Химический состав костной ткани

В компактной кости: 20% - органический матрикс, 70% - неорганические вещества, 10% - вода. В губчатой кости: более 50% - органические компоненты, 33 – 40% - неорганические соединения, 10% - вода.

Неорганический состав костной ткани. В организме человека ~ 1 кг кальция, 99% его находится в костях и зубах. Большая часть Са в костях постоянно обновляется: за сутки кости скелета теряют и опять получают ~ 700 – 800 мг Са. Неорганические компоненты костной ткани представлены:

1) кристаллами гидроксиапатита Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, которые имеют форму пластин или палочек;

2) аморфным фосфатом Са – Са₃(РО₄)₂, который считается лабильным резервом ионов Са и Р.

В раннем возрасте преобладает Са₃(РО₄)₂, а в зрелой кости – гидроксиапатит.

3) Na⁺, Mg²⁺, K⁺, Cl^- и др.

Органический матрикс костной ткани: ~95% - коллаген типа I. В нем много свободных ε-NH₂-групп Лиз и оксилизина, а также связанных с остатками Сер фосфатов. Количество протеогликанов в зрелой плотной кости невелико. Среди гликозамингликанов преобладает хондроитин-4-сульфат и меньше содержится хондроитин-6-сульфата, кератансульфата и гиалуроновой кислоты; они участвуют в оссификации. Много цитрата (до90% от общего количества в организме): возможно, цитрат образует комплексные соединения с солями Са и Р и тем самым повышает концентрацию их в ткани до такого уровня, при котором начинается кристаллизация и минерализация.

В течение всей жизни организма продолжается постоянная перестройка костной ткани. Считают, что костная ткань скелета человека почти полностью перестраивается каждые 10 лет. Метаболизм костной ткани, поступление, депонирование и выведение Са и Р регулируются паратирином, кальцитонином, кальцитриолом (1,25(ОН)₂-Д₃) (повторить!). Паратирин активирует остеокласты, минеральные (в 1-ую очередь Са) и органические компоненты поступают в кровь. Кальцитонин подавляет активность этих клеток, и скорость формирования кости растет. При недостатке витамина Д, участвующего в синтезе Са-СБ, замедляется формирование новых костей и ремоделирование (обновление) костной ткани. Хронический избыток вит.Д ведет к деминерализации костей. Вит.А: при недостаке прекращается рост костей из-за, вероятно, нарушения синтеза хондроитинсульфата; при гипервитаминозе – резорбция кости и переломы. Вит.С нужен для гидроксилирования Про и Лиз; при недостатке: 1) образуется ненормальный коллаген, процессы минерализации нарушаются; 2) нарушается синтез гликозамингликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани повышается в несколько раз, а синтез хондроитинсульфата замедляется.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗУБА.

Твердая часть зуба представлена эмалью, дентином и цементом. Полость зуба выполнена рыхлой соединительной тканью – пульпой.

Эмаль –

самая твердая ткань в организме человека, что обусловлено высоким содержанием в ней неорганических веществ (до 97%). Здоровая эмаль содержит 1,2% органических веществ и до 3,8% воды, которая может быть свободной и связанной (в виде гидратной оболочки кристаллов апатитов).

Минеральную основу составляют кристаллы апатитов:

- гидроксиапатит – 75%,

- карбонатапатит – 19%,

- хлорапатит – 4,4%,

- фторапатит – 0,66%,

- неапатитные формы – менее 2%.

Общая формула апатитов: А₁₀(ВО₄)Х₂, где

А – Ca, Cr, Ba, Cd, Mg;

B – P, As, Si;

X – F, OH, Cl, CO₃^2-.

Кристаллы разных зубов неодинаковы; кристаллы эмали ~ в 10 раз больше кристаллов дентина и кости. Состав апатитов может меняться. “Идеальный” апатит - Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, т.е. десятикальциевый, где отношение Са/Р = 1,67. Это отношение может меняться от 1,33 до 2,0, т.к. возможно протекание реакций замещения:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + Mg²⁺ → Са₉Mg(РО₄)₆(ОН)₂ + Cа²⁺

Такое замещение является неблагоприятным, т.к. снижает резистентность эмали. Другое замещение, наоборот, к образованию вещества с большей резистентностью к растворению:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + F^- → Са₁₀(РО₄)₆ F(ОН) + ОН^-

гидроксифторапатит

Однако при воздействии высоких концентраций F на гидроксиапатит реакция идет по-другому:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 20 F^- → 10 СаF₂ + 6 РО₄^3- + 2 ОН^-

Образовавшийся фторид Са быстро исчезает с поверхности зубов.

В кристаллической решетке гидроксиапатитов могут быть вакантные места, что повышает способность кристаллов к поверхностным реакциям. Н-р, если десятикальциевый гидроксиапатит имеет общий нейтральный заряд, то восьмикальциевый гидроксиапатит заряжен отрицательно: (Са₈(РО₄)₆(ОН)₂)^4- и способен связывать противоионы.

Каждый кристалл гидроксиапатита покрыт гидратной оболочкой (~1 нм). Проникновение различных веществ в кристалл гидроксиапатита идет в 3 стадии:

1 стадия – ионный обмен между раствором, омывающим кристалл, и гидратной оболочкой, в которой в результате могут накапливаться фосфат, карбонат, цитрат, Са, Sr. Некоторые ионы (К⁺, Cl^-) могут легко входить в гидратный слой и покидать его, другие ионы (Na⁺, F^-), наоборот, проходят в кристалл гидроксиапатита. 1-ая стадия – очень быстрый процесс, длится несколько минут, в основе – процесс диффузии;

2 стадия – обмен ионами между гидратной оболочкой и поверхностью кристалла гидроксиапатита. Протекает медленнее (несколько часов). Поверхностно расположенные ионы кристалла отрываются, уходят в гидратную оболочку, на их место встают другие, из гидратного слоя. В поверхность кристалла гидроксиапатита проникают фосфат, Са, F, карбонат, Sr, Na;

3 стадия – внедрение ионов с поверхности вглубь кристалла, т.е. внутрикристаллический обмен. Внутрь кристалла могут проникнуть Са, Sr, фосфат, F. Течет долго, дни – месяцы.

Т.о., кристаллы гидроксиапатита нестабильны, их состав и свойства изменяются в зависимости от раствора, омывающего кристалл. Это используется в практической стоматологии.

Большая часть кристаллов гидроксиапатита в эмали определенным образом ориентирована и упорядочена в виде более сложных образований – эмалевых призм, каждая из которых состоит из тысяч и миллионов кристаллов. Эмалевые призмы собраны в пучки.

Органические вещества эмали представлены белками, пептидами, свободными аминокислотами (Гли, Вал, Про, Опр), жирами, цитратом, углеводами (галактоза, глюкоза, манноза, глюкуроновая кислота, фукоза, ксилоза).

Белки эмали делят на 3 группы:

I – водорастворимые белки; молекулярная масса – 20000, не свзываются с минеральными веществами;

II – кальций-связывающий белок (Са-СБ): молекулярная масса 20000; 1 моль Са-СБ может связывать 8 – 10 ионов Са и образовывать в нейтральной среде нерастворимый комплекс с Са²⁺по типу ди-, три- и тетрамеров массой 40 - 80 тыс. В образовании агрегатов Са-СБ с Са участвуют фосфолипиды. В кислой среде комплекс распадается;

III – белки, не растворимые в ЭДТА и HCl (даже в 1N р-ре). Нерастворимые белки эмали по аминокислотному составу похожи на коллаген, но не идентичны ему: в белке эмали меньше, чем в коллагене, Про и Гли, почти нет Опр, но много связанных с ним углеводов.

Роль белка: 1) окружая апатиты, белок предотвращает контакт кислоты с ними или смягчает ее влияние, т.е. задерживают деминерализацию этого слоя;

2) являются матрицей для минерализации и реминерализации (в механизме биологического обызвествления).

Предложена функционально-молекулярная модель строения эмали, в соответствии с которой молекулы Са-СБ, соединенные между собой кальциевыми мостиками, формируют трехмерную сетку; Са при этом может быть свободным или входить в структуру гидроксиапатита. Эта сетка через Са крепится к остову (каркасу, мягкому скелету эмали), который формируется нерастворимым белком. Функциональные группы Са-СБ, способные связать Са, а это фосфат в составе или фосфосерина или фосфолипидов, связанных с белком; СООН-группы Глу, Асп, аминоцитрата, служат центрами (точками) нуклеации при кристаллизации. Т.о., белки обеспечивают ориентацию в ходе кристаллизации, строгую упорядоченность, равномерность и последовательность формирования эмали. Степень минерализации зависит от саливации, кровоснабжения, пересыщенности Са²⁺ и фосфатом, от рН среды и т.д.

Дентин

составляет основную массу зуба. (Коронковая часть зуба покрыта эмалью, корневая – цементом). Состав: до 72% - неорганические вещества (главным образом, фосфат, карбонат, фторид кальция), ~ 28% - органические вещества (коллаген) и вода. Дентин построен из основного вещества и проходящих в нем трубочек, в которых находятся отростки одонтобластов и окончания нервных волокон, проникающих из пульпы. Основное вещество содержит собранные в пучки коллагеновые волокна и склеивающее вещество, в котором имеется большое количество минеральных солей. Процесс образования дентина происходит в течение всего периода функционирования зуба при наличии жизнеспособной пульпы. Дентин, образующийся после прорезывания зуба, называют вторичным. Он характеризуется меньшей степенью минерализации и большим содержанием коллагеновых фибрилл. По дентинным трубочкам может циркулировать дентинная жидкость и поступать питательные вещества. Межканальцевое вещество представлено кристаллами гидроксиапатита, имеет высокую плотность и твердость. В цитоплазме одонтобластов много фибрилл, есть свободные рибосомы, липидные гранулы.

Цемент:

68% - неорганические вещества (преобладают фосфат и карбонат Са), 32% - органические вещества (главным образом коллаген) и вода. Клеточный цемент (расположен в верхушечной части корня и в области бифуркации корней) по составу и строению напоминает грубоволокнистую кость, содержит цементоциты. Бесклеточный цемент (покрывает остальную часть корня) не содержит цементоцитов и состоит из коллагеновых волокон и аморфного склеивающего вещества. В течение жизни постоянно происходит отложение цемента; при некоторых заболеваниях (пародонтит, периодонтит), повышении нагрузки на зуб – гиперцементоз.