Химический состав костной ткани.

Кристаллы гидроксилапатита Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 составляют часть минеральной фазы костной ткани, имеют форму пластин или палочек. Другая часть представлена аморфным фосфатом кальция Са 3 (РО 4) 2 . Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са 2+ и фосфата.

В состав минеральной фазы кости входят ионы натрия, магния, калия, хлора и др. В кристаллической решетке гидроксиапатита ионы Са 2+ могут замещаться другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.

Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на коллаген. Коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном типа 1. Данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. В коллагене костной ткани несколько больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи. Для костного коллагена характерно большое содержание свободных аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна особенность костного коллагена - повышенное по сравнению с коллагеном других тканей содержание фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками серина.

В сухом деминерализованном костном матриксе содержится около 17% неколлагеновых белков, среди которых находятся и белковые компоненты протеогликанов. В целом количество протеогликанов в сформировавшейся плотной кости невелико.

Окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды, которые представляют собой непосредственный компонент костной ткани, а не являются примесью в результате недостаточно полного удаления богатого липидами костного мозга. Липиды могут играть существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Остеобласты богаты РНК. Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию. Особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата: около 90% его общего количества в организме приходится на долю костной ткани. Цитрат необходим для минерализации костной ткани. Он образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться кристаллизация и минерализация. Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие органические кислоты.

Формирование кости. Образование межклеточного вещества и минерализация костной ткани являются результатом деятельности остеобластов, которые по мере образования костной ткани замуровываются в межклеточном веществе и становятся остеоцитами. Костная ткань служит основным депо кальция в организме и активно участвует в кальциевом обмене. Высвобождение кальция достигается путем разрушения (резорбции) костной ткани, а его связывание - путем образования костной ткани. С этим связан процесс постоянной перестройки костной ткани, продолжающийся в течение всей жизни организма. При этом происходят изменения формы кости соответственно изменяющимся механическим нагрузкам. Костная ткань скелета человека практически полностью перестраивается каждые 10 лет.

Процесс оссификации возможен лишь при наличии строго ориентированных коллагеновых волокон. Структурная особенность коллагенового волокна состоит в том, что расположенные в ряду молекулы тропоколлагена не связаны по типу конец в конец. Между концом одной молекулы и началом следующей имеется промежуток. Вполне вероятно, что промежутки вдоль ряда молекул тропоколлагена являются первоначальными центрами отложения минеральных составных частей костной ткани. Образовавшиеся кристаллы в зоне коллагена затем в свою очередь становятся ядрами минерализации, где в пространстве между коллагеновыми волокнами откладывается гидроксиапатит.

При формировании кости в зоне кальцификации при участии лизосомных протеиназ происходит деградация протеогликанов. По мере минерализации костной ткани кристаллы гидроксиапатита как бы вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена. В этих условиях коллаген составляет примерно 20% от массы и 40% от объема костной ткани, остальное приходится на долю минеральных компонентов.

Не все коллагенсодержащие ткани в организме подвержены оссификации.

По-видимому, существуют специфические ингибиторы кальцификации. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов. Существует также мнение, что ингибитором кальцификации может быть неорганический пирофосфат. При минерализации тканей ингибирующее действие пирофосфата снимается пирофосфатазой, которая, в частности, обнаружена в костной ткани. В целом биохимические механизмы минерализации костной ткани требуют дальнейшего исследования.

Сложной является и проблема катаболизма матрикса костной ткани. Как в физиологических, так и в патологических условиях происходит резорбция костной ткани, при которой практически одновременно имеет место «рассасывание» как минеральных, так и органических структур костной ткани. В удалении минеральных солей определенная роль принадлежит усиливающейся при остеолизе продукции органических кислот, в том числе лактата. Известно, что сдвиг рН ткани в кислую сторону способствует растворению минералов и тем самым их удалению.

Резорбция органического матрикса требует наличия и действия соответствующих ферментов. К ним относятся лизосомные кислые гидролазы, спектр которых в костной ткани довольно широк. Они участвуют во внутриклеточном переваривании фрагментов резорбируемых структур.

Следовательно, чтобы мог произойти внутриклеточный гидролиз, необходимо структуры органического матрикса предварительно подвергнуть воздействию, в результате которого образовались бы фрагменты полимеров. Так, резорбция коллагеновых волокон требует предварительного воздействия коллагенолитических ферментов.

К факторам, влияющим на метаболизм костной ткани, прежде всего следует отнести гормоны, ферменты и витамины.

Минеральные компоненты костной ткани находятся практически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. Поступление, депонирование и выделение кальция и фосфата регулируются весьма сложной системой, в которой среди других факторов важная роль принадлежит паратгормону и кальцитонину. При уменьшении концентрации ионов Са 2 в сыворотке крови возрастает секреция паратгормона. Непосредственно под влиянием этого гормона в костной ткани активируются клеточные системы, участвующие в резорбции кости (увеличение числа остеокластов и их метаболической активности), т. е. остеокласты способствуют повышенному растворению содержащихся в костях минеральных соединений. Паратгормон увеличивает также реабсорбцию ионов Са 2+ в почечных канальцах. Суммарный эффект проявляется в повышении уровня кальция в сыворотке крови. При увеличении содержания ионов Са 2+ в сыворотке крови секретируется гормон кальцитонин, действие которого состоит в снижении концентрации ионов Са 2+ за счет отложения его в костной ткани. Он повышает минерализацию кости и уменьшает число остеокластов в зоне действия, т. е. угнетает процесс костной резорбции. Все это увеличивает скорость формирования кости.

В регуляции содержания ионов Са 2+ важная роль принадлежит витамину D, который участвует в биосинтезе Са 2+ -связывающих белков. Эти белки необходимы для всасывания ионов Са 2+ в кишечнике, реабсорбции их в почках и мобилизации кальция из костей. Поступление в организм оптимальных количеств витамина D является необходимым условием для нормального течения процессов кальцификации костной ткани. При недостаточности витамина D эти процессы нарушаются. Прием в течение длительного времени избыточных количеств витамина D приводит к деминерализации костей. Прекращение роста костей является ранним проявлением недостаточности витамина А. Считают, что данный факт обусловлен нарушением синтеза хондроитинсульфата. При введении животным высоких доз витамина А, превышающих физиологическую потребность и вызывающих развитие гипервитаминоза А, наблюдается резорбция кости, что может приводить к переломам.

Для нормального развития костной ткани необходим и витамин С. Действие витамина С не метаболизм костной ткани обусловлено, прежде всего, влиянием на процессе биосинтеза коллагена. Аскорбиновая кислота необходима для осуществления реакции гидроксилирования пролина и лизина. Недостаток витамина С вызывает также изменения в синтезе гликозаминогликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как биосинтез хондроитинсульфатов замедляется.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте метаболизм кальция и фосфора в организме.

2. Какие гормоны участвуют в регуляции фосфорно-кальциевого обмена?

3. Какой вид рецепции преобладает у гормонов, регулирующих фосфорно-кальциевой обмен?

4. Как происходит превращение витамина D в кальцитриол?

5. Перечислите симптомы, наблюдающиеся при гипо- и гиперкальциемии.

6. Назовите основные органические компоненты костной ткани.

7. Какие неорганические соединения входят в состав костной ткани?

8. Опишите процесс формирования кости.

9. Какие факторы влияют на формирование костной ткани и ее метаболизм?

Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества – 70% и вода – 10%. В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют более 50%, на долю неорганических соединений приходится 33-40%. Количество воды приблизительно то же, что и в компактной кости.

Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на коллаген типа I. Данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. В нем несколько больше оксипролина, а также свободных аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков. Это обусловливает наличие большего количества поперечных связей в коллагеновых волокнах и их большую прочность. По сравнению с коллагеном других тканей костный коллаген характеризуется повышенным содержанием фосфата, который в основном связан с остатками серина.

Белки неколлагеновой природы представлены гликопротеинами, белковыми компонентами протеогликанов. Принимают участие в росте и развитии кости, процессе минерализации, водно-солевом обмене. Альбумины участвуют в транспорте гормонов и других веществ из крови.

Преобладающим белком неколлагеновой природы является остеокальцин . Он присутствует только в костях и зубах. Это небольшой (49 аминокислотных остатков) белок, называемаый также костным глутаминовым белком или gla-белком. В молекуле остеокальцина обнаружены три остатка
γ-карбоксиглутаминовой кислоты. За счет этих остатков он способен связывать кальций. Для синтеза остеокальцина необходим витамин К (рис. 34).

Рис. 34. Посттрансляционная модификация остеокальцина

В состав органического матрикса костной ткани входят гликозаминогликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-сульфат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в небольших количествах. Окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Гликозаминогликаны участвуют в связывании коллагена с кальцием, регуляции водного и солевого обмена.

Цитрат необходим для минерализации костной ткани. Он образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться кристаллизация и минерализация. Также принимет участие в регуляции уровня кальция в крови. Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие органические кислоты.

Костный матрикс содержит небольшое количество липидов. Липиды играют существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Остеобласты богаты РНК. Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию.

Неорганический состав костной ткани.

В раннем возрасте в костной ткани преобладает аморфныйм фосфат кальция Са 3 (РО 4) 2 . В зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 (рис. 35). Его кристаллы имеют форму пластин или палочек. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са 2+ и фосфата.

Рис. 35. Строение кристалла гидроксиапатита

Метаболизм костной ткани характеризуется двумя противоположными процессами: образованием новой костной ткани остеобластами и резорбцией (деградацией) старой остеокластами. В норме количество новообразованной ткани эквивалентно разрушенной. Костная ткань скелета человека практически полностью перестраивается в течение 10 лет.

Образование костной ткани

На1 этапе остеобласты синтезируют сначала протеогликаны и гликозаминогликаны, образующие матрикс, а затем продуцируют фибриллы костного коллагена, которые распределяются в матриксе. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Необходимым условием процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора. Образование кристаллов минерального остова кости запускают
Са-связывающие белки на матрице коллагена. Остеокальцин прочно связан с гидроксиапатитом и участвует в регуляции роста кристаллов за счет связывания Са 2+ в костях. Электронномикроскопические исследования показали, что формирование минеральной кристаллической решетки начинается в зонах, находящихся в регулярных промежутках между коллагеновыми фибриллами. Образовавшиеся кристаллы в зоне коллагена затем в свою очередь становятся ядрами минерализации, где в пространстве между коллагеновыми волокнами откладывается гидроксиапатит.

На 2 этапе в зоне минерализации при участии лизосомных протеиназ происходит деградация протеогликанов; усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция.

По мере минерализации костной ткани кристаллы гидроксиапатита вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена.

Фермент щелочная фосфатаза принимает участие в минерализации. Одним из механизмов ее 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.

Ингибитором кальцификации является неорганический пирофосфат. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов.

Процессы моделирования и ремоделирования обеспечивают постоянное обновление костей, а также модификацию их формы и структуры. Моделирование (образование новой кости) имеет место в основном в детском возрасте. Ремоделирование является доминирующим процессом в скелете взрослых; в этом случае происходит лишь замена отдельного участка старой кости. Таким образом, в физиологических и патологическтх условиях происходит не только образование, но и резорбция костной ткани.

Катаболизм костной ткани

Практически одновременно имеет место «рассасывание» как минеральных, так и органических структур костной ткани. При остеолизе усиливается продукция органических кислот, что приводит к сдвигу рН в кислую сторону. Это способствует растворению минеральных солей и их удалению.

Резорбция органического матрикса происходит под действием лизосомных кислых гидролаз, спектр которых в костной ткани довольно широк. Они участвуют во внутриклеточном переваривании фрагментов резорбируемых структур.

При всех заболеваниях скелета происходят нарушения процессов ремоделирования кости, что сопровождается возникновением отклонений в уровне биохимических маркеров.

Имеются общие маркеры формирования новой костной ткани , такие как костно-специфическая щелочная фосфатаза, остеокальцин плазмы, проколлаген I, пептиды плазмы. К биохимическим маркерам резорбции кости относятся кальций в моче и гидроксипролин, пиридинолин мочи и дезоксипиридинолин, являющиеся производными поперечных волокон коллагена, специфичных для хрящей и костей.

Факторами , влияющими на метаболизм костной ткани, являются гормоны, ферменты и витамины.

Минеральные компоненты костной ткани находятся практически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. В регуляции поступления, депонирования и выделения кальция и фосфата важную роль играют паратгормон и кальцитонин.

Действие паратгормона приводит к увеличению числа остеокластов и их метаболической активности. Остеокласты способствуют ускоренному растворению содержащихся в костях минеральных соединений. Таким образом, происходит активация клеточных систем, участвующие в резорбции кости.

Паратгормон увеличивает также реабсорбцию ионов Са 2+ в почечных канальцах. Суммарный эффект проявляется в повышении уровня кальция в сыворотке крови.

Действие кальцитонина состоит в снижении концентрации ионов Са 2+ за счет отложения его в костной ткани. Он активирует ферментную систему остеобластов, повышает минерализацию кости и уменьшает число остеокластов в зоне действия, т. е. угнетает процесс костной резорбции. Все это увеличивает скорость формирования кости.

Витамин D участвует в биосинтезе Са 2+ -связывающих белков, стимулирует всасывание калиция в кишечнике, повышает реабсорбцию кальция, фосфора, натрия, цитрата, аминокислот в почках. При недостатке витамина D эти процессы нарушаются. Прием в течение длительного времени избыточных количеств витамина D приводит к деминерализации костей и увеличению концентрации кальция в крови.

Кортикостероиды увеличивают синтез и секрецию паратгормона, усиливают деминерализацию кости; половые гормоны ускоряют созревание и сокращают период роста кости; тироксин усиливает рост и дифференцировку ткани.

Действие витамина С на метаболизм костной ткани обусловлено, прежде всего, влиянием на процессе биосинтеза коллагена. Аскорбиновая кислота является кофактором пролил- и лизилгидроксилаз и необходима для осуществления реакции гидроксилирования пролина и лизина. Недостаток витамина С приводит также к изменениям в синтезе гликозаминогликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как биосинтез хондроитинсульфатов замедляется.

При недостатке витамина А происходит изменение формы костей, нарушение минерализации, задержка роста. Считают, что данный факт обусловлен нарушением синтеза хондроитинсульфата. Высокие дозы витамина А приводят к избыточной резорбции кости.

При недостатке витаминов группы В рост кости замедляется, что связано с нарушением белкового и энергетического обмена.

Особенности зубной ткани

Основную часть зуба составляет дентин . Выступающая из десны часть зуба, коронка, покрыта эмалью , а корень зуба покрыт зубным цементом . Цемент, дентин и эмаль построены подобно костной ткани. Белковый матрикс этих тканей состоит главным образом из коллагенов и протеогликанов. Содержание органических компонентов в цементе – около 13%, в дентине – 20%, в эмали – всего 1-2%. Высокое содержание минеральных веществ (эмаль – 95%, дентин – 70%, цемент – 50%) определяет высокую твердость зубной ткани. Наиболее важным минеральным компонентом является гидроксиапатит [Са 3 РО 4) 2 ] 3 Са(ОН) 2 . Содержатся также карбонатный апатит, хлорапатит и стронцевый апатит.

Эмаль, покрывающая зуб, полупроницаема. Она участвует в обмене ионами и молекулами со слюной. На проницаемость эмали влияют рН слюны, а также ряд химических факторов.

В кислой среде ткань зуба подвергается атаке и утрачивает твердость. Такое распространенное заболевание, как кариес , вызывается микроорганизмами, живущими на поверхности зубов и выделяющими в качестве продукта анаэробного гликолиза органические кислоты, вымывающие из эмали ионы Са 2+ .

Контрольные вопросы

1. Назовите основные органические компоненты костной ткани.

2. Какие неорганические соединения входят в состав костной ткани?

3. В чем различие биохимических процессов, протекающих в остеокластах и остеобластах?

4. Опишите процесс формирования кости.

5. Какие факторы влияют на формирование костной ткани и ее метаболизм?

6. Какие вещества могут быть биохимическими маркерами процессов, протекающих в костной ткани?

7. Каковы особенности биохимического состава зубной ткани?

Литература

1. Березов, Т.Т. Биологическая химия. / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. - М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2007. - 704 с.

2. Биохимия. / Под ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -
768 с.

3. Биологическая химия с упражнениями и задачами. / Под ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с.

4. Зубаиров, Д.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. / Д.М. Зубаиров, В.Н. Тимербаев, В.С. Давыдов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 392 с.

5. Шведова, В.Н. Биохимия. /В.Н. Шведова. – М.: Юрайт, 2014. – 640 с.

6. Николаев, А.Я. Биологическая химия. / А.Я. Николаев. - М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 566 с.

7. Кушманова, О.Б. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. / О.Б. Кушманова, Г.И. Ивченко. - М. - 1983.

8. Ленинджер, А. Основы биохимии / А. Ленинджер. - М., «Мир». - 1985.

9. Марри, Р. Биохимия человека. / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. - Т. 1. - М.: Мир, 1993. - 384 с.

10. Марри, Р. Биохимия человека. / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. - Т. 2. - М.: Мир, 1993. - 415 с.

Биохимия костной ткани

Костная ткань – особый вид соединительной ткани. Клеточными элементами костной ткани являются остеобласты, остеоциты, остеокласты.

Остеобласты- достаточно большое количество гликогена, глюкозы. Синтез АТФ на 60% связан с реакциями гликолиза. В клетках протекают реакции ЦТК, и наибольшей активностью обладает цитратсинтаза. Синтезируемый цитрат используется в дальнейшем для связывания Са 2+ , необходимого в процессах минерализации. Поскольку функцией остеобластов является создание органического межклеточного матрикса, эти клетки содержат большое количество РНК, необходимой для синтеза белков. В остеобластах синтезируются и выделяются во внеклеточное пространство глицерофосфолипиды, которые связывают кальций и участвуют в процессах минерализации. Остеобласты синтезируют и выделяют в межклеточное вещество фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны и обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов. По мере старения остеобласты превращаются в остеоциты.

Остеоциты- зрелая отросчатая клетка костной ткани, вырабатывающая компоненты межклеточного вещества. Остеоциты контактируют друг с другом через отростки.

Остеокласты – образуются из макрофагов, содержат много лизосом и митохондрий. Они осуществляют непрерывный управляемый процесс реконструкции и обновления костной ткани.

Химический состав костной ткани

Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества 70%, вода 10%.

Межклеточное вещество состоит из основного вещества (состоящего из внеклеточной жидкости, гликопротеинов, протеогликанов), коллагеновых волокон (90-95%), минеральных веществ, представленных кристаллами, преимущественно гидроксиапатитом Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 . Кроме того, в кости обнаружены ионы Mg 2+ , Na + ,K + , SO 4 2- ,НСО 3- , гидроксильные и другие.

Основными белками межклеточного матрикса являются коллагеновые белки I типа , которые составляют около 90% органического матрикса кости. Коллаген I типа содержит 33% глицина, 21% пролина и гидроксипролина, 1% гидроксилизина и малое количество углеводов. Находится в составе костей, дентина, пульпы зуба, цемента, периодонтальных волокон. Этот тип коллагеновых волокон участвует в процессах минерализации. Первичная структура коллагена представлена α-цепями, состоящими из 1000 аминокислотных остатков. Три альфа-цепи скручиваются между собой и образуют тропоколлаген . Формируя фибриллы, молекулы тропоколлагена располагаются ступенчато, смещаясь относительно друг друга на одну четверть длины, что придает фибриллам характерную исчерченность.(Рис. 1)

Рис. 1. Структуры коллагена.

Между альфа-цепями тропоколлагена возникают водородные связи, в образовании которых участвуют гидроксипролин, гидроксилизин и гликозилированный гидроксилизин. В реакциях гидроксилирования пролина и лизина участвует аскорбиновая кислота. В дальнейшем с помощью лизилоксидазы, фермента содержащего Сu 2+ , образуются альдегидные производные лизина и 5-гидроксилизина, которые способствуют образованию межмолекулярных ковалентных связей между фибриллами коллагена. Образование межмолекулярных связей влияет на прочность коллагеновых фибрилл.

Поэтому недостаток в организме аскорбиновой кислоты(цинга), ионов Сu 2+ , генетические дефекты, аутоиммунные состояния приводят к нарушению синтеза коллагена. Клинические проявления будут в виде изменений со стороны зубочелюстной системы: кровоточивость десен, подвижность и выпадение зубов, множественный кариес.

В костной ткани содержится около 10% неколлагеновых белков . Они представлены:10% протеогликанов, 15% костный сиалопротеин, 15% остеонектин, 10% α 2 HSгликопротеин, 3% альбумин сыворотки, 15% остеокальцин, 32% другие белки. Эти белки синтезируются остеобластами и способны связывать фосфаты или кальций.

Вестн. Ом. ун-та. 2015. № 4. С. 39-44.

УДК 54.062, 543.544.5.068.7

С.А. Герк, О.А. Голованова

Проведено сравнительное исследование микро- и макроэлементного состава костных тканей человека в «норме» с содержанием элементов в костных образцах, поврежденных вследствие коксартроза, а также в физиогенных (дентин и эмаль зуба) и в патогенных (слюнные, зубные и почечные камни) биоминералах. Показано, что в «норме» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к дентину и к зубным камням. Установлено, что в костных тканях человека при коксартрозе изменяется величина атомного соотношения Са/Р и содержание элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней.

Ключевые слова: элементный состав, физиогенная и патогенная минерализация, кости, коксартроз, спектроскопия. * 2

Введение

Костная ткань относится к высокоспециализированным физиогенным биоминералам и представляет собой биохимическую систему с многокомпонентным составом и сложным строением. Благодаря такой структурной организации данный органо-минеральный агрегат (далее - ОМА) обеспечивает нормальное течение обмена веществ (метаболизма) в организме человека в целом. При этом, находясь в постоянном контакте с биологическими жидкостями, костная ткань является местом депонирования макро- и микроэлементов . Известно, что элементы не синтезируются в организме, а поступают с пищевыми продуктами, водой, воздухом и выполняют важную роль при костном ремоделировании . Так, обобщая литературные данные о роли и степени участия микроэлементов в костеобразовании, их можно разделить на пять групп : 1) активаторы костной минерализации - Cu, Mn, F, Si, V;

2) ингибиторы костной минерализации - Sr, Cd, Be, Fe; 3) активаторы костной резорбции - Mg, Zn, Ba; 4) элементы, принимающие участие в синтезе органических веществ - Zn, Be, Cu, Mn, Si; 5) активаторы костных клеток и ферментов - Mg, Zn, Be и их ингибиторы - Mo. Изменение содержания элементов в костной ткани (избыток или недостаток), прежде всего кальция и фосфора, приводит к нарушению метаболических процессов и является причиной различных костно-суставных заболеваний, патологий зубов и патогенного минералообразования - формирования слюнных, зубных, почечных и других камней . Однако, несмотря на значительное количество работ, в которых описана роль макро- и микроэлементов в физиологических процессах, до сих пор остаются дискуссионными данные по элементному составу костных тканей, в том числе в условиях развития патологии.

Актуальность данной проблемы возрастает и в связи с сохраняющейся сложной экологической обстановкой природных объектов (источников поступления элементов в организм человека) промышленных городов-мегаполисов, а именно: чрезмерным выбросом в атмосферу промышленных отходов, усиленной эксплуатацией почв, нерациональным использованием природных ресурсов и загрязнением водных источников. Так, на сегодняшний день вода многих рек России стала практически не пригодной для питья из-за превышающего ПДК содержания органических веществ синтетического происхождения (СПАВ, ПАУ, диоксины), нефти, нефтепродуктов и солей тяжелых металлов .

Цель работы: изучить особенности элементного состава костной ткани человека в «норме» по сравнению с патогенными ОМА и при костных заболеваниях (на примере коксартроза).

* Работа выполнена при частичной финансовой поддержке совета по грантам Президента Российской Федерации, проект № СП-933.2015.4, Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 15-29-04839 офи_м).

С.А. Герк, О.А. Голованова

Объекты и методы исследования

Работа является продолжением исследования коллекции головок бедренных костей мужчин и женщин Омского региона в возрасте от 30 до 79 лет, удаленных вследствие коксартроза. В качестве контрольных проб костной ткани использованы непораженные образцы, которые извлекались в соответствии с Приказом Министерства здравоохранения СССР от 21 июля 1978 г. № 694 «Об утверждении инструкции о производстве судебно-медицинской экспертизы, положения о бюро судебно-медицинской экспертизы и других нормативных актов по судебно-медицинской экспертизе» (п. 2.24), федеральными законами от 12 января 1996 г. № 8-ФЗ «О погребении и похоронном деле» (п. 3) и от 31 мая 2001 г. № 73-ФЗ «О государственной судебно-экспертной деятельности в Российской Федерации» (п. 14, 16). Для изучения динамики заболевания из бедренных головок получали по три горизонтальных среза: верхний, средний и нижний (порядок чередования приведен в направлении гиалиновый хрящ - бедренная кость), которые в дальнейшем анализировали в виде сухих порошкообразных проб. Усредненный состав разных пораженных пластинок сравнивали между собой и с контрольными образцами.

мощью следующих спектральных методов анализа: ионов кальция - метод атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) на спектрометре AAS 1N по ГОСТ 26570-95 ; общий фосфор - спектрофотометрический метод на автоматизированной линии «Contiflo» (ГОСТ 26657-97) ; остальные элементы -метод масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) на спектрофотометре ELAN 9000. Концентрации ионов элементов рассчитывали по градуировочным кривым с использованием стандартных растворов. Пределы обнаружения элементов методами спектрофотомерии и ААС составляли 10-6 масс. %, для ИСП-МС - 10-9 -10--13 масс. %.

Статистическую обработку полученных данных проводили методом Стьюдента для доверительной вероятности Р = 0,95, исходя из предположения об их распределении по нормальному закону (программный пакет Statistic Soft 2006).

Результаты и их обсуждение

Анализ литературных источников показал, что данные по количественному содержанию элементов в костной ткани достаточно противоречивы , что обусловлено спецификой состава разных костей, их типом (табл. 1), возрастными особенностями человека (табл. 2), условиями среды проживания (климат, техногенное воздействие), характером питания и т. д.

Таблица 1

Исследуемая кость Mn Al Си Ti V

Малоберцовая 0,173 ± 0,030 0,113 ± 0,017 0,086 ± 0,030 0,062 ± 0,006 0,006 ± 0,004

Большеберцовая 0,184 ± 0,024 0,106 ± 0,024 0,084 ± 0,022 0,063 ± 0,006 0,006 ± 0,0007

Бедренная 0,220 ± 0,048 0,117 ± 0,034 0,040 ± 0,012 0,078 ± 0,010 0,006 ± 0,001

В среднем 0,192 ± 0,031 0,112 ± 0,016 0,070 ± 0,020 0,068 ± 0,008 0,006 ± 0,001

Таблица 2

Микроэлементы Возраст костной ткани

эмбрионы от 16-17 до 21 недели от одного дня до 19 лет от 20 до 40 лет от 50 до 83 лет

Fe 215,8 146,2 132,8 119,3

Si 23,8 25,3 22,4 16,4

Al 5,96 6,45 7,42 8,09

Pb 4,48 3,03 7,09 1,04

Cu 2,86 1,64 1,42 1,24

Sr 1,27 2,73 1,48 6,78

Ti 1,01 1,13 1,02 1,25

Mn 0,99 1,08 1,17 1,24

Сравнительное исследование литературных и экспериментальных данных позволило установить, что основными макроэлементами кости, содержание которых составляет больше 10-3 % от массы тела, выступают кальций, фосфор, натрий, калий, магний; к элементам с массовым составом от 10-3 до 10-6 % относятся цинк, марганец, медь, никель и другие (табл. 3 и 4). Видно, что физиогенные ОМА (кости, зубы) по макроэлементному составу значительно отличаются от патогенных конкрементов фосфатного типа, встречающихся наиболее часто в

организме человека (зубные, слюнные и почечные камни). Интервал варьирования элементов в костной и зубной ткани более узкий, очевидно, вследствие закономерного характера формирования физиогенных биоминералов и меньшего влияния эндогенных факторов на данный процесс. Условно можно отметить, что костная ткань по минеральному составу (Са, Р, Na, К, Mg) наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам -зубным камням, что может указывать на сходство составов минералообразующих сред и/или механизмов их образования .

Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии

Таблица 3

Макроэлементный состав физиогенных (костной ткани, эмали и дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, масс. %

Компонент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни 9; 25] Слюнные камни Почечные камни г

«норма» при коксартрозе

Ca/P 1,37 1,77 - 0,89 ± 0,04 1,81 ± 0,01 1,63 1,6-1,69 1,61 1,64-1,65 1,49-2,04 1,49-1,79 - 1,67

Na 0,70 0,90 0,50 0,44 ± 0,02 0,46 ± 0,14 0,50-0,90 0,25-0,90 0,60 0,7 0,37-0,88 0,28-0,95 0,1-2,43 -

Mg 0,55 0,72 0,30 0,19 ± 0,007 0,22 ± 0,01 0,07-0,44 0,25-0,56 1,23 0,8-1,0 0,32-0,50 0,20-0,24 1,5-84,58 -

K 0,03 0,03 0,20 0,058 ± 0,013 0,028 ± 0,013 0,001-0,008 0,05-0,30 0,05 0,02-0,04 0,11-0,13 0,03-0,12 0,07-4,05 -

Примечание: «-» - данные отсутствуют.

Таблица 4

Элементный состав физиогенных (костной ткани, эмали, дентина зуба) и патогенных (зубных, слюнных, почечных камней) ОМА фосфатного типа, -10-4 масс. %

Элемент Костная ткань Эмаль Дентин Зубные камни Слюнные камни Почечные камни

1; . Возможно, доминирующей заменой ионов в структуре костного апатита в данном случае является анионное замещение фосфатных тетраэдров, что является одной из причин снижения окристалли-зованности гидроксилапатита костных тканей .

Как и в случае макроэлементного состава, содержание микроэлементов в костной ткани значительно отличается от патогенных ОМА (табл. 4). В состав патогенных биоминералов входит наибольшее число микроэлементов, что в очередной раз подтвер-

ждает спонтанный и физиологически неконтролируемый механизм их образования. Все элементы в патогенных конкрементах содержатся в меньшем количестве, чем в костях. В отличие от других физиогенных минералов, костная ткань по содержанию Pb, Si, Zn, Sr, Ag уступает только эмали. При этом в ней содержится больше меди (в 13 раз) и бария (в 5 раз). По сравнению с дентином данный биоминерал наиболее богат практически всеми микроэлементами, за исключением цинка и серебра.

Ряды ранжирования микроэлементов, содержание которых составляет 0,0050,2 масс. %, по увеличению их концентраций выглядят следующим образом (табл. 4) : для костной ткани - Fe > > Cu > Ba > Pb > Si > Zn > Sr > Ni > Al > Mn; зубных камней - Zn > Sr > Fe > Ti > Cr; для слюнных камней - Ti > V > Cr > Fe > I; для почечных камней - Sr > Zn > Fe. Видно, что по сравнению с костной тканью в патогенных биоминералах число элементов в ряду, содержание которых в ОМА не менее 0,005 масс. %, уменьшается в 2 раза (для слюнных и зубных камней) и в 3 раза (для почечных камней). Остальные элементы в патогенных агрегатах представлены в меньшем количестве, чем в кости. Во всех рядах присутствует железо, в почечных и зубных образованиях в больших количествах содержится также Sr и Zn, а в слюнных и почечных появляются новые элементы Cr и Ti. Приведенные данные указывают на разную степень участия элементов в патогенной и физиогенной минерализации. Первостепенная роль в минерализации разного характера принадлежит железу, стронцию и цинку. В патогенных ОМА принимают участие микроэлементы, такие как Cr и Ti.

Головки бедренных костей исследуемой нами коллекции, в отличие от литературных данных, содержат микроэлементы в малых количествах (табл. 4). Так, концентрационные ряды элементов, содержание которых превышает 0,005 масс. %, состоят из двух и трех элементов: в «норме» - Zn > Sr и при коксартрозе - Zn > Sr > Fe. Такая последовательность элементов при повреждении костной ткани коррелирует с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение процесса минерализации костной ткани при коксартрозе.

Выявлено, что в пораженных верхних срезах костных тканей лиц первой и второй возрастных групп (30-49 и 50-59 лет) по сравнению с контрольными пробами повышено содержание ионов меди в 3 раза, олова в 4 раза, железа в 11 раз, марганца в 17 раз и хрома (в ряде образцов) в 18 раз (рис. 2). Также в отличие от «нормы» в поврежденных пробах можно отметить незначительное уменьшение количества ионов стронция.

Элементный состав костной ткани человека в норме и при патологии

Следовательно, полученные результаты свидетельствуют о нарушении процессов костного ремоделирования при коксартрозе. С одной стороны, возрастает содержание элементов, оказывающих активирующее действие на костную минерализацию (Cu и Mn), с другой, изменяется количество микроэлементов, ускоряющих скорость костной резорбции (Fe и Sn). Завышенные концентрации токсичного элемента хрома в ряде образцов также указывают на разрушающий (дегенеративный) характер метаболизма при данном заболевании. Роль олова в костном обмене в настоящее время не изучена.

В образцах костных тканей лиц третьей и четвертой категорий (60-69 и 70-79 лет) определенных закономерностей по изменению содержания микроэлементов при патологии установить не удалось, что может быть связано с процессами старения костной ткани и наличием сопутствующих заболеваний в данном возрастном интервале.

Таким образом, в работе установлено, что при заболеваниях, обусловленных нарушением Са/Р обмена веществ, таких как коксартроз, в костных тканях человека изменяется содержание следующих элементов: меди, олова, железа, марганца, стронция и хрома (в ряде случаев). При данном повреждении выявлено увеличение значения Са/Р-коэффициента, в основном за счет уменьшения содержания общего фосфора.

В состав костной ткани, в отличие от патогенных ОМА, входит меньшее количество микроэлементов, содержание которых зависит от степени минерализации костного об-

разца. Выявлена взаимосвязь концентрационных рядов микроэлементов Zn > Sr > Fe пораженной костной ткани с рядами для зубных и почечных камней, что может указывать на патологическое течение костной минерализации.

Показано, что в условиях физиологической «нормы» костная ткань по минеральному составу наиболее близка к физиогенному ОМА - дентину и к патогенным биоминералам - зубным камням.

Полученные данные могут быть использованы при изучении процессов костной минерализации в модельных условиях с целью разработки эффективных лечебных и профилактических методов восстановления костных тканей при костно-суставных заболеваниях.

ЛИТЕРАТУРА

Авицын А. П., Жаворонков А. А., Риш М. А., Строчкова Л. С. Микроэлементы человека. М., 1991. 496 с.

Зацепин С.Т. Костная патология взрослых. М., 2001. 640 с.

Лунева С. Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2003. 297 с.

Ерохин А. Н., Исаков Б. Д., Накоскин А. Н. Особенности микроэлементного состава костной ткани при чрескостном дистракционном остеосинтезе методом Илизарова в условиях высокогорья (экспериментальное исследование) // Саратовский научно-медицинский журнал.

2014. № 10 (1). С. 119-123.

Новиков М. И. Динамика накопления биогенных макро- и микроэлементов в костной ткани собак в постнатальном онтогенезе и в условиях чрескостного дистракционного остеосинтеза: дис. ... канд. биол. наук. Н. Новгород, 2008. 137 с.

Лемешева С. А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов: дис. ... канд. хим. наук. М., 2010. 177 с.

Прохончуков А. А., Жижина Н. А., Тигранян Р. А. Гомеостаз костной ткани в норме и при экстремальных условиях. М., 1984. 200 с.

Голованова О. А., Борбат В. Ф. Почечные камни. М., 2005. 171 с.

Голованова О. А. Биоминералогия мочевых, желчных, зубных и слюнных камней из организма человека: дис. ... д-ра геол.-минерал. наук. Томск, 2009. 240 с.

Александрова Т. В., Нахаева В. И. Генотоксический анализ водных проб естественного источника питьевой воды из реки Омь на генные и хромосомные мутации // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-15369.

ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. М., 2000.

ГОСТ 26657-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырьё. Метод определения содержания фосфора. М., 2000.

С.А. Герк, О.А. Голованова

Накоскин А. Н. Возрастные изменения и половые различия биохимического состава костной ткани человека: дис. ... канд. биол. наук. Курган, 2004. 111 с.

Lundager Madsen H. E., Abbona F., Barrese E. Effects of cadmium on crystallization of calcium phosphates // Crystal Research and Crystal Technology. 2004. Vol. 39. № 3. P. 235-239.

Войнар А. О. Значение микроэлементов в организме человека и животных. М., 1955. 24 с.

Энока P. M. Основы кинезиологии: пер. с англ. Киев: Олимпийская литература, 1998. 399 с.

Гилинская Л. Г., Занин Ю. Н., Назьмов В. П. Типоморфизм парамагнитных радикалов CO2-, CO3- и CO33- в природных карбонатапатитах // Геология и геофизика. 2002. T. 43. № 3. С. 297303.

Матвеева Е. Л. Биохимические изменения в синовиальной жидкости при развитии дегенеративно-дистрофических процессов в коленном суставе: автореф. дис. ... д-ра биол. наук. Тюмень, 2007. 24 с.

Вербова А. Ф. Состояние костной ткани и кальций-фосфорного обмена у рабочих фосфорного производства // Казанский медицинский журнал. 2002. Т. 83. № 2. С. 148-150.

Ньюман У, Ньюман М. Минеральный обмен кости / пер. с англ. О. Я. Терещенко, Л. Т. Туточ-киной; под ред. Н. Н. Демина. М., 1961.270 с.

Legeros R. Z. Calcium phosphates in oral biology and medicine. Karger, 1991. 221 p.

Корж А. А, Белоус А. М., Панов Е. Я. Репаративная регенерация кости. М., 1972. 215 с.

Пилат Т. Л. Зубной камень и его влияние на ткани пародонта // Стоматология. 1984. № 3. С. 88-90.

Ткаленко А. Ф. Влияние физико-химических характеристик слюны, слюнных и зубных отложений на исход лечения больных слюннокаменной болезнью: автореф. дис. . канд. мед. наук. М., 2004. 26 с.

Киселева Д. В. Особенности состава, структуры и свойств ряда фосфатных и карбонатных биоминералообразований: дис. ... геол.-минерал. наук. Екатеринбург, 2007. 197 с.

LeGeros R. Z. Formation and transformation of calcium phosphates: relevance to vascular calcification // Zeitschrift fur Kardiologie. 2001. Supplement Band 90. Р. 116-124.

Смолеговский А. М. История кристаллохимии фосфатов. М., 1986. 263 с.

Баринов С. М., Комлев В. С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М., 2005. 204 с.

Christoffersen M. R., Seierby N., Zunic T. B., Chris-toffersen J. Kinetics of dissolution of triclinic calcium pyrophosphate dehydrate crystals // Journal of Crystal Growth. 1999. Vol. 203. Р. 234-243.

Кости занимают строго определенное место в организме человека. Как и любой орган, кость представлена разными видами тканей, основное место среди которых занимает костная ткань, являющаяся разновидностью соединительной ткани.

Кость (os) имеет сложное строение и химический состав. В живом организме в составе кости взрослого человека присутствует до 50 % воды, 28,15 % органических и 21,85 % неорганических веществ. Неорганические вещества представлены соединениями кальция, фосфора, магния и других элементов. Мацерированная кость на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название «оссеин», на 2/3 - из неорганических веществ.

Прочность кости обеспечивается физико-химическим единством неорганических и органических веществ и особенностями ее конструкции. Преобладание органических веществ обеспечивает значительную упругость, эластичность кости. При увеличении доли неорганических соединений (в старческом возрасте, при некоторых заболеваниях) кость становится ломкой, хрупкой. Соотношение неорганических веществ в составе кости у разных людей неодинаково. Даже у одного и того же человека оно изменяется на протяжении жизни, зависит от особенностей питания, профессиональной деятельности, наследственности, экологических условий и др.

Большинство костей взрослого человека состоит из пластинчатой костной ткани. Из нее образовано компактное и губчатое вещество, распределение которых зависит от функциональных нагрузок на кость.

Компактное вещество (substantia compacta) кости образует диафизы трубчатых костей, в виде тонкой пластины покрывает снаружи их эпифизы, а также губчатые и плоские кости, построенные из губчатого вещества. Компактное вещество кости пронизано тонкими каналами, в которых проходят кровеносные сосуды, нервные волокна. Одни каналы располагаются преимущественно параллельно поверхности кости (центральные, или гаверсовы, каналы), другие открываются на поверхности кости питательными отверстиями (foramina nutricia), через которые в толщу кости проникают артерии и нервы, а выходят вены.

Стенки центральных (гаверсовых) каналов (canales centrales) образованы концентрическими пластинками толщиной 4-15 мкм, как бы вставленными друг в друга. Вокруг одного канала от 4 до 20 таких костных пластинок. Центральный канал вместе с окружающими его пластинками называют остеоном (гаверсова система) . Остеон является структурно-функциональной единицей компактного вещества кости. Пространства между остеонами заполнены вставочными пластинками. Наружный слой компактного вещества сформирован наружными окружающими пластинками, являющимися продуктом костеобразующей функции надкостницы. Внутренний слой, ограничивающий костно-мозговую полость, представлен внутренними окружающими пластинками, образующимися из остеогенных клеток эндоста.

Губчатое (трабекулярное) вещество кости (substantia spongiosa) напоминает губку, построенную из костных пластинок (балок) с ячейками между ними. Расположение и размеры костных балок определяются нагрузками, которые испытывает кость в виде растяжения и сжатия. Линии, соответствующие ориентации костных балок, называют кривыми сжатия и растяжения. Расположение костных балок под углом друг к другу способствует равномерной передаче на кость давления (мышечной тяги). Такая конструкция придает кости прочность при наименьшей затрате костного вещества.

Вся кость, кроме ее суставных поверхностей, покрыта соединительнотканной оболочкой - надкостницей. Надкостница (periosteum) прочно срастается с костью за счет соединительнотканных прободающих (шарпеевых) волокон, проникающих в глубь кости. У надкостницы выделяют два слоя. Наружный фиброзный слой образован коллагеновыми волокнами, придающими особую прочность надкостнице. В нем проходят кровеносные сосуды и нервы. Внутренний слой - ростковый, камбиальный. Он прилежит непосредственно к наружной поверхности кости, содержит остеогенные клетки, за счет которых кость растет в толщину и регенерирует после повреждения. Таким образом, надкостница выполняет не только защитную и трофическую, но и костеобразующую функции.

Изнутри, со стороны костно-мозговых полостей, кость покрыта эндостом. Эндост (endost) в виде тонкой пластинки плотно прилежит к внутренней поверхности кости и также выполняет остеогенную функцию.

Кости отличаются значительной пластичностью. Они легко перестраиваются под действием тренировок, физических нагрузок, что проявляется в увеличении или уменьшении количества остеонов, изменении толщины костных пластинок компактного и губчатого веществ. Для оптимального развития кости предпочтительны умеренные регулярные физические нагрузки. Сидячий образ жизни, малые нагрузки способствуют ослаблению и истончению кости. Кость приобретает крупноячеистое строение и даже частично рассасывается (резорбция кости, остеопороз). Профессия также оказывает влияние на особенность строения кости. Существенную роль, помимо внешнесредовых, играют также наследственно-половые факторы.

Пластичность костной ткани, ее активная перестройка обусловлены образованием новых костных клеток, межклеточного вещества на фоне разрушения (резорбции) имеющейся костной ткани. Резорбция обеспечивается деятельностью остеокластов. На месте разрушающейся кости формируются новые костные балки, новые остеоны.