушающимися остеоцитами и содержащий 4 или 5 протомеров с моле-
кулярной массой: 32, 24, 17,5, 14, 1,5-2,0 кДа. Протомер 17,5 кДа обладает морфогене-
тической активностью. Это - кислый гликофосфопротеин, богатый СЕР и ГЛИ, содер-
жащий  3  дисульфидные  связи,  восстановление  которых  вызывает  его  инактивацию. 
Морфогенетический эффект протомера 17,5 кДа, называется остеоиндукцией, в физио-
логических условиях проявляется в его действии на перициты (клетки, локализованные 
вдоль  сосудов),  вызывающем  их  дифференцировку  в  скелетогенные  клетки.  Остеоин-
дукция подтверждена экспериментально путем эктопического введения протомера 17,5 
кДа  в  мышцы,  переднюю  камеру  глаза,  под  капсулу  почек.  В  месте  введения  через  7 
дней  возникает  хрящ,  который  через  15  дней  замещается  костью,  а  спустя  40-60  дней 
формируется сферическая кость с костным мозгом внутри.  
Действие протомера 17,5 кДа в значительной степени зависит от комплексирова-
ния с другими протомерами (32, 24, 14 кДа): 
  комплекс 17,5 +32 кДа - биологически инертен; 
  комплекс 17,5 + 24 кДа - биологически активен, гидрофобен, устойчив к действию 
протеиназ; 

Б и о хи м ия   ко с тн о й  т ка н и.  
 
37
  комплекс 17,5+14 кДа - гидрофилен и действует на большем расстоянии, чем один 
протомер 17,5 кДа (радиус действия последнего ~ 400 нм).  
Протомер 14 кДа содержит γ-ГЛУ. Гидрофильные свойства самого протомера 14 
кДа, а также комплекса (17,5 +14 кДа ) связывают с наличием радикала γ-ГЛУ, содер-
жащего  2  карбоксильные  группы  и,  особенно,  с  присоединением  к  радикалу  γ-ГЛУ 
Са
2+

Протомер-пептид, с М.м. 1,5-2,0 кДа, богатый ГЛИ, занимает особое положение: 
может входить в состав олигомерного белка - МБК, но возможно существуeт самостоя-
тельно и называется ингибитором остеоиндукции (ИО). 
е)Фактор роста скелета(ФРС) - термо- и рН-стабильный белок. Легко гидроли-
зуется кислыми протеиназами. Оказывает двойное регуляторное влияние: 
  митогенное - стимулирует деление скелетогенных клеток; 
  морфогенное  -  вызывает  дифференцировку  скелетогенных  клеток  в  остеогенные. 
Действие ФРС на клетки-мишени индукционное (клетка переходит в активное состоя-
ние после кратковременного контакта с белком). 
ж)Костнотноэкстрагируемые факторы роста(КЭФР) - два гликопротеина, взы-
вают  митогенный  эффект  у  остеогенных  клеток  контактным  способом  (митозы  про-
должаются, пока КЭФР связан с мембраной). 
2.Нуклеиновые кислоты 
В костной ткани представлены оба вида нуклеиновых кислот, но количество РНК 
превышает содержание ДНК в 1,5-2,0 раза. Интенсивность образования органического 
матрикса  костной  ткани  коррелирует  с  концентрацией  РНК в остеобластах,  поскольку 
количество РНК в клетках отражает активность их биосинтетических процессов. 
3 Липиды 
Среди липидов костной ткани наибольшее значение имеют глицерофосфолипиды 
(ГФЛ). Значительное количество ГФЛ содержится в остеобластах, активно их синтези-
рующих,  и  экскретирующих  во  внеклеточное  пространство.  Находящиеся  в  молекуле 
ГФЛ остаток фосфорной кислоты или –СОО
-
 группа заряжены отрицательно и способ-
ны присоединять Са
2+
. Считается, что именно ГФЛ играют ведущую роль: 
   в начальных этапах минерализации, связывая Са
2+

  в реализации непрерывного роста кристаллов ГАП; 
  в осуществлении функции посредников для комплексирования ГАП с белко-
вой матрицей по схеме:  
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11




©stom.tilimen.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет