Биохимия костной ткани

БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ.

Костная ткань — это особый вид соединительной ткани, включающий компоненты органической и неорганической природы, выполняющий функцию депо Са (99%). Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. Основные особенности кости — твердость, упругость, механическая прочность.

Состоит из клеток и костного матрикса (межклеточного вещества). Костный матрикс составляет 50% сухого "веса и состоит из неорганической (50%) и органической (25%) частей и Н2О (25%).

Неорганическая часть в значительном количестве содержит Са (25%) и Р (50%), образующие кристаллы гидроксиапатита, а также другие компоненты: бикарбонаты, цитраты, соли Mg2+, K+, Na+ и др.

Органическая часть образована коллагеном, неколлагеновыми белками, гликозаминогликанами (хондроитинсульфат, кератан-сульфат).

Собственно костные неколлагеновые белки представлены сиалопротеинами, протеогликанами, фосфопротеинами и сложным белком, содержащим углеводный компонент и ортофосфат. От правильного набора матриксных белков, особенностей строения, а также специфического аминокислотного состава зависит отложение гидроксиапатита, создавая необходимую концентрацию Са для процесса минерализации.

Сиалопротеины имеют молекулярную массу 70000. 50% — это углеводы, 12% -сиаловая кислота. Большинство углеводов — это олигосахариды (фруктоза, галактоза, глюкоза, манноза, пентоза, галактозамин). До 30% серина и другие аминокислоты: аспарагиновая и глутаминовая, ковалентно связанные с фосфатом. Присутствие этого белка обеспечивает:

— клеточное прикрепление;

— связывание катионов.

Неколлагеновых белков в костной ткани около 200, они составляют 3-5% от ее массы или 15-17% от массы ее деминерализованного и высушенного внеклеточного органического матрикса. Все они участвуют в процессах обеспечения гистогенеза, самоподдержания, иммунологические свойства на протяжении всей жизни и репарации костной ткани.

Кальций-связывающие белки костной ткани.

Остеонектин — молекулярная масса 32 кДа. Он имеет кальций-связывающие участки, образованные сиаловыми кислотами и ортофосфатом, придающие возможность взаимодействия с коллагеном и избирательно с гидроксиапатитом. Он поддерживает в присутствии коллагена осаждение Са и РО43-.

Остеопонтин — молярная масса 41,5 кДа, богат дикарбоновыми аминокислотами и фосфосерином, 30 остатков моносахаридов, 10 остатков сиаловых кислот. Он способен фиксировать остеобласты в участках физиологического и репаративного костеобразования. Его синтез резко возрастает во время трансформации вирусов.

Остеокалъцин — это гла-содержащий протеин.

Дело в том, что костная, как и другие ткани, содержит белки, которые подвергаются посттрансляционной модификации с помощью витамин К-зависимых ферментов, в результате чего образуются остатки у-карбоксилглутаминовой кислоты (gla). Модифицированная таким образом аминокислота придает белкам способность связывать Са2+ с помощью расположенных по соседству карбоксильных групп. Молекула этого белка состоит из 49 аминокислотных остатков (в 17-ом, 21-ом, 24-ом положениях — остатки у-карбоксилглутаминовой кислоты). Роль их — связывать кристаллы гидроксиапатита и тем самым способствовать их накоплению в ткани.

Синтез остеокальцина зависит не только от витамина К, но и D, что подчеркивает его связь с процессом минерализации.

gla-протеин-матрикса (молекулярная масса — 15000 ). Он сохраняется в матриксе кости после деминерализации, в отличие от остеокальцина, который легко экстрагируется в этот период. Остатков у-карбоксилглутаминовой кислоты до шести. Он связывает минеральные кристаллы и легко растворимый в воде костный морфогенетический белок, доставляя его к клеткам-мишеням.

Протеин-S — синтезируется в печени, участие в метаболизме костной ткани доказывается фактом изменения скелета у пациентов с дефицитом этого белка. Но, еще невыясно, каким типом клеток костной ткани он синтезируется.

Протеогликаны — класс сложных соединений, состоящих из различных белков, содержащих олигосахариды, связанные с гликозаминогликанами (хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарин). Среди них различают:

Большой хондроитинсульфатсодержащий протеогликан. Предполагается, что этот протеогликан «захватывает пространство», которое должно стать костью, благодаря большому содержанию сульфата, в гидротированном состоянии способен занимать значительный объем пространства.

Декорин и бигликан очень сходны по строению, соответственно имеют один или два гликозаминогликана, белковая часть содержит 24 аминокислотных остатка, богатых лейцином. Несмотря на биохимическое сходство, эти белки отличаются по локализации. Локализация более распространенного декорина совпадает с расположением коллагена, что соответствует его функции «отделывать» молекулы коллагена и регулировать диаметр фибрилл. Бигликан сохраняется в матриксе.

К настоящему времени выделено много других типов протеогликанов, но это в основном белки клеточной поверхности, роль которых мало изучена.

На долю альбумина приходится большая часть неколлагеновых белков. По иммунологическим свойствам идентичен сывороточному.

Углеводы играют огромную роль в жизнедеятельности костной ткани, в процессах ее образования. На долю гликогена приходится 50-80мкг на 1г влажной ткани. Присутствие гликогена — необходимое условие процесса минерализации, он концентрируется главным образом на месте будущего центра минерализации. В костной ткани с большой интенсивностью протекают процессы гликолиза и пентозофосфатного пути.

Уровень нуклеиновых кислот зависит от функциональной активности. В покоящихся остеобластах количество РНК невелико, тогда как в пролиферирующих и гипертрофированных клетках повышено. Отмечено снижение содержания РНК при превращении остеобластов в остеоциты. ДНК находится в ядрах преостеобластов, остеобластов и остеокластов. Высокое содержание РНК отражает их активную и постоянную биосинтетическую функцию: образование большей массы костного матрикса.

Липиды играют важную роль в процессе минерализации и транспорта ионов через мембраны. Преобладают полярные липиды: фосфатидилхолин,

фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин. Всего 0,61% липидов на сухую массу ткани.

Основная органическая кислота, находящаяся в костной ткани — цитрат. Её содержание в 230 раз превышает концентрацию в печени и достигает 90%. Активность цитратсинтетазы значительно выше активности ферментов, принимающих участие в распаде лимонной кислоты, а она, накапливаясь, принимает участие в регуляции уровня Са в сыворотке крови. Причем лимонная кислота находится в двух формах:

1. растворимой — принимает участие в цикле трикарбоновых кислот;

2. нерастворимой — неактивной, входящей в состав минерального компонента костной ткани.

В костной ткани активно преобладают метаболические процессы. Характерная особенность — аэробный гликолиз. Потребление глюкозы как в аэробных, так и в анаэробных условиях остеогенными клетками значительно больше, чем клетками печени, мышц и других органов.

Структура и функции костной ткани поддерживаются специфическими ферментами, синтезирующими и расщепляющими макромолекулярные компоненты органического матрикса кости и ферментами общих метаболических путей, снабжающих костные клетки энергией. Ферментам принадлежит важная роль в процессах минерализации и резорбции кости.

Следует отметить специфическую локализацию ферментов. В остеокластах проявляется более высокая активность дегидрогеназ, кислой фосфатазы, аминопептидазы, по сравнению с другими клетками. В то же время остеокласты не содержат щелочной фосфатазы. Высокая активность аденилатциклазы, пируваткиназы, фосфотрансфераз в зонах роста, где протекают процессы кальцификации.

Активность окислительных ферментов, таких как цитохромоксидаза, каталаза значительно ниже, чем, например, печени. Щелочная фосфатаза локализованная главным образом в остеобластах, в остеокластах вообще не обнаружена. Содержание этого фермента и его активность резко повышается в определенные сроки переломов кости, рахите и других патологий.

Кислая фосфатаза сосредоточена в остеокластах. Она непосредственно участвует в резорбции кости, осуществляя расщепление органических эфиров фосфорной кислоты с освобождением фосфатных ионов. Таким образом, кислая фосфатаза — лизосомный фермент и ее главная функция заключается в катаболизме, тогда как щелочная — принимает участие в процессах минерализации.

Основной белок костной ткани — коллаген, который содержится в количестве 15% — в компактном веществе, 24% — в губчатом веществе.

Костный коллаген — коллаген I типа — в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген — это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани.

В процессе жизнедеятельности костной ткани между ее компонентами и неорганическими ионами плазмы крови постоянно осуществляется обмен.

Костная ткань является депо минеральных компонентов, буферной системой, участвующей в поддержании концентрации ряда ионов. Она быстро поглощает из крови введенный Са, также быстро, за короткое время содержание Са в ней уменьшается на 20%.в костной ткани обнаруживаются различные соединения Са: кальцийфосфат, карбонат кальция, соединения с Cl, F.

Структура решетки неорганических кристаллов кости соответствует структуре кристаллов гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 — это часть минеральной фазы кости, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция. Он представляет плотную некристаллическую субстанцию в виде аморфных гранул, имеющих вид овалов или кругов, диаметром 5,0-20,0 нм. Является важным компонентом костной ткани, и его присутствие не зависит от анатомического строения кости, но подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Эта фаза преобладает в раннем возрасте, в зрелой же кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит. Образование костной соли отражается общим уравнением:

5Ca2+ + 3HPO42- +4OH- → Ca5(PO4)3OH + 3H2O

Растворению костной ткани способствует локальное повышение кислотности среды. При небольшом повышении содержания протонов водорода кость начинает растворяться, отдавая вначале катионы кальция:

Ca5(PO4)3OH + 2Н+ → Ca4Н(PO4)3 + Ca2+ + H2O

При большей кислотности среды происходит полный ее распад:

Ca5(PO4)3OH + 7Н+ → 3Н 2PO4- + 5Ca2+ + H2O

Гидролиз аморфного кальцийфосфата обеспечивает постоянную концентрацию кальция в интерстициальной жидкости костной ткани.

В настоящее время известно более 30 микроэлементов: Си, Sr, Zn, Ba, Al, Be, Si, F и другие. Они необходимы для жизнедеятельности отеогенных клеток в процессе оссификации и декальцинации.

Обызвествление костной ткани и ее декальцинации находятся в тесной зависимости от содержания микроэлементов. Так, Sr и V способствуют обызвествлению, a Zn и Ва участвуют в регуляции процесса декальцинации. Mg активирует ряд ферментов, в частности, щелочную фосфатазу, участвующую в процессе минерализации.

Особого внимания заслуживает Sr. Его химические свойства близки к Са. Sr конкурирует с Са за место в кристаллической решетке, однако Sr удерживается в меньшей степени, чем Са, в том случае, если в рационе преобладает Са. При дефиците же Са в рационе Sr поглощается организмом в значительно больших количествах, чем в норме. Длительное поступление избыточных количеств Sr ведет к замещению им ионов Са в кристаллической решетке гидроксиапатита, в результате чего кости деминерализуются и деформируются.

В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия. Минерализация — это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии (в форме АТФ), регулируемой многими факторами, включая ферменты, гормоны, витамины.

Решительный поворот в изучении минерализации начался с 1923г., вскоре после открытия в костной ткани фермента щелочной фосфатазы. Английский биохимик Р.Робинсон высказал предложение, что фосфорнокислый кальций откладывается там, где действует этот фермент. Однако щелочная фосфатаза содержится во многих тканях, не подвергающихся минерализации, и для того, чтобы произошло обызвествление необходимы другие факторы.

Позднее было доказано участие многих факторов: гликогена, ферментов гиколиза, АТФ, ЦТК, гликозаминогликанов.

Для приведенных всех теорий и некоторых экспериментальных данных общим является представление о ведущей роли ферментов, отщепляющий неорганический фосфат от органического субстрата. Концентрация фосфата в участках функционирования этих ферментов повышается, достигая уровня, при котором начинается его самопроизвольное осаждение, приводящее к кристаллизации. •

Дальнейшие исследования позволили предположить, что процесс кальцификации состоит в очаговом образовании центров кристаллизации гидроксиапатита из растворов Р и Са под действием коллагеновых волокон, в которых необходимо специфическое взаиморасположение реакционноспособных групп боковых аминокислотных цепей, способных служить центрами кристаллизации.

Важную роль в минерализации выполняют гликозаминогликаны, в частности хондроитинсульфат, которые обладают повышенным сродством к ионам Са и Р. подтверждением служат экспериментальные данные, демонстрирующие, что гликозаминогликаны интенсивно секретируются остеобластами в зоне минерализации, а затем подвергаются действию лизосомальных ферментов, образуя высокоактивные ионы.

Биохимическую основу нуклеации первичных зародышевых кристаллов составляет реакция образования комплекса между коллагеном, АТФ, Са и хондроитинсульфатом. К факторам, контролирующим кристаллообразование на волокнах коллагена относится также пирофосфат, который ингибирует минерализацию. Доказана также роль в этом процессе фосфолипидов, без которых органический матрикс костной ткани утрачивает способность обызвествляться.

Возрастные изменения костной ткани и основная патология.

В процессе онтогенетического развития костная ткань претерпевает выраженные изменения структурно-морфологического и биохимического характера. В ней происходит закономерное снижение содержания органических компонентов и нарастание минеральных. Эти изменения тесно связаны с обменом микроэлементов. Происходит накопление Sr, Pb, Si, A1, а концентрация Си уменьшается, интенсивность метаболизма фосфора и кальций уменьшается в десятки раз.

Один из ведущих возрастных изменений костной системы — развитие остеопороза — прогрессирующее системное заболевание скелета, характеризующееся снижением массы кости, нарушением структуры костной ткани, приводящее к увеличению хрупкости кости и риска переломов.

ФАКТОРЫ, ПРЕДПРАСПОЛАГАЮЩИЕ К РАЗВИТИЮ ОСТЕОПОРОЗА
Генетические (конституционные)	-принадлежность к европеоидной или монголоидной расам; -семейная предрасположенность (нетравматические перело- мы у родственников 1 степени родства; -хрупкое телосложение.
Возрастные	— после 35-40 лет костная масса и всасывание Са в кишечнике снижается.
Образ жизни и питания	-низкое потребление Са и витамина D; -курение; -алкоголизм; -низкая физическая активность; -низкая масса тела; -длительная иммобилизация.
Заболевания	-нарушение менструального статуса (длительная вторичная аменорея, преждевременная менопауза – до 45 лет, позднее начало менструаций); -эндокринные болезни (первичный гиперпаратиреоз, тиреотоксикоз, сахарный диабет, синдром Кушинга); -болезни крови (множественная миелома, системный масто- цитоз, лимфома, лейкоз); -воспалительные ревматические заболевания (ревматоидный артрит, дерматомиозит, системная красная волчанка); -заболевания ЖКТ (нарушения всасывания, болезнь Крона, хронические заболевания печени); -хроническая почечная недостаточность; -хронические неврологические заболевания.

Классификация остеопорозов.

I. Постменопаузный остеопороз (требует наблюдения в течение 15 лет с начала

менопаузы). Происходит разрежение костных балок, увеличивается частота

переломов позвонков и других костей.

П. Сенилъный остеопороз — характерен для мужчин старше 70 лет.

III. Вторичный остеопороз — на фоне глюкокортикоидной терапии синдрома

Кушинга, синдрома мальасорбции, нарушении питания, длительной

иммобилизации.

Лечение.

Предупредить остеопороз легче, чем лечить. Медикаментозные средства (кальцитонин, эстрогены, кальций, витамин D) способны лишь замедлить скорость потери кости, но, как правило, малоэффективны для восстановления уже утраченной костной массы.

Эстрогены — важное средство профилактики с наступлением менопаузы у женщин

Са — больным с остеопорозом показано 1000-1500 мг в день (с пищей поступает около 500 мг Са).

Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 451 | Нарушение авторских прав

lektsii.net — Лекции.Нет — 2014-2018 год. (0.014 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав

Биохимия костной ткани. Роль органических и минеральных компонентов в функционировании костной ткани. Роль витаминов С и D в формировании костной ткани

Предыдущая55565758596061626364656667686970Следующая

В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом — солей кальция. Основные особенности кости — твердость, упругость, механическая прочность.

В компактном веществе кости большая часть минеральных веществ представлена гидроксилапатитом (смотрите рисунок) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в%%): 20% — органический компонент, 70% — минеральные вещества, 10% — вода. Губчатое вещество: 35-40% — минеральных веществ, до 50% — органические соединения, содержание воды — 10%.

Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость — это депо для минералов, особенно для кальция.

Основной белок костной ткани — коллаген, который содержится в количестве 15% — в компактном веществе, 24% — в губчатом веществе. Количество неколлагеновых белков составляет от 5 до 8%. В основном это белки- гликопротеины и белково-углеводные комплексы — протеогликаны.

Костный коллаген — коллаген типа 1 — в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген — это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани.

В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия. Минерализация — это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии ( в форме АТФ ).

В состав костей входит 99% всего кальция организма, 87% фосфора, ~ 60% магния и -25% натрия. Кальций в костях находится в форме минерала гидроксиапатита, примерный состав которого Са10(РО4)6(ОН)2. Гидроксиапатит образует кристаллы, имеющие обычно размер 20 × 5 × 1,5 нм. В костной ткани содержится много микроэлементов, таких как медь, стронций, барий, цинк, фтор и др., которые играют важную роль в обмене веществ в организме.

8 Биохимия костной ткани.

Минеральная часть костей включает также карбонаты, гидроксиды и цитраты.

Минеральный состав зуба различен в разных его частях. Твёрдые части зуба (эмаль, дентин и цемент) содержат от 70% (цемент и дентин) до 96 — 97% (эмаль) неорганических веществ. Основную часть этих веществ составляют фосфат кальция, входящий в состав кристаллов гидроксиапатита (75%), а также карбонат и фторид кальция.

В частности, при недостаточном количестве витамина С в организме подавляется созревание коллагеновых волокон, ослабляется деятельность остеобластов, уменьшается их фосфатазная активность, что приводит к остановке роста кости. При дефиците витамина D не происходит полной кальцификации органической матрицы кости, что обусловливает размягчение костей. Витамин А поддерживает рост костей, но избыток этого витамина способствует усилению разрушения остеокластами метаэпифизарных хрящей.

Предыдущая55565758596061626364656667686970Следующая

Date: 2015-09-25; view: 277; Нарушение авторских прав

Понравилась страница? Лайкни для друзей:

Биохимия костной ткани

Определение кальция в костной ткани и зубе.

Цель занятия: изучить минеральный обмен и выполнить

качественную реакцию по открытию кальция вкости и зубе.

Теория вопроса.Качественное определение минеральных соединений в костной ткани и ткани зуба.

Кальций присутствует в организме в значительных количествах (до 1,5 кг), причем 99% его входит в структуру костей и зубов. Костная ткань, составляющая скелет человека — особый вид соединительной ткани. Основное вещество кости состоит из трех типов клеток: остеобласты, остеоциты, остеокласты. Минеральная часть кости состоит главным образом из Са3(РО4)2 , включает карбонаты, фториды, гидроксиды, цитраты, натрий и небольшую часть магния и калия. Кристаллы кости относят к гидроксиапатитам (ГАП). Другая часть минеральной фазы кости представлена аморфным фосфатом кальция (стабильный резерв ионов Са2+ и Р3-), содержание которого зависит от возраста. В раннем возрасте — аморфный фосфат кальция, а в зрелом — кристаллический ГАП.

Особенность минерального компонента кости состоит в том, что фактическое соотношение Са2+ и Р3- равно 1,5. Это позволяет кости легко связывать и отдавать ионы фосфата, поэтому кость — это депо для минералов, особенно для кальция и фосфора.

В состав костной ткани входит вода (10%), органические (20%) и неорганические (70%) вещества. Среди последних большую часть составляет фосфат кальция (85%) и в значительно меньших количествах содержится карбонат кальция (10%), фосфат магния (1,5%) и фторид кальция (0,5%). Минеральные вещества распределены в органическом веществе костей в виде тончайших включений.

В отличие от кости, ткани зуба более минерализованы. Минеральный остаток эмали составляет 96%, дентина — 69%, цемента -76%. Эмаль содержит ГАП, фторапатит, фторид кальция. Соотношение Са/Р в эмали равно 1,75, поэтому эмаль еще более минерализована, чем кость. С возрастом это соотношение доходит до 2,09.В минеральном компоненте — ГАП, в котором чаще, чем в кости обнаруживается магний. Фтористые соли также содержатся в дентине. Цемент менее минерализован, чем дентин. Клеточные элементы — цементобласты. Ионы кальция могут замещаться на близкие по свойству элементы Ва, Mg. При этом снижается соотношение Са/Р, оно уменьшается до 1,33, изменяются свойства этого апатита, уменьшается резистентность эмали к неблагоприятным условиям. Постоянство содержания кальция в костной ткани, ткани зуба и крови поддерживается, главным образом, паратгормоном, кальцитонином, кальцитриолом. Регуляция метаболизма кальция в организме осуществляется теми же гормонами, что и обмен фосфора-паратгормоном, кальцитонином, витаминами Д, А и С.

Признаки дефицита кальция проявляются в виде кариеса зубов, мышечных болей, судорог, остеопороза, остеомаляции, и рахита.

Ход работы:

1. Открытие ионов кальция.

Отобрать 5 капель вытяжки костной ткани в одну пробирку, и столько же капель вытяжки ткани зуба во вторую пробирку. Добавить 3-4 капли насыщенного раствора оксалата аммония в обе пробирки, выпадает осадок оксалата кальция:

+ (NH4)2С2О4 → СаС2О4↓ + (NH4)2HPO4

Оформление занятия: записать в тетрадь результат качественной реакции.

Контрольные вопросы:

1. Минеральный состав костной ткани.

2. Минеральный состав твердых тканей зуба.

3. Состав и строение гидроксиапатитов и их роль в минерализации твердых тканей зуба.

4. Метаболизм кальция и его регуляция.

Тесты: 16,23,30,47,55,56,96.

Литература: 8, 16, 17

Предыдущая234567891011121314151617Следующая

Дата добавления: 2014-12-22; просмотров: 576;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Биохимия костной ткани

Костная ткань — это особый вид соединительной ткани. Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом — солей кальция. Основные особенности кости — твердость, упругость, механическая прочность.

В компактном веществе кости большая часть минеральных веществ представлена гидроксилапатитом (смотрите рисунок) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в %): 20% — органический компонент, 70% — минеральные вещества, 10% — вода. Губчатое вещество: 35-40% — минеральных веществ, до 50% — органические соединения, содержание воды — 10%.

Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость — это депо для минералов, особенно для кальция.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ОБМЕН КАЛЬЦИЯ И ФОСФОРА

На обмен кальция и фосфора влияют гормоны паратгормон, серотонин и активная форма витамина D3.

Особое место среди нарушений обмена кальция и фосфора занимают остеопороз, некоторые формы рахита, некоторые заболевания почек.

За сутки из кишечника всасывается примерно 1 грамм кальция и только 1/3 от этого количества усваивается тканями организма. Столько же — 1грамм кальция — ежесуточно теряется с мочой и калом. В межклеточных жидкостях содержится тоже в среднем 1 грамм кальция. Значит, за одни сутки полностью обновляется весь внеклеточный кальций организма. У взрослого здорового человека в возрасте до 40 лет все процессы минерализации и резорбции костной ткани находятся в равновесии. У детей до окончательного окостенения наблюдается положительный кальциевый баланс. После 40-летнего возраста — отрицательный баланс кальция.

Паратгормон влияет на процессы созревания активного витамина D3 в почках. Активный витамин D3 (1,25-диоксивитамин D3) увеличивает всасывание кальция в кишечнике и повышает усвоение кальция костной тканью, усиливает действие паратгормона в костной ткани и почках.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА И СЕКРЕЦИИ ПАРАТГОРМОНА И КАЛЬЦИТОНИНА.

Главным регулятором синтеза и секреции этих гормонов является внеклеточный кальций. Если уменьшается его концентрация во внеклеточной жидкости, это приводит к увеличению секреции кальцитонина и уменьшению секреции паратгормона и наоборот. На выработку паратгормона также влияют катехоламины, которые усиливают его секрецию.

КОРТИКОСТЕРОИДЫ (кортизол) тормозят всасывание кальция в кишечнике, увеличивают синтез и секрецию паратгормона.

Повышение содержания фосфатов в крови, приводя к одновременному снижению уровня кальция, также усиливает секрецию паратгормона.

Суммарной эффект паратгормона — резорбция костной ткани. Разрушению подвергается не только минеральный компонент, но и компоненты органического матрикса. Это подтверждается повышенным содержанием оксипролина (показатель ускорения разрушения коллагеновых белков) в моче при гиперсекреции паращитовидной железы. Значит, паратгормон в физиологических условиях способствует обновлению костной ткани, то есть происходит стимуляция остеокластов и одновременно усиливается пролиферация остеобластов.

Биохимия костной и хрящевой ткани

При действии паратгормона в костной ткани происходит закисление (снижение pH среды), так как в межклеточное пространство выделяются лактат и цитрат и повышается активность различных гидролитических ферментов, в том числе и лизосомальных протеиназ.

Кроме повышения концентрации кальция и понижения концентрации фосфатов в крови при гиперпаратиреозе может развиваться образование камней в почках — нефрокальциноз. Причина этого — постоянно повышенная концентрация кальция в крови и моче.

Вторичный гиперпаратиреоз при заболеваниях почек возникает при нарушении созревания активной формы витамина D3. Результат: снижение концентрации кальция в крови, что приводит к увеличению выработки паратгормона.

Гипопаратиреоз. Снижение уровня паратгормона в крови (может возникнуть при повреждении или удалении паращитовидных желез) приводит к снижению концентрации кальция и повышению концентрации фосфора в крови. В результате могут развиваться судороги, паралич дыхательной мускулатуры, ларингоспазм, что приводит к смерти больного.

КАЛЬЦИТОНИН

Пептидный гормон, состоит из 30 аминокислот. Клетки-мишени для этого гормона находится в костной ткани. Гормон обладает мембранным механизмом действия (действует через аденилатциклазную систему). Под действием кальцитонина происходит усиление перехода фосфатов в периостальную жидкость, в результате разрушения фосфорных эфиров различных органических соединений в клетках костной ткани. Выход фосфатов в межклеточное вещество способствует задержке кальция в костной ткани.

Таким образом, кальцитонин ингибирует процессы резорбции кости.

ОРГАНИЧЕСКИЙ МАТРИКС КОСТИ

Важный компонент органического матрикса — кальций-связывающий белок. Он состоит из 49 аминокислот, содержит 3 остатка гамма-карбоксиглутаминовой кислоты. Функция кальций-связывающего белка — регуляция связывания кальция в костях и зубах.

Основной белок костной ткани — коллаген, который содержится в количестве 15% — в компактном веществе, 24% — в губчатом веществе. Количество неколлагеновых белков составляет от 5 до 8%. В основном это белки- гликопротеины и белково-углеводные комплексы — протеогликаны.

Костный коллаген — коллаген типа 1 — в нем больше, чем в других видах коллагена, содержится оксипролина, лизина и оксилизина, отрицательно заряженных аминокислот, с остатками серина связано много фосфата, поэтому костный коллаген — это фосфопротеин. Благодаря своим особенностям костный коллаген принимает активное участие в минерализации костной ткани.

В зрелом организме процессы минерализации и резорбция кости находятся в состоянии динамического равновесия. Минерализация — это формирование кристаллических структур минеральных солей костной ткани. Активное участие в минерализации принимают остеобласты. Для минерализации требуется много энергии (в форме АТФ ).

Можно выделить два основных этапа минерализации.

ЭТАПЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ

1-й ЭТАП: остеобласты начинают синтезировать костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Особенностью процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора. На 1 этапе минерализации кальций и фосфор связываются с костным коллагеном. Обязательный участник процесса — сложные липиды.

2-й ЭТАП — в зоне минерализации усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция. Одновременно из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония и гидроксид-ионов, которые соединены с фосфатом. Так формируются ядра кристаллизации. Ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-углеводным комплексом, переходят в растворимое состояние и формируют кристаллы гидроксилапатита. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной. Ингибитор процесса минерализации — неорганический пирофосфат. Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть щелочная фосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка. При нарушении процессов минерализации — например, при заболевании оссифицирующим миозитом — кристаллы гидроксиапатита могут появлятся в сухожилиях, связках, стенках сосудов. Вместо кальция в костную ткань могут включаться другие элементы — стронций, магний, железо, уран и т.д. После формирования гидроксилапатита такое включение уже не происходит. На поверхности кристаллов может накапливаться много натрия в форме цитрата натрия. Кость выполняет функции лабильного (изменчивого) депо натрия, который выделяется из кости при ацидозе и, наоборот, при избытке поступления натрия с пищей, чтобы предотвратить алкалоз — натрий депонируется в кости. В ходе роста и развития организма количество аморфного фосфата кальция уменьшается, потому что кальций связывается с гидроксилапатитом.