Микроэлементы

В минеральной части костной ткани находятся многие другие элементы.

Важную роль играет магний, т. к. он является активатором многих ферментов, в частности щелочной фосфатазы и пирофосфатазы. Около половины магния организма содержится в скелете..

В настоящие время известно более 30 остеотропных микроэлементов: медь, стронций, барий, алюминий, бериллий, кремний, фтор и другие. Некоторые катионы замещают кальций в кристаллической решётке, другие абсорбированы на поверхности кристалла или гидратной оболочке. Кальций в кристаллической решётке оксиапатита может замещаться радием, стронцием, барием, натрием.

Минерализация и деминерализация костной ткани зависят от содержания микроэлементов.

Высокое содержание в почвах некоторых микроэлементов приводит к глубоким изменениям скелета, напоминающим рахит.

Механизм поражения скелета различен и зависит от избытка или недостатка тех или иных микроэлементов.

Избыток бериллия в почве приводит к развитию “бериллиевого” рахита, который не излечивается витамином Д. Влияние бериллия на процессы оссификации связано с его специфическим действием на щелочную фосфатазу, так как бериллий является её ингибитором.

Избыточное поступление алюминия в организм приводит к развитию “алюминиевого” рахита. Он возникает в результате образования в желудке нерастворимых соединений алюминия с фосфатами, вследствие чего в скелет поступает недостаточное количество фосфора.

Избыточное количество марганца ведёт к появлению “марганцевого” рахита, а недостаток его вызывает прекращение роста скелета , деформацию эпифизов и другие изменения. Чувствительность костной ткани к марганцу обусловлена его влиянием на метаболические процессы, обеспечивающие рост и регенерацию кости. Марганец повышает активность щелочной фосфатазы; при марганцевой недостаточности нарушается биосинтез гликозаминогликанов, выполняющих важную роль в процессах минерализации. Дефицит меди в организме приводит к искривлению и ломкости костей.

Стронций по химическим свойствам очень близок к кальцию и тесно связан с ним в обменных процессах костной ткани. У детей стронций распределяется в костях скелета равномерно, а у взрослых он аккумулируется в основном в губчатой кости. Стронций задерживается в обменивающейся фракции кости и меньше в её глубоких слоях. В наибольшей степени стронций отлагается в зонах остеобластической активности, поэтому может служить индикатором степени регенерации кости. Систематическое поступление в организм животных повышенных количеств стронция вызывает развитие '' стронциевого'' рахита.

Костную ткань можно рассматривать как ионно-обменную систему, кристаллы которой имеют три зоны: внутреннюю, наружную, гидратную оболочки. Каждая из этих зон доступна для ионного обмена в различной степени. Наиболее трудно доступна внутренняя зона, где обмен осуществляется медленно. Практически любой ион может проникать через гидратную оболочку, но только некоторые из них там концентрируются. Более специфические ионы проникают через поверхностную зону, часть из них может внедряться во внутреннюю зону кристалла.

Скорость ионного обмена зависит от многих факторов. Большое значение имеет возраст, степень минеральной насыщенности остеонов, гормональный и витаминный фон организма. Обмен во вновь образующейся костной ткани происходит значительно быстрее, чем в зрелой или старой костной ткани, где остеоны имеют высокую степень минерализации..

КЛЕТКИ КОСТНОЙ ТКАНИ

Клетки костной ткани- остеобласты, остеокласты, остеоциты

Остеобласты - клетки, формирующие кость, происходят из полипотентных мезенхимальных стволовых клеток. Их дифференциация во многом зависит от местных условий. Остеогенный фактор, называемый костным морфогенетическим протеином, был извлечён из костной ткани, дентина и остеосаркомы. Предполагают , что он воздействует на мезенхимальные клетки , обусловливая их дифференцировку в хондроциты и остеобласты Различимы в виде слоя округлых многогранных клеток, покрывающих поверхность кости, обладают сильно базафильной цитоплазмой и ядром, богатым РНК.

Остеобласты способны к пролиферации

Проходят 4 фазы развития:

1) пролиферацию 2) созревание матрикса 3) минерализация 4) апоптоз

Фаза пролиферации. Экспрессируются гены, необходимые для пролиферации( например, c –fos ) и продвижения клеточного цикла( циклины, гистоны) и гены, связанные с регуляцией биосинтеза матрикса( коллаген 1 типа, фактор роста, трансформации β )и белки, кодирующие клеточную адгезию( фибронектин).

Фаза созревания матрикса. Увеличивается экспрессия генов, участвующих в созревании и организации внеклеточного костного матрикса ( фермент щелочная фосфатаза синтез ГАГ и их выделение во внеклеточное пространство, накапливаются полифосфаты и полигидроксибутираты), что приводит к последующей минерализации.

Фаза минерализации Увеличивается экспрессия генов, кодирующих коллаген 1 типа и коллагеназу, возрастает содержание остеокальцина, остеонектина, подготавливается последующая фаза апоптоза.

Поверхности костной ткани, где идёт активное отложение новообразованной кости, имеют вид узкой зоны костеподобной ткани или прекостного матрикса, который отличается от костного матрикса тем, что не обызвествлён. Предкость состоит из грубых коллагеновых волокон, содержащих фокусы начальной кальцификации Граница между предкостью и обызвествлённой костью называется линией оссификации.

Покоящиеся остеобласты уплощены, имеют менее базафильную цитоплазму

В остеобласте развит эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии.

75% углеводов обменивается анаэробным путем, 16% - всегда анаэробным, даже в присутствии кислорода. Анаэробный путь обеспечивает образование лактата, который участвует в метаболизме костной ткани( резорбция в процессе ремоделирования).

Содержание гликогена 5-8 мг/ 100 г ткани, обязательно необходим для минерализации, распад его осуществляется амилазой, Содержание цитрата примерно в 230 раз больше по сравнению с печенью. участвует в процессах минерализации и деминерализации.

Щелочная фосфатаза (ЩФ) остеобластов выполняет много функций и ее роль пока точно не определена.

Щелочная фосфатаза ( КФ 3.1.3.1 ). Систематическое название -фосфогидролаза моноэфиров ортофосфорной кислоты( щелочной оптимум), широко используется в клинической диагностике. ( см Приложение).

Этот фермент гидролизует фосфатные группы фосфорилированных субстратов

R – ОРО3Н2 + Н2 О —щелочная фосфатаза———> R-ОН + Н⁺ + Н2 РО4 ^2-

Проявляет фосфотрансферазную и протеинфосфатазную активность.

Биохимические и физиологические функции фосфатазы в организме:

- участвует в образовании волокнистых фибрилл белков- коллагена 1 типа

- участвует в минерализации костной ткани

- растворении кристаллов пирофосфата кальция

-транспорте фосфата кальция

- адсорбции фосфата в кишечнике

К естественным субстратам фермента пирофосфат, β - глицерофосфат, фосфоэтаноламин, пиридоксаль-5'- фосфат ( фосфопиридоксаль)

В активном центре костной ЩФ ионы Mg ⁺² и Mn ⁺². У ребенка ЩФ активнее в 2,5-3 раза, к взрослой норме приходит к периоду полового созревания.

При недостатке Mg снижается синтез ГАГ, при недостатке и избытке Mn – рахит( в случае избытка остеотропные ионы магтния замещают ионы кальция в гидроксиапатите )

ЩФ рассматривают как маркер костной ткани, ее повышение в плазме крови при рахите опережает снижание фосфата

Остеокальцин(ОК) костной ткани – М= 5,7 кД. У молодых 90% общего ОК ,у взрослых 70% включено в костный матрикс. Выводится ОК почками.

Содержание остеокальцина в крови – показатель остеоенеза

Определение ОК имеет диагностическое значение( см. Приложение)

Стимулируют функцию остеобластов : Ингибируют функцию остеобластов:

- паратиреоидный гормон - действие двояко - паратиреоидный гормон

- кальцитриол кортикостероиды

-тиреоидные гормоны Т3 , Т4

- эстрогены

- простагландин Е 2

- кальцитриол 1,25 ( ОН)2 Д3

Остебласт имеет рецепторы к паратиреоидному гормону, кальцитриолу-1,25 ( ОН)2 Д3

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОСТЕОБЛАСТЕ

Остеобласт (Б).

Сокращения: ПТГ - паратиреоидный гормон, ПГЕ₂ простаглантин Е₂, ТЗ - трийодтиронин, Т4 - тироксин, 1,25(ОН)2Dз – кальцитриол

Остеокласты

Остеокласты - это многоядерные гиганские клетки, расположенные поодиночке или небольшими группами на внутренних поверхностях трабекулярных и компактных котей. Остеокласты легко выявляются в срезах, окрашенных тионином и толуидиновым синим, давая пурпурно-красную метахромазию цитоплазмы.

Ультраструктурные исследования показали, что остеокласты содержат многочисленные митохондрии, концентрирующиеся в цитоплазме между ядром и клеточной стенкой, наиболее удалённой от кости. В области ядра располагается хорошо развитый пластинчатый комплекс, умеренное количество рассеянных элементов шероховатой ЭПС. Поверхность остеокласта, непосредственно примыкающая к костному матриксу, разделяется на светлую зону и оборчатый край. Светлая зона не содержит органелл и характеризуется умеренно плотной гранулярной цитоплазмой, окружает гофрированную каемку, плотно прилегая к костному матриксу. В везикулярной зоне расположены лизосомы. Ядра, митохондрии, цистерны гранулярной ЭПС и комплекс Гольджи сосредоточены в базальной зоне .Оборчатый край имеет глубокие инвагинации клеточной мембраны с многочисленными микроворсинками. Цитоплазма в глубине оборчатого края содержит гладкие и окаймлённые пузырьки, фагосомы и остаточные тельца. Считается, что оборчатая зона является областью активной резорбции и окружена светлой зоной. В межклеточном веществе, примыкающем к оборчатому краю, отсутствуют минеральные отложения и различаются явно разъединённые кристаллы. Многочисленные цитоплазматические выросты гофрированной каемки направлены к поверхности кости.

Активная костная резорбция может быть индентифицирована по наличию остеокластов в резорбционных лакунах. Также резорбированные поверхности имеют зазубренную неправильную форму и не содержат костеподобного вещества. Это привело к идее о том, что остеокласты активны только в местах, где имеется минерализованный костный матрикс. Остеокласты способны резорбировать минерализованный хрящ и минерализованный межклеточный матрикс в процессе

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОСТЕОКЛАСТЕ

Остеокласт (А)

Сокращения: ЛТ - лимфотоксин, ФНО - фактор некроза опухоли, ИЛ-1 интерлейкин 1, ПТГ - паратиреоидный гормон, -ИФН - гамма-интерферон₂

В выступах рифленой каемки локализуется протонный насос, создающий кислую среду около клетки. Протонный насос работает совместно с карбоангидразой II и

Н⁺ / АТФ-азой. В процессе резорбции ( выброс Н⁺) в остеокласте увеличивается продукция лактата, цитрата

На мембранах ЭПР в цитоплазме синтезируются ферменты : кислая фосфатаза, протеазы, гликозидазы и ряд других лизосомальных ферментов. Они транспортируются к зоне контакта с костью лизосомальными пузырьками. Кислая фосфатаза остеокластов имеет 2 изоформы. Она обнаружена также в эритроцитах, тромбоцитах,

Костный минерализованный материал растворяется в кислой среде, а белковый и протеогликановый матрикс – ферментами.

Н⁺ не действует на молодую минерализованную кость и разрушает старую минерализованную кость

Стимулируют функцию остеокластов : Ингибируют функцию остеокластов :

-паратиреоидный гормон - кальцитонин (КТ)

- фактор некроза опухолей (ФНО) - эстрогены

- интерлейкин-1 (ИЛ-1) --ИФН - гамма-интерферон

- лимфотоксин

- кальцитриол( при гипервитаминозе)

Остеокласт имеет рецепторы к кальцитонину

В процессе резорбции появляются амино- и карбокситерминальные пептиды про коллагена I типа, оксипролин, галактозилгидроксилизин.( см. Приложение)

На молодых остеокластах имеются рецепторы к ПТГ и КТ, а на зрелом – только к кальцитонину.

Остеокласты в процессе резорбции перемещаются с места на место, замещаясь мононуклеарными клетками. Затем скорость резорбции снижается, появляются преостеобласты

Этапы резорбции костной ткани

1. Действие ПГ на рецепторы остеобласта, прекращение активных процессов остеогенеза ПГ вызывает отрицательный костный баланс.

2. Быстрый ответ:

- увеличение продукции лактат

- увеличение активности ЩФ

- увеличение синтеза коллагеназы

- мобилизация кальция из перилакунарной кости( глубокие остеоциты)

3. Медленный ответ:

- увеличение количества остеокластов

- деполимеризация протеогликанов, исчезновение кристаллической структуры и вещества матрикса. В плазме крови появляются ГАГ и оксипролин.

4.Начинается превращение преостеобластов в остеобласты.

Активация остеолиза стимулирует размножение остеобластов, но пока уровень резорбции значительно превышает остеогенез.