Биохимия соединительных тканей и органов полости рта

Биохимия соединительных тканей и органов полости рта
(костная, хрящевая ткани; зубы)

Главный минеральный (неорганический) компонент костной ткани и твердых тканей зуба — кристаллы апатитов (апатит в переводе — неизвестный). В их основе — фосфат кальция. Любой минеральный компонент формируется следующим образом:

Са(НРО₄)₂ ∙ 2Н₂О Са₈(РО4)₆ ∙ 5Н₂О → Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂

брушит октакальцийфосфат гидроксиапатит (ГА)

Общая формула апатитов — А₁₀(ВО₄)₆Х₂, где А — Са, Ва, Sr, Cr, Pb, Cd; B — P, As, Si; X — F, Cl, OH‾, CO₃ ^2–. Самый распространенный в минерализованных тканях — ГА, самый устойчивый к действию кислот — фторапатит Са₁₀(РО₄)₆(F)₂ . При концентрация F в средствах по уходу за зубами и полостью рта до 500мг/л образуется гидроксифторапатит — Са₁₀(РО₄)₆(ОН)F; 500–2000 мг/л — фторапатит; более 2000 мг/л — СаF_2, а это уже не кристаллы апатитов.

В «идеальном» апатите соотношение Са/Р = 1, 67. Уменьшение этого соотношения приводит к неблагоприятным последствиям, в частности к снижению резистентности эмали. При замещении в ГА Са на Sr , особенно на Sr⁹⁰ , который является β-излучателем, развивается стронциевый рахит, для которого характерны хрупкость и ломкость костей и зубов, переломы, деформации скелета.

Обмен ионов кристаллов апатита на ионы, находящиеся в растворе, называется изоморфное замещение. Преимущественным фактором возможности замены является сходство размера атома, а сходство заряда имеет второстепенное значение. Кроме изоморфного замещения, состав кристалла апатита можно изменить путем заполнения другими ионами вакантных мест в кристаллической решетке апатита.

Этапы проникновения различных элементов в кристаллы ГА:

• проникновение элементов в воду гидратной оболочки кристалла (длится несколько минут);
• обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристалла (длится несколько часов);
• проникновение ионов в кристалл (длится месяцами и годами).

Минерализация костной ткани и твердых тканей зуба

В основе этого процесса — образование кристаллов апатита с участием фосфата кальция. В организме внеклеточная жидкость перенасыщена фосфатом кальция и он начинает осаждаться. Выделяют 2 стадии осаждения фосфата кальция:

• нуклеация — образование плотного осадка (ядра);
• рост кристаллов из ядра — эпитаксис.

Нуклеация бывает гомогенная (кристаллы образуются без участия другой фазы) и гетерогенная (образование кристаллов инициирует другая фаза, играющая роль матрицы-затравки). Матрица может и направлять рост кристаллов. Роль матрицы выполняют протеогликаны, гликозаминогликаны, Са-связывающие белки: фосфопротеины и белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту (γ-КГК), для синтеза которой нужен витамин К.

Теории минерализации костной ткани и твердых тканей зуба:

1. физико-химическая, в основе которой лежат названные выше 2 стадии;
2. ферментная: щелочная фосфатаза костной ткани гидролизует фосфорорганические эфиры, в результате этого освобождается фосфат-ион, что при наличии кальция и матрицы вызывает рост кристаллов ГА;
3. смешанная: сначала синтезируется внеклеточный матрикс, а затем наступает этап минерализации из-за перенасыщенного состояния раствора фосфата кальция и наличия матрицы.

Неколлагеновые белки костной ткани и их роль
в процессах минерализации

Остеокальцин: 1) содержит 3 остатка γ-КГК → связывает Са ²⁺ ; 2) прочно связан с апатитом; 3) участвует в росте кристаллов.

Костный сиалопротеин: 1) содержит трипептид АРГ-ГЛИ-АСП (R-G-D) → способен связываться с другими клетками, макромолекулами и рецепторами клеточных мембран; 2) через специальный рецептор (10 остатков ГЛУ) связывается с Са ²⁺; 3) относится к фосфопротеинам, тесно связан с клетками и апатитом; 4) присоединяет остеобласты к кости в период ее синтеза.

Остеопонтин: 1) содержит трипептид R-G-D; 2) связывается с Са ²⁺; 3) прочно связан с апатитом.

Остеонектин: 1) имеет Са-связывающий домен, хотя в нем и нет γ-КГК; 2) связывается с коллагеном и апатитом.

Тромбоспондин: 1) содержит трипептид R-G-D; 2) связывается с поверхностями клеток и другими белками костной ткани.

Костный кислый гликопротеин: участвует в минерализации костной ткани.

Химический состав тканей зуба и кости (весовые %)

Эмаль. Вода находится здесь в двух видах: свободная и связанная (гидратная оболочка кристаллов апатитов).

Минеральная основа — кристаллы апатитов: ГА — 75 %; остальное — фторапатит, карбонатный апатит, хлорапатит. В наружном слое много Са, Р и F (в 10 раз больше, чем в подлежащих слоях), поэтому он более устойчив к действию кислот. Кроме F, есть Zn, Pb, Sb, Fe. В глубоком слое много Na, Mg, карбонат-иона. По всей толщине эмали равномерно распределены Sr, Cu, Al, K.

Органический компонент — неколлагеновые белки, пептиды, липиды, моносахариды.

ГА — кристаллы гидроксиапатита:

Неколлагеновые белки — амелогенины, энамелины, Са-связывающий белок эмали. В процессе созревания эмали количество амелогенинов уменьшается, а энамелинов — увеличивается. Энамелины прочно присоединяются к кристаллам апатитов.

Са-связывающий белок играет главную роль в формировании белковой матрицы — основы эмали. Трехмерная сеть эмали образуется путем объединения в пространстве молекул Са-связывающего белка с ионами Са. Эта сеть (матрица) — зона нуклеации для роста кристаллов ГА. Она фиксируется на волокнах амелогенинов.

Дентин. Первичный дентин образуется в период прорезывания и формирования зубов, составляет основную часть дентина; вторичный (физиологический вторичный) образуется в сформированном зубе после прорезывания и является продолжением первичного; третичный (репаративный вторичный) образуется в ответ на действие раздражающих факторов напротив пораженного участка эмали. Отростки одонтобластов проходят через дентин до эмали и формируют каналы для трофики (питания) зуба. Они заполнены дентиновой жидкостью, которая выполняет минерализующую и сенсорную функции.

Минеральный компонент — ГА, но соотношение Са/Р не 1,67, а 1,5–1,67. F в 2 раза больше, чем в эмали, а Mg в 3 раза больше, чем в костях.

Органический компонент — коллаген I типа и неколлагеновые белки (протеогликаны и фосфопротеины). Они способны связывать кальций и соединяться с коллагеном.

В дентине есть и аморфная (некристаллическая) фаза, в которой имеются фосфат и карбонат кальция.

Цемент. Похож на костную ткань, поэтому называется «костаген», но в отличие от нее не имеет сосудов и не подвергается постоянной перестройке.

Минеральный компонент — в основном ГА.

Органический компонент — коллаген I типа, протеогликаны, липиды.

Пульпа. Содержит сосуды и нервы и выполняет трофическую, защитную, репаративную функции.