Биохимия тканей зуба

Изучение химического состава и биохимических процессов тесно связаны с заболеваниями: кариес, флюороз, профессиональная патология зубочелюстной системы, гипоплазия и другие некариозные заболевания зуба.

Эмаль явл. самой твердой тканью человека. После созревания она имеет специфические особенности структуры и функционирования:

1. полное отсутствие клеточных элементов

2. почти полное исчезновение белковых компонентов

3. неспособность к росту и регенерации после серьезных механических повреждений

Водная фаза эмали (эмалевая жидкость) сост. Всего 3-3,5%. Вода занимает свободное пространство кристаллической решетке апатитов и органическом матриксе эмалевой призмы, а также связана внутри структур кристалла. Часть воды представлена в виде гидратной оболочки, окружающей кристаллиты (апатиты).

Ионы, находящиеся на поверхности кристалла связаны с молекулами воды гидратных оболочек, кроме того, часть воды в эмали связаны с небольшим кол-вом белковых вещ-в. Эмалевая жидкость распределена в эмали зуба неравномерно - её больше в глубоком слое эмали, особенно у эмалево-дентинной границы.

Органические вещ-ва эмали (1,6%) представлены в основном белками. Кроме них в эмали содерж. липиды, углеводы, лактат, цитрат и свободные аминокислоты. Белки органического матрикса эмали по аминокислотному составу преимущественно относятся к кератиноподобным белкам, но в отличие от кератина они богаты серином, в основном в виде серин-фосфата и имеют небольшой молекулярный вес. Коллаген в эмали обнаружен в виде следов.

Сравнительно недавно в структуре эмали доказано наличие гликопротеидов, также небольшое кол-во Са-связывающего белка (гаммакарбоксиглутаматный белок), этот белок с достаточно высокой емкостью и склонностью к агрегации до тетрамеров в нейтральной среде. Содержание белка в эмали сост. 1,3%.

Углеводный состав эмали и дентина представлен в основном гликогеном. Из углеводных компонентов в эмали обнаружили глюкозу, маннозу, ксилозу. Обычно они связаны с белками, т. е. входят в состав гликопротеидов эмали, частично в свободном виде. В поверхности эмали содержится в 10 раз больше углеводов, чем в глубоких слоях – это говорит о том, что приток идет за счет ротовой жидкости. Гликопротеиды играют существенную роль и особенно в дентине, где их больше в динамической устойчивости твердых тканей зуба, поскольку именно гликопротеиды осущ. химическую связь с белками, углеводами, минеральными компонентами твердых тканей зуба – все это имеет значение в реминерализации.

Липиды эмали (0,2%) также участвуют в процессах минерализации и реминерализации. Считают, что реминерализация эмали, в том числе при кариесе, возможна только при сохранившейся структуре органического матрикса.

Среди хим. компонентов эмали и дентина в сравнительно большом кол-ве обнаружен цитрат. В эмали его примерно 0,1 % в дентине – 0,9%. Обнаружен лактат. Оба принимают участие в процессах минерализации.

Прочность и высокая плотность эмали объясняется высоким содержанием в ней минеральных компонентов примерно 95% на сухой вес. Минеральный компонент ткани представлен кристаллами гидроксиапатитов, карбонатапатитов, хлорапатитов, фторапатитов, цитратапатитов – кристаллиты. Из них превалирует более 70 гидроксиапатитов. Каждая кристаллическая решетка сост. из 18 ионов. Кристаллы гидроксиапатита в эмали значительно крупнее, чем в эмали, дентине и костях и расположены пучками.

В эмали также содержится около 2% неапатитных кристаллов – октокальцийфосфат, дикальцийфосфат и фосфат кальция.

Кристаллы гидроксиапатита имеют 6-гональную форму и размеры от 20*3-20*7 нм.

Поверхность всех кристаллитов костей и зубов составляет примерно 2 кв. км. В настоящее время минерализованные ткани рассматривают как ионообменные системы, кристаллы которых имеют

3 зоны:

1. Внутреннюю

2. Наружную (или поверхностную)

3. Гидратную оболочку

Каждая из этих зон доступна для ионного обмена в различной степени. Практически любой ион из смешанной слюны, может проникать через гидратную оболочку, но только некоторые в ней концентрируются.

Более специфические ионы, такие как стронций, барий, магний, хром, кадмий, фтор могут проникать через поверхностную зону гидроксиапатитов и внедряться во внутреннюю зону кристаллов - остеотропы.

Фактором повышающим реактивную способность апатитов в процессах изоионного и изоморфного замещения является наличие вакантных мест в узлах кристаллической решетки .

Характер ионного обмена в эмали носит чисто физико-химический неферментативный характер ибо в эмали нет ферментов. Большое значение имеют:

1. Состав ротовой жидкости

2. Возраст

3. Гормональный и витаминный фон организма

4. Степень васкуляризации окружающих тканей (пародонт)

В ионном обмене выделяют 3 последовательные стадии:

1. Быстрая стадия (минуты) – диффузия ионов по градиенту концентрации из свободной воды в воду гидратной оболочки кристалла.

2. Более медленная (часы) - замещение поверхностных ионов кристаллической решетки апатита катионами или анионами из гидратной оболочки.

3. Еще более медленный (дни, месяцы) - проникновение иона в глубь кристалла. Не все ионы проникают. Внутри кристаллический обмен.

Обратимость всех трех стадий ионного обмена является физико-химической• основой обновления минеральной фазы эмали. Реактивную часть гидроксиапатита представляет колонку ионов гидроксила (расположена продольно оси кристалла).

Некоторые ионы гиидроксила разрушаются, что усиливает движение ионов внутри колонки, повышает его химическую реактивность. Другие ионы гидроксила могут замещаться фтором. Изоморфные замещения одной или двух гидроксильных групп нонами фтора приводит к образованию более устойчивых, стабильных кристаллов гидроксифторапатита. Частично образуется фторид кальция. Не только ионы гидроксила могут замещаться, ионы кальция и фосфора так же могут замещаться.

Кальций кристалла гидроксиапатита может замещаться ионами стронция, бария, магния, хрома, кадмия – это так называемое изоморфное замещение. Такое замещение обуславливает снижение устойчивости эмали.

Эмаль содержит следы Na, Zn, Pb, Fe и др. элементов - примесные микроэлементы минеральной фазы эмали. Кроме того, здесь содержится анионные компоненты Cl, F, Br, I, карбонаты. Большинство этих компонентов, и, прежде всего анионов существуют как часть структуры кристаллоапатита. Другие существуют как отдельная фаза. Карбонаты накапливаются внутри кристаллической решетки, фосфаты – это так называемые карбонатапатиты. В меньшей мере карбонаты могут замещать ионы гидроксила. Магний и др. остеотропные элементы, в том числе и цитрат, слишком велики, чтобы проникнуть в структуру решетки и поэтому находятся по краям кристаллов.

Оказывается примесные компоненты эмали могут распределяться в ней по-разному:

• Стронций, К, Al распределяются равномерно по толщине эмали.

• Микрокомпоненты могут убывать по направлению к дентину - F, Zn, Fe, Pb

• Могут нарастать по направлению к дентину - Na, Mg.

Больше того доказано, что внедрение в кристаллы апатита ионов F, Al приводит к кариесостатическому эффекту. В меньшей мере этот эффект связан с внедрением Li , Сu, Au .

У ионов Be, Co, олова, Zn, Br, J этот эффект отсутствует.

Кариесогенный эффект отмечается при внедрении ионов Se, кадмия, Mn, Pb, кремния. Содержание обычных ионов Са и фосфата во многом зависит от концентрации их в тканях окружающих и в ротовой жидкости.

В составе интактных зубов молодых людей содержание Са составляет примерно 36%, Р - 17,3%/

Отношение Са/Р для интактных зубов молодых людей составляет 2,07. У лиц старшего возраста этот показатель снижается до 1,97 (не согласен). Здоровая эмаль зубов молодых субъектов (до 30 лет) имеет более низкий показатель Са/Р, чем эмаль зубов пожилых лиц. Считают, что чем выше соотношение Са/Р тем выше способность гидроксиапатита противостоять действию кислот. В кариозной эмали это соотношение резко снижается.

Распределение Са и Р до прорезывания в эмали равномерное. В последующем происходит сдвиг в сторону увеличения степени минерализации от срединных слоев к дентину и к внешней поверхности (что подтверждает теорию о несовершенстве структуры эмали после прорезывания). Карбонатов в поверхностных слоях эмали содержится в меньших количествах по сравнению с другими слоями. Еще больше это снижение отмечается с увеличением возраста речь идет о снижение содержания в поверхностных слоях. Хлориды в поверхностных слоях эмали составляют 0,6% и снижаются до 0,1% в глубине тканей. Хлориды способны обмениваться с гидроксильной группой гидроксиапатита - это типичное изоионное замещение, но они, как правило, не фиксируются в обызвествляемых тканях.

Концентрация F в эмали и дентине тесно связано с поступлением его в организм с питьевой водой и пищей. Наибольшая концентрация фтора обнаружена до прорезывания в период их минерализации. После прорезывания высокий уровень F в поверхностных слоях эмали. Хотя кристаллы фторапатита составляют небольшую долю кристаллитов эмали, но в связи с большими размерами они придают эмали особую прочность и кислотоустойчивость. Содержание фтора в дентине и цементе у взрослых людей достаточно высоко.

Как образуются фторапатиты?

По аналогии идет замещение на Сl, на карбонаты.

Эмаль зуба проницаема в обоих направлениях для таких неорганических ионов как Са, фосфаты, Мn, хлориды, Со и др., а так же для целого ряда органических соединений: углеводы, аминокислоты, и даже витамины.

Процесс проницаемости эмали в значительной степени зависит от состава ротовой жидкости. При оптимальных значениях рН ротовая жидкость представляет собой перенасыщенный раствор гидроксиапатитов, что препятствует растворению в ней кристаллитов эмали и наоборот обеспечивает реминерализацию, т.е. поступление ионов Са. Сдвиг рН в кислую сторону и последующее кислотное растворение эмали является пусковым механизмом развития кариеса. Отсюда неизбежно следует вывод о необходимости применения реминерализующих растворов для профилактики и лечения поверхностных кариесов. Предпочтительными в последнее время считают реминерализирующие растворы содержащие ниодим. При внедрении ниодима в структуру кристалла происходит стабилизация апатитов, а значит и выраженное замедление деминерализации.

Дентин.

Основной по массе компонент зуба, менее обызвествленный по сравнению с эмалью. Минеральных вещ-в в дентине примерно 70%. Главнейшими компонентами минеральной фазы является гидроксиапатит и карбонатапатит. Имеются так же фтор- и хлорапатиты. Как и в эмали здесь сравнительно немного неапатитовых кристаллов. Кроме Са (24,8%) и фосфата (15,8%) в минеральной фракции дентина содержатся и другие остеотропные элементы Мg, К, Na, и анионы хлориды, фториды, карбонаты, ион гидроксония. В дентине больше Mg, Na, F, карбоната по сравнению с эмалью. Воды здесь содержится больше (9,1%) . Органические вещества дентина составляют 20,9% и представлены белками, липидами и углеводами, причем в количественном отношении их больше чем в эмали. Из белков дентина основным является коллаген, который содержит типичный для коллагена кости (коллаген 1-го типа) аминокислотный состав.

Большое количество глицина, пролина имеется оксипролин, аланин, отсутствуют серосодержащие аминокислоты - триптофан.

Коллаген дентина связан с кислыми протеогликанами содержащими хондроитинсульфаты, они в свою очередь содержат Са. Обнаружены здесь так же различные гликопротеиды: сиалогликопротеид, группа белков - анилины, фосфопротеины. Углеводный компонент органического матрикса дентина представлен в основном гликогеном. Одновременно здесь есть гетероолигосахариды гликопротеидов, хондроитинсульфаты, а так же галактоза и глюкоза, связанные с коллагеном.

Необходимо отметить, что структура и химический состав дентина могут изменяться в зависимости от состояния организма человека. Например, нарушение структуры дентина наблюдаются при рахите и, особенно при рахите устойчивом, резистентном к витамину D. Аналогичные нарушения структуры наблюдаются при отравлении солями свинца.

Липидов в дентине примерно 0,6% практически они малоизучены.

ЦЕМЕНТ

Является вариантом грубоволокнистой костной ткани. Цемент содержит значительно больше воды, чем дентин и эмаль, в то же время здесь меньше минеральных веществ - 68%. Больше органических - 32%. Как и в дентине преобладающими компонентами минеральной фазы являются кристаллы гидрокси- и карбонатапатита. Имеются здесь и другие апатиты. Присутствуют практически те же остеотропные микроэлементы, что и в дентине.

Органический матрикс цемента сходен с матриксом трубчатой кости. Преобладающим здесь являются коллагеновые белки первого типа. В то же время есть минорные коллагены. Матрикс цемента содержит и неколлагеновые белки: протеогликаны, глико- и фосфопротеиды, Са-связывающий белок.

В состав органического матрикса входят так же углеводы, липиды, низкомолекулярные пептиды, цитрат, лактат и др. соединения.

Обменные процессы в твердых тканях зуба изучены слабо. Доказано, что введенный меченный радиоизотоп фосфора (Р) обменивается с фосфором минерализованных тканей зуба. С какой скоростью? Обновление в дентине происходит приблизительно в 6 раз медленнее, чем в трубчатых костях, но в 15-20 быстрее, чем в эмали. Такой медленный обмен минеральных компонентов зуба согласуется с их стабильностью в условиях благоприятных потенциально для кальцификации (беременность и недостаток витамина D).

Большое значение в обменных процессах в дентине и пульпе принадлежит дентинной жидкости химический состав которой типичен для интерстициальной жидкости.

Содержание белка - 0,5-2%

- глюкозы - 45 мг/100мл

Са и Р так же ниже, чем в плазме крови.

Пульпа зуба содержит ведущим источником поступления в дентин Са, фосфата и целого ряда других веществ. Хотя обмен белков в твердых тканях зуба и, особенно в эмали происходит медленно, но тем менее меченный оксипролин (входит в структуру только коллагена) включается в коллаген дентина, эмали и цемента. Экспериментально показано, что меченная по углероду аминокислота глицин (входит в каждом 3-м положении в состав коллагена) обнаруживается в твердых тканях зуба уже через 10-15 минут. Еще быстрее поступают минеральные соли, несколько медленнее поступают углеводы и липиды. Быстро поступают карбонаты.

Обмен минеральных веществ в эмали и цементе осуществляется на уровне ионного обмена с участием катализаторов типа микроэлементов Mo, F, гормонов: тирикальцийтонин, паратгормон, медиаторов: адреналин, ацетилхолин, а так же физиологически активных веществ слюны и зубного налета.

ПУЛЬПА

Вариант рыхлой соединительной ткани. Клеточные элементы пульпы отличаются разнообразием. Помимо одонтобластов здесь имеются фибробласты, макрофаги, плазматические клетки. Одонтобласты принимают участие в обменных процессах дентина и эмали. Они располагаются преимущественно в наружном слое пульпы, а отростки поникают в дентинные канальца и идут на всем их протяжении.

Содержание воды в пульпе составляет примерно 72-74%, остальное приходится на долю сухого остатка, состоящего из органических и неорганических компонентов.

Основными белками внеклеточного матрикса пульпы являются коллагеновые белки, формирующиеся в коллагеновые волокна. Эластические волокна в пульпе не найдены. Пульпа корневых каналов отличается от коронковой пульпы большим содержанием пучков коллагеновых волокон. В состав межклеточного матрикса входят протеогликаны, гликопротеиды, фосфопротеиды и низкомолекулярные пептиды. Особенно богата гликопротеидами базальная мембрана сосудов пульпы зуба. Из углеводных компонентов преобладают здесь хондроитинсульфаты, гетероолигосахариды, гликоген, глюкоза, уроновые кислоты.

Пульпа как любая ткань содержит липиды и различные метаболиты. Макромолекулы ткани пульпы зуба (белки и входящие в состав протеогликанов хондроитинсульфаты) обладают амфотерными свойствами. При физиологических значениях рН карбоксильные группы коллагена, гликопротеидов, протеогликанов создают отрицательный заряд межклеточного матрикса, это обуславливает не только поглощение чужеродных веществ, но и катионов Са, К, Nа имеющих физиологическое значение.

Содержание белка в пульпе зуба составляет 52 + 3 мг/г. Гликогена 0,42 мг/г

Особенность метаболизма пульпы.

1. Пульпа зуба является относительно высокой по сравнению интенсивностью окислительно-восстановительных процессов, потребление кислорода, т.е. интенсивное дыхание.

2. О высоком уровне обменных процессов свидетельствует наличие здесь пентозофосфатного цикла окисления глюкозы (интенсивно идут биосинтетические процессы). Наиболее высокий уровень этого цикла определяется в период активной продукции одонтобластами дентина, например при образовании вторичного цемента.

С помощью радиоизотопных методик в пульпе обнаружены активные процессы синтеза РНК, а значит и синтез соответствующих белков. Раскрыты закономерности функционирования одонтобластов в норме и при патологии.

Пульпа зуба богата ферментами с достаточно высокой активностью, что так же свидетельствует об интенсивном метаболизме данной ткани. Доказано, что углеводный обмен протекает здесь со значительной интенсивностью. В пульпе обнаружены практически все ферменты углеводного обмена (альдолаза, ЛДГ, гексокиназа, амилаза, фосфорилаза). Обнаружены здесь дыхательные ферменты, ферменты цикла Кребса, различные формы эстераз, щелочная и кислая фосфатазы, здесь найдена глюкозо-6-фосфатаза (гликоген который здесь расщепляется, может в виде глюкозы поступать в дентинную жидкость). Обнаружена АТФ-аза, аминопептидаза, трансферазы АлАт и АсАт, холиностераза и др. ферменты.

Обнаруженный комплекс ферментов позволяет характеризовать пульпу как ткань с высокой метаболической активностью, чти и обуславливает высокий уровень трофики, реактивности и защитные механизмы данной ткани зуба. Об этом свидетельствует, например повышение активности многих ферментов пульпы при кариесе, пульпитах и др. патологических состояниях. При среднем и глубоком кариесе в пульпе повышается содержание гликогена.