Биохимия костной ткани

Состав кости. Имеется несколько различных видов костей: трубчатые, губчатые и т.п.

Минеральная часть кости состоит главным образом из различных форм фосфатов кальция, кроме того включает карбонаты, фториды, гидроксиды и цитраты. В состав костей входит большая часть Mg²⁺, около 1/4 всего Na⁺организма и небольшая часть К⁺.

Кристаллы кости состоят из гидроксиапатитов, их приблизительный состав Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂. Кристаллы имеют форму пластинок или палочек размерами 8-15*20-40*200-400 Ǻ. Вследствие неорганической кристаллической структуры упругость кости сходна с упругостью бетона.

Функции минеральной фазы костной ткани:

1) составляет остов кости

2) придает прочность

3) придаёт форму

4) защитная

5) депо минеральных веществ

Неорганические компоненты составляют только около 1/4-1/3 объёма кости; остальной объём занимает органический матрикс. Однако удельные массы органических и неорганических компонентов кости различны, поэтому на долю нерастворимых минералов приходится 1/2 массы. При вымачивании кости в разведенных растворах кислот ее минеральные компоненты вымываются, и остается гибкий, мягкий, полупрозрачный органический остаток, сохраняющий форму кости.

Органический матрикс состоит из коллагена на 90%, неколлагеновых белков и протеогликанов.

1.Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном 1 типа,который входит также в состав сухожилий, кожи, дентина.

2.В кости и зубах есть неколлагеновые белки, как общие, так и специфичные (только для костной ткани или только для зубных тканей).

Остеокальцин – костный глутаминовый белок (gla-белок) – присутствует и в зубах. Он небольшой - 49 аминокислотных остатков, прочно связан с кристаллами гидроксиапатита и регулирует связывание Са²⁺ в костях и зубах. Для его синтезаостеобластам нужен витамин К, который способствует присоединению дополнительной карбокси-группы к глутаминовой кислоте (в радикальной части аминокислоты получается –СН₂–СН(СОО^–)₂). Приобретая дополнительный “-“ заряд, остаток глутаминовой аминокислоты становится способным прочно связывать Са²⁺. Синтезированный остеокальцин включается во внеклеточное пространство кости, однако небольшая его часть попадает в кровоток, где и может быть проанализирована (наборы ИФА). Активность остеобластов, продуцирующих остеокальцин, ингибируется высоким уровнем паратгормона (ПТГ), в результате снижается содержание этого белка в кости и крови.

Костный сиалопротеин, остеопонтин, остеонектин и другие костные белки также имеют кислую природу (содержат ГЛУ, АСП, фосфорилированные аминокислоты) что помогает их участию в минерализации.

3.Протеогликаныкости представлены, главным образом, большими ПГ, содержащими хондроитинсульфат, который очень важен для обмена веществ костной ткани. Он образует в комплексе с белками основное вещество кости, участвует в обмене Са²⁺. Хондроитинсульфат за счет своих сульфатных групп является полианионом и связывает Са²⁺, т.е. способен к активному ионному обмену. При его разрушении нарушается связывание Са²⁺.

Процессы образования и ремоделирования кости

Образование кости – сложный процесс с участием многих компонентов. Клетки мезенхимального происхождения – фибробласты и остеобласты – синтезируют и выделяют в окружающую среду сначала протеогликаны и гликозаминогликаны, образующие матрикс, а затем продуцируют фибриллы коллагена, которые проникают в матрикс и распределяются в нем.

Минеральные компоненты поступают из окружающей жидкости, которая "пересыщена" этими солями. Сначала происходит нуклеизация,т.е. образование поверхности с ядрами кристаллизации, на которой уже может легко происходить формирование кристаллической решетки. Образование кристаллов минерального остова кости запускают Са-связывающие белки на матрице коллагена. Электронномикроскопические исследования показали, что формирование минеральной кристаллической решетки начинается в зонах, находящихся в регулярных промежутках между коллагеновыми фибриллами (строение фибрилл со сдвигом на ¼ длины). Локализованные здесь первые кристаллы становятся центрами нуклеации для отложения гидроксиапатита в пространстве между коллагеновыми волокнами.

Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причем минерализация начинается в хряще, который состоит из коллагена, погруженного в протеогликановый матрикс

Протеогликаны повышают растяжимость коллагеновой сети и увеличивают степень ее набухания. По мере роста кристаллы вытесняют протеогликаны, которые деградируют под воздействием лизосомальных гидролаз. Вытесняется также и вода.

Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена. Коллаген составляет в ней 20% по массе.

В целом минерализация кости характеризуется взамодействием трех факторов.

1). Местное повышение концентрации ионов фосфата;

2). Адсорбция ионов Са²⁺;

3). Сдвиг рН.

1) щелочная фосфатаза играет большую роль в процессе окостенения. Она содержится как в остеобластах, так и остеокластах. Щелочная фосфатаза принимает участие в образовании основного органического вещества кости и минерализации. Одним из механизмов её действия является локальное увеличение концентрации ионов фосфора до точки насыщения, за которым следуют процессы фиксации кальций-фосфорных солей на органической матрице кости.

При восстановлении костной ткани после переломов содержание щелочной фосфатазы в костной мозоли резко увеличивается.

При нарушении костеобразования наблюдается уменьшение содержания и активности щелочной фосфатазы в костях, плазме и в других тканях.

При рахите, который характеризуется увеличением количества остеобластов с недостаточным обызвествлением основного вещества, содержание и активность щелочной фосфатазы в плазме крови увеличиваются.

2) включение Са²⁺ в кости является активным процессом. Это отчётливо доказывается тем, что живые кости воспринимают Са²⁺ более интенсивно, чем стронций. После смерти такой избирательности уже не наблюдается. Избирательная способность кости по отношению к кальцию зависит от температуры и проявляется только при 37^оС.

3) значение рН играет важную роль в процессе минерализации. При повышении рН фосфат кальция откладывается в костной ткани быстрее. В кости относительно много цитрата (около 1%), который влияет на поддержание рН.

После завершения образования кости (моделирования) костный матрикс подвергается постоянному обновлению (ремоделированию).

СТАДИИ МИНЕРАЛИЗАЦИИ КОСТНЫХ ТКАНЕЙ