Биохимия соединительной ткани

Занятия для студентов

Стоматологического факультета

По разделу

«Биохимия ротовой полости»

Биохимия костной и зубной ткани.

Актуальность темы.

Врач должен знать химический состав костной ткани (минеральные и органические компоненты костной ткани), механизмы её минерализации, роль гормонов и витамина Д3 в регуляции обменных процессов в костях, а также заболевания, связанные с изменениями костной ткани, в частности, возникающие с возрастом (остеопороз различного генеза).

Врач – стоматолог обязан знать химический состав (минеральные элементы), теории минерализации зуба, механизмы возникновение зубного налета, камня, биохимические аспекты развития кариеса и парадонтоза.

Вопросы для самоконтроля:

1. Химический состав костной ткани. Минеральные и органические компоненты костной ткани.

2. Механизм минерализации костной ткани, роль гормонов и витамина Д.

1. Химический состав тканей зуба. Минеральные компоненты: кристаллы гидроксиапатита, фторапатита и др. макро – и микроэлементы. Теория минерализации зубной ткани.

2. Зубной налет. Зубные камни. Роль и развитие кариеса и пародонтоза.

Аннотация по теме занятия.

Костная ткань – особый вид соединительной ткани, включающий компоненты органической и неорганической природы, выполняющий функцию депо Са (99%), состоящая 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%), Р (50%), образующие кристаллы гидроксиапатита, а также цитраты, бикарбонаты, соли Мg ²⁺, К⁺, Na⁺ и др.

Органическая часть образована коллагеном, неколлагеновыми белками, гликозамингликанами (хондроитинсульфат, кератансульфат и др.)

Неколлагеновых белков в костной ткани около 200, они составляют 3 – 5 % от её массы, все они участвуют в процессах обеспечения гистогенеза, самоподдержания, иммунологических свойств на протяжении всей жизни и репараций костной ткани. Это сиалопротеины, протеогликаны, фосфопротеины, гликозамингликаны.

Огромную роль играют кальций-связывающие белки костной ткани:

Остеонектин – поддерживает в присутствие коллагена осаждение Са²⁺, (РО₄)₃,

имеет кальций-связывающие участки, образованные сиаловыми кислотами и ортофосфатом.

Остеопонтин – богат дикарбоновыми кислотами, фосфосерином, содержит до 30 остатков моносахаридов, до 10 остатков сиаловых кислот. Он способен фиксировать остеобласты в участках физиологического и репаративного костеобразования. Его синтез резко возрастает во время трансформации вирусов.

Остеокальцин – это гла-содержащий протеин (γ–карбоксиглутаминовую кислоту). Именно эта аминокислота придает белку способность связывать Са²⁺ с помощью расположенных по соседству карбоксильных групп. Огромную роль играют также гла – протеин матрикса (связывает минеральные кристаллы и легко растворимый в воде костный морфогенетический белок, доставляет его к клеткам мишеням).

Протеин S – при его дефиците наблюдаются изменения скелета.

Протеогликаны: хондроитинсульфат – содержащий, он «захватывает пространство», которое должно стать костью.

Декорин и бигликан в их составе один или два гликозамингликана. Они отличаются по локализации. Декорин с коллагеном регулирует диаметр фибрилл и «отдельные» молекулы коллагена, бигликан – в матриксе.

Костная ткань содержит различные углеводы, в ней с большой интенсивностью идут процессы гликолиза и пентозофосфатного пути обмена углеводов. Высокое содержание РНК отражает активную постоянную биосинтетическую функцию костной ткани.

Липиды играют важную роль в минерализации и транспорте ионов через мембраны клеток костной ткани. В ней преобладают фосфолипиды. Основная органическая кислота, находящаяся в костной ткани – цитрат. Он представлен в двух формах: 1 – растворимой, принимающей участие в ЦТК; 2 – нерастворимой, неактивной, входящей в состав минерального компонента.

Костная ткань – депо минеральных компонентов, являющихся буферной системой, участвующей в поддержании концентрации ряда ионов. Она быстро поглощает из крови Са, и различные его соединения: кальцийфосфат, карбонат Са, хлориды Са, фториды Са и др. Структура решетки неорганических кристаллов кости соответствует структуре кристаллов гидроксиапатита (Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂) – это часть минеральной фазы кости. Другая часть представлена аморфным фосфатом кальция, его присутствие подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Фосфат кальция в костях преобладает в раннем возрасте.

В настоящее время известно более 30 остеотропных микроэлементов Сu, Sr, Zn, Bа, Al, Be, Si, F и др.

Обызвествление и декальцинация костной ткани находится в тесной зависимости от содержания микроэлементов. Так Sr и Vi способствуют обызвествлению, а Zn и Bа участвуют в процессе декальцинации. Мg активирует ряд ферментов, в частности щелочную фосфатазу.

Минерализация – сложный биохимический процесс, включающий множество превращений с участием органических и неорганических компонентов, требующих больших энергетических затрат, регулируемый многими факторами, включая витамины, гормоны, ферменты, АТФ, гликозамингликаны, ЦТК.

Процесс минерализации состоит в очаговом образовании центров кристаллизации гидроксиапатита из растворов Р и Са под действием коллагеновых волокон, в которых необходимо специфическое взаиморасположение реакционноспособных групп, способным служить центрами кристаллизации.

Важную роль играют также гликозамингликаны, в частности хондроитинсульфат, обладающий повышенным сродством к ионам Са и Р. Гликозамингликаны интенсивно секретируются остеобластами в зоне минерализации, а затем подвергаются действию лизосомальных ферментов, образуя высокоактивные ионы.

Биохимическую основу нуклеации первичных зародышей кристаллов составляет реакция образования комплекса между коллагеном, АТФ, Са и хондроитинсульфатом.

К факторам, контролирующим кристаллообразование, относится пирофосфаты и фосфолипиды, ингибирующие минерализацию.

Регуляторы обмена костной ткани.

Паратгормон – повышает содержания сывороточного Са²⁺, вызывает резкое усиление процессов резорбции, выражающееся в разрушении минеральной и органической основы костной ткани. Под его влиянием увеличивается число остеокластов и их активность, что доказывается повышением Са²⁺ в крови и выделением с мочой оксипролина.

Тиреокальцитонин, напротив, ингибирует резорбцию кости остеокластами, поэтому его применяют в клинике при заболеваниях, связанных с усиленной резорбцией кости (остеопорозы различного происхождения, замедленное заживление переломов, несовершенный остеогенез).

Витамин Д – стимулирует минерализацию на уровне транскрипции, усиливая экспрессию остеокальцина.

Зубы – костные образования в ротовой полости, выполняющие многочисленные функции. У зуба есть твердые ткани: эмаль, дентин (85%), цемент и мягкая – пульпа.

Эмаль является самой твердой тканью зуба, твердость – 398 кг/мм2, органических веществ в зубе 1,5%, Н₂О – 3-4%, неорганических веществ – 95-97%: из них Са – 37%, Р – 17%.

Органические вещества представлены белком в виде сеточки, в петлях которой располагаются кристаллы минеральных солей. Белок имеет растворимую и нерастворимую (в большей степени) фракции; пептиды, свободные аминокислоты.

Основным минеральным компонентом эмали являются кристаллы гидроксиапатита Са10(РО4)6(ОН)2) – 75%

Карбонатапатит – 12,06%

Хлорапатит – 4,4%

Фторапатит – 0,66%

Карбонат кальция – 1,3%

Карбонат магния – 1,6%

В эмали около 20 микроэлементов (Fе, Sr, Рв, Zn и т.д.), их больше в поверхностном ее слое.

В развитии эмали различают 2 фазы:

1. Образование органической матрицы и первичная минерализация.

2. Созревание эмали, окончательное отложение минеральных солей.

Минерализация происходит как эндогенно - вещества, поступают с зубным ликвором от пульпы зуба, так и экзогенно – из слюны, особенно после прорезывания.

В регуляции минерализации принимают участие: паратгормон, тироксин, витамин Д (стимулирует синтез Са и Р в крови), витамин С (формирует коллагеновые белки).

Дентин - грубоволокнистая ткань, состоящая на 27-30% из органических веществ, в нем кроме коллагена есть гетерополисахариды и жиры, Са – 28%, Р – 16%.

Всю массу дентина пронизывают канальцы, через которые дентиновая жидкость доставляет зубу нужные вещества. Количество канальцев наибольшее вблизи пульпы. В просвете дентиновых канальцев расположены отростки (клеток пульпы) одонтобластов.

Цемент – состоит из основного вещества, пропитанного солями извести. Питается он путем диффузии со стороны периодонта. Органических веществ в нем – 32%, неорганических – 68%.

Пульпа – мягкая ткань, заполняющая полость зубов. Пульпа коронки представлена рыхлой соединительной тканью с нежной сетью проколлагеновых и коллагеновых волокон с большим количеством клеточных элементов. В пульпе корня коллагеновые волокна толще, плотнее, идут по ходу нервнососудистого пучка.

Клеточные элементы в пульпе представлены одонтобластами, звездчатыми клетками, фибробластами, макрофагами. Белка в ней – 52%, гликогена – 42%.

Функции пульпы: трофическая, пластическая, защитная.

Пульпа зуба отличается относительно высокой активностью окислительно – восстановительных процессов. В пульпе идет синтез РНК, пульпа богата ферментами, в основном участвующими в углеводном обмене.

Зубной налет всегда покрывает зубы и играет важную роль в биохимических процессах, происходящих в эмали. Это сложное образование, состоящие из микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Матрикс налета образуют гликопротеины слюны. Под действием ферментов вырабатываются мелкие полисахариды типа декстрана и левана, к которым спустя несколько дней прилипают бактерии. На этой стадии зубной налет представляет собой наибольшую опасность для эмали зубов.

Объясняется это тем, что ферменты гиалуронидаза, протеиназа и различные органические кислоты (молочная, уксусная) могут вызывать растворение пелликулы, химическое разрушение эмали. Если же изменяется состав микроорганизмов (смена аэробов анаэробами), увеличивается щелочность, снижается продукция кислоты, накапливается Са, а вместо налета образуется зубной камень.

Зубной налет содержит:

Воду – 78-80%;

Белок – 9,6-12,7%;

Углеводы:

Глюкозу – 3%;

Сахарозу – 2,5%;

Полисахариды – 10% типа левана и декстрана

Сиаловую кислоту

Липиды (ФЛ, холестерин)

Ионы: Р, Са, Νа, Κ, Fе, Мn (их меньше, чем в слюне)

Ферменты: более 50 (большинство из всех микробного происхождения)

Сульфатазу, которая приводит к разрушению органического каркаса, эмали, дентина.

Коллагеназу, вызывающую гидролиз коллагена десны и кости альвеолярного отростка.

Гиалуронидазу, расщепляющую гиалуроновую кислоту – основное межклеточное вещество соединительной ткани.

Эластазу, разрушающую эластин сосудистой стенки, что вызывает кровоточивость.

Фосфатазу, формирующую очаговые дефекты эмали.

Нейроминазу, разрушающую сиаловой кислоты пелликулы, при этом усиливается адсорбция.

Пероксидазу.

Лизоцим, вызывающий лизис оболочки бактерий

ЛДГ

Фосфатазу, ферменты гликолитического пути распада углеводов

Нейраминазу

Биохимические изменения при кариесе зуба.

Кариес (костоеда) самое распространенное заболевание. Им поражается 80-90% населения земного шара. На возникновение этого заболевания могут влиять как общие, так и местные факторы. Причины возникновения кариеса:

Общие: неполноценное питание, питьевая вода, экстремальные воздействия, сдвиги в функциональном состоянии органов.

Местные: зубной налет, бактерии, нарушение состава и свойств ротовой жидкости, углеводные остатки пищи.

Непосредственной причиной деминерализации эмали и дентина являются органические кислоты (молочная, уксусная). Эти кислоты образуются под действием ферментов микроорганизмов при углеводной пище. Микроорганизмы полости рта и зубного налета (прежде всего молочно-кислые стрептококки, лептотрихии, актиномицеты) способны быстро превращать углеводы, особенно сахарозу, сначала в полисахариды типа декстран, леван, а затем в кислоты. При этом снижается рН. Кислоты растворяют кристаллы эмали и дентина. Происходит их деминерализация и деполимеризация, в результате чего образуется кариозная полость.

Микроорганизмы полости рта

Зубной налет

Кариесогенные факторы (кислоты)

Деполимеризация Деминерализация эмали

матрикса эмали

кариес зубов

На стадии коричневого пятна к расстройствам реминерализации присоединяются изменения белкового обмена, идет распад белковой матрицы неколлагеновых белков, нарушается структура коллагена, изменяется соотношение кислых (аспарагина, глутамина) и основных (лизин, аргинин, гистидин) аминокислот. Распадаются гетерополисахариды, увеличивается содержание углеводов до 12 раз.

На стадии среднего кариеса процесс распространяется вглубь, образуется конусовидный очаг поражения, повышается структурная проницаемость по направлению от кариозной полости к пульпе. Ферменты микроорганизмов начинают действовать на отростки одонтобластов, распадаются коллагеновые волокна, возрастает гидрофильность межклеточного вещества (за счет деполимеризации гликозамингликанов). В клетках повреждаются митохондрии, уменьшается количество АТФ, накапливаются кислые продукты, что приводит к ацидозу, увеличивается количество биогенных аминов. Это вызывает сильные «рвущие» боли, отток экссудата ухудшается, повышается внутриклеточное давление.

Литература:

1. Материал лекций.

2. Берёзов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., Медицина,

2004.

Биохимия соединительной ткани.

Поиск по сайту: