Вещества небелковой природы органического матрикса костной ткани

Липиды костной ткани синтезируются остеобластами и представлены в основном глицерофосфолипидами, сфинголипидами и холестерином. Группы РО₄^3- и СОО^- серина в составе, например, фосфатидилсерина, способны присоединять ионы Са²⁺ и стимулировать:

- начало минерализации;

- непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов;

- связь гидроксиапатитов с белковой матрицей.

Нуклеиновые кислоты костной ткани. В остеобластах костной ткани содержатся ДНК и РНК, которые участвуют в синтезе белков.

Углеводы. Различают углеводы: внутриклеточные (глюкоза, гликоген) и внеклеточные (в основном, свободные ГАГ). Глюкоза и гликоген служат источником энергии (АТФ) для процесса минерализации. В то же время гликоген необходим для оссификации (окостенения).

Цитрат образуется в остеобластах под действием фермента цитратсинтезы (цикл Кребса). Активность фермента в костной ткани существенно (в 20 раз) выше, чем, например, в печени. Цитрат легко образует растворимые (рН<7,0) и плохо растворимые (рН>7,0) соли с ионами Са²⁺. Он является основным транспортером кальция в организме, в том числе, и в минерализующие ткани. Длительное воздействие паратгормона на остеобласты приводит к увеличению (на 25-30%) содержания цитрата в костной ткани и, соответственно, к увеличению образования растворимого цитрата кальция. Это способствует разрушению солей костной ткани и сохранению кальция в сыворотке крови.

Функции костной ткани

- структурно-опорная (скелет);

- механической защиты (черепная коробка);

- депонирующая макро- и микроэлементы:

• из 1-2,2 кг Са²⁺ организма ~ 99% содержится в ГАП

• фосфор организма ~87% его содержится в ГАП

- буферная (кислотно-щелочное равновесие):

• в костной ткани ~ 46% всего Na организма

- кроветворения (костный мозг).

2.4. Ремоделирование костной ткани

Органические и минеральные компоненты костной ткани в течение жизни человека (каждые 10 лет) постоянно обновляются. Процесс обновления (ремоделирования) кости включает в себя процессы резорбции (разрушения) костной ткани и ее образования. В различные возрастные периоды эти процессы значительно отличаются. У детей и подростков образование костной ткани происходит быстрее, чем резорбция. Плотность костной ткани увеличивается к 18 годам. Затем наступает равновесие: процессы резорбции и костеобразования идут с одинаковой скоростью. К 40 годам скорость костеобразования постепенно снижается по сравнению с резорбцией: наблюдается медленное уменьшение массы костной ткани и развитие заболевания остеопороз, особенно у женщин из-за снижения продукции эстрогенов. Процесс ремоделирования кости находится под контролем системных факторов (гормонов) и группы локальных факторов (цитокинов). Стадии ремоделирования: активация, резорбция, реверсия, костеобразование (минерализация) и покой.

Активация

Для протекания первой стадии необходимы активаторы: паратгормон, кальцитриол, инсулиноподобный фактор роста, интерлейкины-1 и -6, простагландины. Под действием стимулирующих факторов, из клеток остеобластного происхождения образуются активированные остеобласты, которые секретируют сигнальный белок цитокин (рис. 18), стимулирующий

Активированный

остеобласт

(цитокин)

Рис. 18. Участие белков цитокинов и RANKL в активации остеобластов [1 с изменениями]

образование колоний моноцитов. Остеобластами синтезируется и сигнальный белок RANKL, участвующий в регуляции ремоделирования и формировании крупных многоядерных остеокластов, способных резорбировать кость. Неколлагеновые белки остеобластов (остеокальцин, сиалопротеин кости, остеопонтин, Gla-протеин матрикса) стимулируют прикрепление остеокластов к поверхности кости и их активацию.

Резорбция

У активированного остеокласта имеется «щеточная» каемка, обращенная в сторону резорбируемой поверхности кости. Через нее высвобождаются лизосомы, содержащие большое количество гидролитических ферментов (кислая фосфатаза, коллагеназа и другие), участвующих в разрушении органического матрикса костной ткани с образованием резорбционных лакун. В области, окруженной остеокластами, резорбция длится около 2 недель. Кислая среда в области резорбции способствует вымыванию ионов Са²⁺ из апатитов. Увеличивается секреция цитрата, который образует растворимые соли с Са²⁺, что снижает восстановление апатитов. Макрофаги завершают разрушение органической матрицы межклеточного вещества кости и подготавливают поверхность кости к адгезии остеобластов (реверсия).

Реверсия

Остеокласты в соответствии с генетической программой разрушаются путем апоптоза. При недостатке эстрогенов этот процесс может задерживаться. Резорбционные лакуны заполняются предшественниками, дифференцирующимися в остеобласты. Начинается синтез костных протеинов, формирование органического матрикса кости и минерализация в соответствии с новыми условиями статической и динамической нагрузки на кость. На резорбируемой поверхности остеобласты формируют «цементирующую линию» (слой из секреторных гликопротеинов), способную удержать колонии остеобластов. Остеобласты остаются внутри костного матрикса, превращаясь в остеоциты. Остеобласты, оставшиеся на поверхности вновь сформированной кости, дифференцируются в выстилающие клетки.

Костеобразование

Процессу минерализации предшествует увеличение поступления О₂ в остеобласты, активация в них аэробного гликолиза и образование АТФ. Энергия АТФ стимулирует синтез коллагена, неколлагеновых белков матрикса (протеогликанов, ферментов), необходимых для активации костеобразования. В этот период в митохондриях остеобласты секретируют щелочную фосфатазу, которая увеличивает концентрацию фосфора. Остеобласты также образуют мембранные тельца или мембранные везикулы, содержимое которых представляет собой перенасыщенный раствор фосфата кальция. В них формируются центры кристаллизации и роста микрокристаллов ГАП. Когда концентрация микрокристаллов в мембранных везикулах возрастает в 20-25 раз, везикулы разрушаются и высвобождают свое содержимое - фосфат кальция во внеклеточное пространство (зону минерализации).

Остеобласты секретируют слои остеоида (коллагенового волокна) - неминерализованного матрикса кости и медленно восполняют полость резорбции. Остеобласты секретируют не только факторы роста, но и неколлагеновые белки матрикса – остеопонтин, остеокальцин и др. Когда остеоид достигает размера 6•10^-6 м, он начинает минерализоваться, скорость которого зависит от содержания кальция, фосфора и тормозится пирофосфатом.

Центры кристаллизации возникают между фибриллами коллагеновых волокон, находящихся в матриксе (рис. 19). По мере роста кристаллы

Рис. 19. Отложение кристаллов апатитов на коллагеновых волокнах [8]

вытесняют не только протеогликаны, но и воду, поэтому полностью минерализованная кость практически обезвожена. Остеобласты синтезируют органические компоненты межклеточного матрикса: протеогликаны с ионами Са²⁺, гликопротеины, коллаген I типа, остеокальцин и другие белки. Соли фосфата кальция, располагаясь на коллагеновых волокнах, становятся кристаллами гидроксиапатита.

Покой

По завершении процесса обновления фрагментов костной ткани наступает этап покоя. Остеобласты оказываются замурованными в минерализованном матриксе и превращаются в остеоциты – клетки не участвующие в синтетических процессах.

2.5. Регуляция цитогенеза, минерализации и

деминерализации костной ткани

Факторы, воздействующие на остеобласты, остеокласты и осуществляющие регуляцию роста и развития тканей кости, можно разделить на локальные (местные) и системные. К системным факторам регуляции относят гормоны и витамины. К местным факторам регуляции – цитокины, факторы роста, простагландины.

Гормоны и витамины, стимулирующие минерализацию

костной ткани

Соматотропный гормон (СТГ) или гормон роста (ГР) стимулирует синтез коллагеновых и неколлагеновых белков; способствует задержке ими ионов Са²⁺, SO₄^3-, РО₄^3- ; усиливает минерализацию костной ткани.

Паротин усиливает синтез нуклеиновых кислот, ДНК, белков в остеобластах, одонтобластах; активирует поступление в них ионов Са²⁺, РО₄^3-; стимулирует минерализацию костной ткани, дентина.

Кальцитонин (КТ) подавляет активность остеокластов; ингибирует освобождение ионов Са²⁺ из костной ткани; замедляет резорбцию костной ткани; стимулирует процессы минерализации.

Кальцитриол повышает синтез коллагена, неколлагеновых белков (остеопонтина, остеокальцина, сиалопротеина кости, щелочной фосфатазы), связывающих ионы Са²⁺ и РО₄^3- и стимулирующие минерализацию костной ткани.

Тиреоидные гормоны (Т₃ и Т₄). Если их содержание не повышено, они усиливают биосинтез белкового компонента органического матрикса, т.е. стимулируют минерализацию.

Инсулин активирует метаболизм остеобластов; синтез коллагена I типа и неколлагеновых белков; обеспечивает минерализацию костной ткани.

Стероидные гормоны (андрогены, эстрогены). Андрогены (тестостерон) усиливают биосинтез коллагена, неколлагеновых белков, задержку ими ионов Са²⁺, РО₄^3- , стимулируют рост и минерализацию костной ткани. Под влиянием эстрогенов (эстрадиола) в остеобластах возрастает синтез коллагена I типа, неколлагеновых белков, щелочной фосфатазы.

Витамин А усиливает рост и дифференцировку хондроцитов, образование ими неколлагеновых белков, задержку и повышение в зоне образования костной ткани концентрации Са²⁺, РО₄^3- , SO₄^2- , т.е. стимулирует минерализацию костной ткани.

Витамин С и витамин К. Их роль подробно описана в главе «Биохимия соединительно-тканных структур и межклеточного матрикса». Витамин С усиливает образование гидроксипролина и гидроксилизина, формирование из молекул тропоколлагена фибрилл и волокон коллагена. Витамин К способствует образованию γ-карбоксиглутаминовой аминокислоты, стимулирующей минерализацию костной ткани.