Доц. Каминская Л.А.

БИОХИМИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ

Кость – специализированная костная ткань, которая вместе с хрящевой образует скелет. Кость – сложное структурное образование, содержащее, наряду со специфической костной тканью, надкостницу, костный мозг, кровеносные и лимфатические сосуды, нервы и в ряде случаев хрящевую ткань.

Как и все соединительные ткани , состоит из клеток и внеклеточного матрикса

Внеклеточный матрикс содержит воду, белки( коллагеновые и неколлагеновые), незначительное количество протеогликанов и растворенных низкомолекулярных органических веществ. Главная особенность внеклеточного матрикса- способность минерализоваться и приобретать сложную кристаллическую структурную организацию.

Различают кортикальную и трабекулярную костную ткань.

Кортикальная кость – тонкая плотная пластинка, образует наружную часть всех костей, выполняет механическую защитную функции.

Трабекулярная кость - сеть тонких костных пластинок . между которыми располагается гемопоэтический костный мозг. Она заполняет изнутри позвонки и концы длинных костей, выполняя, в основном , метаболическую функцию.

Внеклеточный матрикс состоит из органического и неорганических веществ.

Органические вещества представлены белками, из которых 95% -коллаген 1 типа , входящего в состав фибрилл. Наиболее важными неколлагеновыми белками являются остеокальцин, остеонектин, остеоронтин.

Кальцифицированный матрикс не является инертным, в нем непрерывно происходят процессы обмена с участием костных клеток- остеоцитов- связанных между собой отростками . Клетки располагаются в в лакунах, а их отростки - в канальцах, по которым циркулирует внеклеточная жидкость, через которую осуществляются процессы обмена кости.

Костная ткань активно участвует в поддержании гомеостаза организма.

• Депо неорганических соединений

• Служит буфером, стабилизирующим ионный состав внутренней среды.

• Обменные реакции с неорганическими компонентами окружающей тканевой жидкости.

• Кроветворение ( депо кроветворной ткани )

На протяжении всей жизни происходит замещение на отдельных участках кости старых давно минерализованных участков на вновь образуемую кость . Этот процесс получил название «ремоделирование костной ткани», или « костный оборот».

Можно сказать, что кость состоит из «основных многоклеточных единиц ремоделирования», которые отвечают за локальное формообразование и местные концентрации кальция и фосфата.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ

Кость, кажущаяся, на первый взгляд, инертным образованием, в действительности характеризуется высокой метаболической активностью и способностью к восстановлению свойств, формы, размеров после травматических воздействий . Достигается это в результате взаимодействия между органическими и неорганическими веществами с участием клеток костной ткани.

Органический матрикс костной ткани.

Органические вещества кости составляют 30% массы, минеральные компоненты - 60% ; вода- 10% .

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

В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют более 50% , неорганических соединений 35 – 40% , воды 10%.

Главной составной частью органического матрикса костной ткани является фибриллярный белок – коллаген, на долю которого приходится 89 – 97% азота костной ткани. В небольших количествах в органическом костном матриксе присутствуют мукопротеины, сиалопротеины и другие неколлагеновые белки.

Доля гликозаминогликанов 0,1 – 0,4%. Гликозаминогликаны принимают участие в образовании тканевого каркаса, они ответственны за формирование фибрина коллагена и имеют непосредственное отношение к процессам оссификации.

КОЛЛАГЕН.

Коллаген минерализованных тканей имеет много общего с коллагеном мягких тканей: у них близкий аминокислотный состав, идентичны первичная структура и строение цепей. Наряду с этим у коллагена кости есть ряд отличительных черт по сравнению с коллагеном мягких тканей.

В костном коллагене содержится больше свободных аминогрупп лизиновых и гидроксилизиновых остатков. В молекуле коллагена кости присутствуют дикарбоновые отрицательно заряженные аминокислоты и фосфаты. Молекулярная организация характеризуется высокой степенью упорядоченности молекулярных остатков благодаря прочным межмолекулярным связям.

Отличительные особенности коллагена кости максимально приспособлены для выполнения функции минерализации. Аминогруппы лизина и оксилизина связывают фосфаты, принимая участие в процессе зарождения первичных кристаллов кости. Определённый тип агрегации и упаковки макромолекул тропоколлагена создаёт специфические группировки , способные служить центром кристаллизации . На их основе вырастают кристаллы , и минерализованная органическая основа, приобретает необходимую твёрдость . Коллаген вместе с минеральными компонентами определяет механические свойства кости.

НЕКОЛЛАГЕНОВЫЕ БЕЛКИ.

Наряду с коллагеном , составляющим основную массу органического матрикса костной ткани, в ней содержатся белки неколлагеновой природы: гликопротеины, сиалопротеины , альбумины.

Неколлагеновые белки остеокальцин,, остеонектин, остеоронтин-кальцийсвязывающие белки, участвуют в участвуют в минерализации

Остеокальцин- уникальный для костей и зубов белок, его доля в костях 1% от общего содержания белков, и уровень его в кости отражает скорость остеогенеза.

.В составе кальцийсвязывающих белков много остатков γ -карбоксиглутамата

Синтез γ -карбоксиглутамата зависит от присутствия витамина К

Витамин К – кофактор синтеза фермента γ- карбоксилазы

Остатки глутаминовой кислоты карбоксилируются при участии витамина К в γ -положение после трансляции белка, но до секреции в межклеточное пространство. Образуется « хвостик» дикарбоновой кислоты, которая прочно связывает ионы кальция

.( вспомните аналогичные цитрат кальция и оксалат кальция, который нерастворим в

воде ), γ – карбоксильные остатки в белке содержатся блоками, по 10 -12 аминокислотных остатков.

γ -положение

БЕЛОК —— СН 2 - СН2 - СООН + СО2 — γ- карбоксилирование, вит К——>

СООН

БЕЛОК —— СН 2 - СН

СООН

С участие остеонектина , остеоронтина, тромбоспондина эти фиксаторы кальция

присоединяются к коллагеновым белкам.

Антагонисты витамина К нельзя принимать беременным женщинам, т.к. возникает нарушение формирования скелета у эмбриона

ГЛИКОПРОТЕИНЫ

Гликопротеины кости представляют собой макромолекулы, состоящие из белка и связанных с ним углеводов. Они не содержат регулярно повторяющихся дисахаридных структур и включают широкий спектр сахаров – гликозамин ,галактозамин , галактозу , манозу , глюкозу , фруктозу ,сиаловую кислоту .

. Содержание гликопротеинов зависит от степени минерализации костей и прогрессивно уменьшается по мере созревания костной ткани. Они выполняют чрезвычайно важные функции, принимая участие в процессах минерализации , водно-солевого обмена , роста и развития кости.

__________СИАЛОПРОТЕИНЫ.

Существенную долю неколлагеновых белков костной ткани составляет сиалопротеин , который характеризуется высоким содержанием сиаловых кислот, чем и отличается от гликопротеинов . Электрофорез и ультрацентрифугирование сиалопротеиновой фракции кости показали, что это гомогенное вещество , содержащие лишь следы уроновых кислот и сульфата. Присутствие сиалопротеина в костной ткани определяет способность связывать катионы , что важно для процессов минерализации костного органического матрикса .

АЛЬБУМИНЫ.

В состав неколлагеновых белков входит альбумин, по иммунологическим свойствам идентичный сывороточному альбумину. Альбумин кости выполняет транспортную функцию , принимая участие в доставке и распределении гормонов, , низкомолекулярных веществ из кровяного русла в кость.

Неколлагеновые белки костной ткани обладают высокой биологической активностью и определяют её иммунологические свойства.

ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАНЫ.

В составе ГАГ костной ткани обнаружены индивидуальные гликозаминогликаны – хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат, гиалуроновая кислота, кератинсульфат, преобладающим компонентом компонентом является хондроитин-4-сульфат. Гликозамингликаны имеют большое физиологическое значение, принимая участие в защитной и механической функциях, в регуляции водного и электролитного обменов, в процессах нормальной и патологической кальцификации, морфогенезе и стабилизации структуры коллагеновых волокон.

В опытах in vitro было показано, что связывание хондроитинсульфата или его экстракция из срезов хряща предотвращают их кальцификацию и, наоборот, отложению минеральных солей во вновь образующихся остеонах кости обязательно предшествует синтез сульфированных мукополисахаридов. Минерализация сопровождается качественными изменениями мукополисахаридов – сульфатированные мукополисахариды уступают место несульфатированным соединениям.

Известно, что гликозаминогликаны синтезируются внутри клетки и их структура находится под генетическим контролем. В обмене гликозамингликанов принимают участие ферменты, катализирующие расщепление мукополисохаридов; к ним относятся также лизосомальные мукополисахариды. В костной ткани обнаружен ряд кислых гидролаз, гиалуронидаза, бета-глюкуронидаза, бета-галактозидаза, и бета- ацетилглюкозаминидаза.