Фосфаты кальция – основа минерального компонента межклеточного матрикса
Ортофосфаты кальция – соли трёхосновной фосфорной кислоты. Поэтому они могут быть в однозамещённой (H2PO4–), двузамещённой (HPO42–) форме или в виде фосфат ионов (PO43–). В состав тканей зубов, костей и дентина входят соли HPO42– или PO43–. В зубных камнях встречаются пирофосфаты. В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция. Полагают, что этот эффект важен для контроля величины кристаллов в костях, содержащих небольшие количества пирофосфатов. Все фосфорнокислые соли кальция представляют собой белые порошки, которые слаборастворимы или нерастворимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах.
Природные формы фосфатов кальция
Витлокит – одна из форм безводного фосфата трикальций фосфата – βСа3(PO4)2. Витлокит содержит дивалентные ионы (Mg2+ Mn2+ или Fe2+), которые входят в состав кристаллической решётки, например, (СаMg)3(РО4)2. Около 10 % фосфата в нём находится в форме HPO42–. В организме минерал встречается редко. Он образует ромбические кристаллы, которые обнаруживаются в составе зубных камней и в зонах кариозного повреждения эмали.
Монетит (CaHPO4) и брушит (CaHPO4·2H2O) – вторичные соли фосфорной кислоты. Также редко встречаются в организме. Брушит обнаружен в составе дентина, зубных камней. Монетит кристаллизуется в форме треугольных пластинок, но иногда бывают палочки и призмы. Кристаллы брушита имеют клиновидную форму. Растворимость кристаллов монетита зависит от рН и быстро увеличивается при рН ниже 6,0. Растворимость брушита в этих условиях также увеличивается, но в ещё большей степени. При нагревании брушит превращается в монетит. При долгом хранении оба минерала гидролизуются в гидроксиапатит Ca10(PO4)6(OH)2.
Соответственно, наряду с монокальцийфосфатом в составе аморфных солей кости, зуба, зубного камня встречаются промежуточные гидратные ди-, три-, тетракальцийфосфаты. Кроме того, здесь присутствует кальций-пирофосфата дигидрат. Аморфная фаза кости является мобильным депо минералов в организме.
Октакальций фосфат Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O, его формулу изображают также в виде Са8Н2(РО4)6·5Н2О. Он представляет собой главное и последнее промежуточное связующее звено между кислыми фосфатами – монетитом и брушитом, и основной солью – гидроксиапатитом. Подобно брушиту и апатиту он входит в состав кости, зуба, зубных камней. Как видно из формулы, октакальций фосфат содержит кислый фосфатный ион, но не имеет гидроксильных. Содержание воды в нём колеблется в широких пределах, но чаще 5H2O. По своей структуре он напоминает кристаллы апатита, имеет слоистое строение с чередованием слоёв соли толщиной 1,1 нм и слоёв воды толщиной 0,8 нм. Учитывая тесную связь с апатитами, он играет важную роль в нуклеации апатитных солей. Кристаллы октакальций фосфата растут в форме тонких пластинок до 250 мкм длиной. Подобно монетиту и брушиту октакальций фосфат нестабилен в воде, но именно он наиболее легко гидролизуется в апатит, особенно в тёплом щелочном растворе. Низкие концентрации фтора (20-100 мкг/л) резко ускоряют скорость гидролиза, следовательно ионы F– необходимы для отложения апатитов в плотных тканях.
Апатиты. Апатиты имеют общую формулу Ca10(PO4)6X2, где X – это чаще всего OH– или F–. Фторапатиты Ca10(PO4)6F2 широко распространены в природе, прежде всего, как почвенные минералы. Их используют для получения фосфора в промышленности. Гидроксиапатиты Ca10(PO4)6(OH)2 преобладают в животном мире. Они являются основной формой, в которой фосфаты кальция присутствуют в костях и зубах. Гидроксиапатиты образуют очень стабильную ионную решётку (температура плавления более 1600º С), ионы в ней удерживаются за счёт электростатических сил и тесно контактируют между собой. Фосфат-ионы РО43– имеют наибольшие размеры, поэтому занимают доминирующее место в ионной решётке. Каждый фосфат-ион окружён 12-ю соседними ионами Са2+ и ОН–, из которых 6 ионов находятся в том же слое ионной решётки, где расположен ион РО43–, а в выше- и нижележащих слоях ионной решётки расположено ещё по 3 иона. Идеальный гидроксиапатит образует кристаллы, которые «на срезе» имеют гексагональную форму (рис. 31). Каждый кристалл покрыт гидратной оболочкой, между кристаллами имеются пространства. Размеры кристаллов гидроксиапатита в дентине меньше, чем в эмали.
Рис. 31. Гексагональная модель кристаллов гидроксиапатита
Апатиты являются довольно устойчивыми соединениями, но способны обмениваться с окружающей средой. В результате в решётке кристаллов гидроксиапатитов появляются другие ионы. Однако лишь некоторые ионы могут включаться в структуру гидроксиапатитов. Преимущественным фактором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения, в ходе которого поддерживается общее распределение зарядов по принципу: Сa10-х(HPO4)х(PO4)6-х(OH)2-х, где 0<х<1. Потеря ионов Ca2+ частично компенсируется потерей ионов OH– и присоединением ионов H+ к фосфату.
Это приводит к изменению формы и размеров кристаллов, что отражается на свойствах гидроксиапатитов. Реакции изоморфного замещения ионов существенно влияют на прочность и рост кристаллов гидроксиапатита и определяют интенсивность процессов минерализации твёрдых тканей зуба.
Таблица 9. Замещаемые ионы и заместители в составе гидроксиапатитов
Замещаемые ионы |
Заместители |
Ca2+ |
Mg2+, Sr2+, Na+, реже: Ba2+, Pb2+, Mо2+, Cr2+, K+, H3O+, 2Н+ |
PO43– |
НРО42–, CO32–, С6Н3О63– (цитрат), Н2РО4–, AsO33– |
OH– |
F–, Cl–, Br–, J–, реже: H2O, CO32–, О2 |
1. Замещение ионов кальция Са2+ на протоны Н+, ионы гидроксония H3O+, стронция Sr2+, магния Mg2+ и другие катионы.
В кислой среде ионы кальция Cа2+ замещаются на протоны Н+ по схеме:
Са10(РО4)6(ОН)2 + 2Н+ → Са9Н2(РО4)6(ОН)2 + Cа2+.
В конечном итоге кислотная нагрузка ведёт к разрушению кристаллов.
Магний может вытеснять кальций или заменять вакантные места в составе кристаллов гидроксиапатита с формированием магниевого апатита:
Са10(РО4)6(ОН)2 + Mg2+ → Са9Mg(РО4)6(ОН)2 + Cа2+
Это замещение характеризуется уменьшением молярного коэффициента Са/Р и приводит к нарушению структуры и снижению резистентности кристаллов гидроксиапатита к неблагоприятным воздействиям физического и химического характера.
Кроме магниевого апатита в ротовой полости встречаются другие формы магниевых минералов: невберит – MgНРО4 · 3Н2О и струвит – MgНРО4 · 6Н2О. Они в небольшом количестве образуются вследствие наличия ионов магния в слюне и обнаруживаются в составе зубного налёта и камня по мере их созревания и минерализации.
Аналогично магнию, стронций может вытеснять или заменять вакантные места для кальция в кристаллической решётке гидроксиапатитов, образуя стронциевый апатит:
Са10(РО4)6(ОН)2 + Sr2+ → Са9Sr(РО4)6(ОН)2 + Cа2+.
Поступая в избыточном количестве, стронций хотя и вытесняет из кристаллической решётки кальций, но сам не удерживается в ней, что приводит к порозности костей. Этот эффект усугубляется недостатком кальция. Такие изменения характерны для болезни Кашина-Бека («уровская болезнь»), которая поражает людей, преимущественно в раннем детстве, живущих в долине реки Уров Забайкальского края, Амурской области и прилегающих провинциях Китая. Страдание начинается с болей в суставах, затем возникает поражение костной ткани с размягчением эпифизов, нарушаются процессы окостенения. Заболевание сопровождается короткопалостью. В эндемичных районах в почве и воде содержится в 2 раза меньше кальция и в 1,5-2,0 раза больше стронция, чем в норме. Существует и другая теория патогенеза «уровской болезни», согласно которой патология развивается в результате дисбаланса фосфатов и марганца в окружающей среде, что также характерно для данных районов. Вполне вероятно, что обе эти теории дополняют друг друга.
В местностях, загрязнённых радионуклидами, неблагоприятное значение стронциевого апатита для организма человека связано с возможностью депонирования радиоактивного стронция.