Органические вещества кости.

Биологическая роль белковой матрицы минерализованных тканей полностью еще не выяснена, но твердо установлено, что:

· у всех млекопитающих минерализация осуществляется только на белковой матрице;

· кроме структурной, белки выполняют регуляторные функции:

· стимулируют митозы предшественников клеток твердых тканей и являются митогенами;

· воздействуют на дифференцировку и созревание клеток: такие вещества называются морфогены;

· осуществляют межклеточные взаимодействия, прикрепление клеток к межклеточному матриксу, взаимосвязь органической основы с минеральными компонентами - адгезины;

· вызывают направленное движение клеток (хемотаксис) – хемоаттрактанты

Органическое вещество костей состоит примерно на 90%-95% из коллагена I типа, от 3% до 8% массы приходятся на неколлагеновые белки кости и фосфолипиды, 1% составляют кислые и нейтральные гликозаминогликаны, которые в качестве скрепляющей субстанции располагаются между ГАП. Хондроитинсульфат играет центральную роль в обмене веществ костей. Он образует с белками основное вещество костей и имеет большое значение в обмене кальция. Костная ткань обнаруживает относительно большое количество цитрата (1%). Снабжение костной ткани осуществляется кровеносной системой. Доставка веществ происходит по гаверсовым каналам и лакунам.

Прочностные свойства костной ткани определяются совокупностью трех компонентов: коллаген - прочность, протеогликаны - эластичность, кристаллы гидроксиапатитов - жесткость. Таким образом, кость (а также дентин и цемент) организована на подобие железобетона: коллаген и протеогликаны выполняют роль арматуры, а ГАП роль бетона. Действительно, по ряду характеристик (устойчивость к разрыву, модуль упругости и др.) кость сопоставима с железобетоном или даже превосходит его.

Белки

Коллаген составляет приблизительно 90% органического матрикса кости. Коллагеновый состав кости в определенной степени необычен тем, что фактически представлен только коллагеном I типа (КЛ1), хотя следы других типов коллагена, таких как V, XI и XII, все же определяются. На самом деле не исключено, что эти типы коллагена принадлежат другим тканям, которые хотя и находятся в костной ткани, но не входят в состав костного матрикса. Например, V тип коллагена, обычно обнаруживаемый в сосудах, которые пронизывают кость, невозможно обнаружить до того, как будет осуществлена экстракция белков. Тип XI находится в хрящевой ткани и может соответствовать остаткам кальцифицированного хряща. Источником коллагена XII типа на самом деле могут быть "заготовки" коллагеновых фибрилл. В костной ткани коллаген I типа имеет ряд особенностей: в нем меньше поперечных связей, чем в других видах соединительной ткани, и эти связи формируются посредством аллизина. Еще одним возможным отличием является то, что М-терминальный пропептид коллагена I типа фосфорилирован, а также то, что этот пептид сохраняется (по крайней мере, частично) в минерализованном матриксе. Такая посттрансляционная модификация проколлагена, в других видах соединительной ткани пока не выявлена.

Коллаген I типа способен участвовать в минерализации, образуя комплексы с ГАП, только в составе костной ткани, дентина и цемента (в сухожилиях, коже – коллаген I типа не минерализуется). Эти различия в свойствах коллагена I типа разных тканей определяются наличием в минерализующихся тканях особых неколлагеновых регуляторных белков и ферментов.

В жидкости, заполняющей лакунарно-канальцевую систему, циркулируют ферменты, секретируемые остеобластами (щелочная фосфотаза, пирофосфатаза) и остекластами (кислая фосфатаза, карбангидраза, коллагеназа и другие лизосомальные ферменты).

Наиболее важные неколлагеновые белки (НКБ) костного матрикса синтезируются остеобластами и остеоцитами, являются гликопротеидами или гликофосфопротеидами и выполняют роль регуляторов короткодистантного действия. Это - морфогенетические белки кости (МБК), фактор роста скелета (ФРС), костноэкстрагируемые факторы роста (КЭФР), остеонектин (ОСН), остеокальцин (ОК) и остеопонтин (ОП).

а)Остеонектин (ОСН) - гликопротеин, богатый аминокислотами: ГЛУ, АСП, АРГ, радикалы которых пространственно сближены. ОСН — адгезин, связывающий (через углеводный компонент) КЛ1 и ГАП. ГАП фиксируется ионными связями через Са²⁺ с радикалами АСП и ГЛУ и ионными (по некоторым данным фосфамидными) связями через Р0₄^3- с радикалами АРГ. Таким образом, ОСН образует центры кристаллизации. ОСН секретируется зрелыми остеобластами и функционально активными остеоцитами. Поэтому по количеству ОСН в кости можно судить о степени дифференцировки костных клеток.

б)Остеокалъцин занимает второе место среди НКБ (10-20%), синтезируется в остеобластах и остеоцитах, располагается в этих же клетках, а также в межклеточном матриксе. OK - низкомолекулярный кислый белок, состоящий из 49 аминокислот, среди которых 3 представлены g-карбоксиглутаминовой кислотой (g-ГЛУ). Образование радикалов γ-ГЛУ происходит во время посттрансляционной модификации проостеокальцина. Реакцию катализирует витамин K₁-зависимый фермент - глутамилкарбоксилаза, использующий витамин K₁ в качестве кофактора и требующий для протекания реакции О₂ и СО₂.

В ходе реакции СО₂ под действием фермента присоединяется к радикалу ГЛУ, в γ положении с образованием γ-ГЛУ. При этом витамин К₁ (гидрохинон) окисляется в филлохинон-2,3-эпоксид, который в последующих реакциях восстанавливается в витамин К₁ (гидрохинон) в два этапа.

Наличие дополнительной – СОО^- группы в γ-ГЛУ обеспечивает ей способность активно связывать Са²⁺. Другие Ме²⁺ тоже способны связывать с ОК, но с разной степенью сродства (Ca²⁺ > Mg²⁺> Sr²⁺> Ba²⁺).

 

Таблица 2.3

Неколлагеновые белки костной ткани

Белок Мг Отличительные признаки Гликопротеины Остеонектин 43 000 – 46 000* 32 000** Гликозилированный, фосфорилированный протеин; множественная низкая аффинность к Са2 Щелочная фосфатаза S-S димер, 50 000 – 80 000* Связывание Са2+ BAG-75 75 000 Содержит 60% углеводов (7% - сиаловая кислота), 8% фосфатов Белки, содержащие RGD Тромбоспондин S-S тример, 150 000 Связывание Са2+ и гидроксиапатита, сайты связывания такие же, как у фибронектина; связывается с остеонектином; клеточная адгезия Фибронектин S-S димер, 250 000 Сайты связывания с поверхностью клеток, фибрином, гепарином, бактериями, желатином, коллагеном, ДНК; начальное прикрепление клеток Витронектин 70 000 Связывается со многими белками матрикса и сыворотки, ответственными за прикрепление клеток Остеопонтин 45 000 – 75 000* 41 500** Содержит N- и О-связанные олигосахариды, фосфосерин и тирозин, участвует в прикреплении клеток Костный сиалопротеин ~75 000* 33 500** Содержит 50% углеводов (12% - сиаловая кислота); у некоторых видов происходит сульфатирование тирозина; участвует в прикреплении клеток Белки, содержащие γ-карбоксиглутаминовую кислоту Gla-протеин матрикса 15 000 Одна внутримолекулярная связь S-S, 5 остатков gla Остеокальцин 12 000 – 14 000* 5 800** Одна внутримолекулярная связь S-S, 3-5 остатков gla, связывание с гидроксиапатитом, зависимое от gla Mr - относительная молекулярная масса. S-S - дисульфидная связь. Gla - гликозоамины *Определено с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии додецилсульфата натрия. **Для полипептида.

Связанный с Са²⁺ остеокальцин является фактором хемотаксиса для остеокластов. Предполагается что связывание Са²⁺ так изменяет конформацию ОК, что он становится способным взаимодействовать с фосфолипидами мембран клеток. Следовательно, вызывать хемокинез всех подвижных клеток, попадающих в кость. Эта гипотеза подтверждается тем, что ОК действительно «привлекает» не только остеокласты, но и их предшественники - моноциты, а так же другие макрофаги.

Блокирование реакции γ-карбоколлирования остеокальцина варфарином (антагонист витамина К) лишает этот белок биологических свойств.

Предполагаются две основные функции остеокальцина:

· Предохранение кости от избыточной минерализации.

· Запуск процессов ремоделирования кости по схеме: старый остеодит → секреция остеокальцина → хемотаксис остеокластов → резорбция → остеогенез → молодой остеоцит.

Концентрация остеокальцина в крови является показателем интенсивности метаболизма кости.

в)Костный сиалопротеин составляет»5% от всех НКБ кости, синтезируется в остеобластах, остеоцитах, остеокластах и представляет собой кислый гликопротеин с большим содержанием сиаловых кислот. КСП выполняет функции:

· гликопротеина, связывающего клетки с КЛ1;

· фактора резорбции матрикса кости.

г)Ocmeoпонтин - кислый гликопротеин, содержащий сиаловые кислоты; обнаружен в остеобластах и остеоцитах. Основная роль ОП - адгезия клеток кости с ГАП, которая опосредуется пентапептидом: ГЛУ-АРГ-ГЛИ-АСП-СЕР, локализованном в центре белковой молекулы. ОП связан также с мембранными рецепторами остеокластов, регулирует их активность и, соответственно, процессы резорбции костной ткани. Наряду с отмеченными свойствами ОП, установлено, что увеличение содержания м-РНК ОП сопровождается метастазированием опухолей костной ткани, что, как полагают, связано с изменением адгезивных свойств клеток под влиянием ОП и активацией процесса инвазии.

д)Морфогенетический белок кости ( Gla-протеин матрикса) - олигомерный белок, выделяемый разрушающимися остеоцитами и содержащий 4 или 5 протомеров с молекулярной массой: 32, 24, 17,5, 14, 1,5-2,0 кДа. Протомер 17,5 кДа обладает морфогенетической активностью. Это - кислый гликофосфопротеин, богатый СЕР и ГЛИ, содержащий 3 дисульфидные связи, восстановление которых вызывает его инактивацию. Морфогенетический эффект протомера 17,5 кДа, называется остеоиндукцией, в физиологических условиях проявляется в его действии на перициты (клетки, локализованные вдоль сосудов), вызывающем их дифференцировку в скелетогенные клетки. Остеоиндукция подтверждена экспериментально путем эктопического введения протомера 17,5 кДа в мышцы, переднюю камеру глаза, под капсулу почек. В месте введения через 7 дней возникает хрящ, который через 15 дней замещается костью, а спустя 40-60 дней формируется сферическая кость с костным мозгом внутри.

Действие протомера 17,5 кДа в значительной степени зависит от комплексирования с другими протомерами (32, 24, 14 кДа):

· комплекс 17,5 +32 кДа - биологически инертен;

· комплекс 17,5 + 24 кДа - биологически активен, гидрофобен, устойчив к действию протеиназ;

· комплекс 17,5+14 кДа - гидрофилен и действует на большем расстоянии, чем один протомер 17,5 кДа (радиус действия последнего ~ 400 нм).

Протомер 14 кДа содержит γ-ГЛУ. Гидрофильные свойства самого протомера 14 кДа, а также комплекса (17,5 +14 кДа) связывают с наличием радикала γ-ГЛУ, содержащего 2 карбоксильные группы и, особенно, с присоединением к радикалу γ-ГЛУ Са²⁺.

Протомер-пептид, с М.м. 1,5-2,0 кДа, богатый ГЛИ, занимает особое положение: может входить в состав олигомерного белка - МБК, но возможно существуeт самостоятельно и называется ингибитором остеоиндукции (ИО).

е)Фактор роста скелета(ФРС) - термо- и рН-стабильный белок. Легко гидролизуется кислыми протеиназами. Оказывает двойное регуляторное влияние:

· митогенное - стимулирует деление скелетогенных клеток;

· морфогенное - вызывает дифференцировку скелетогенных клеток в остеогенные. Действие ФРС на клетки-мишени индукционное (клетка переходит в активное состояние после кратковременного контакта с белком).

ж)Костнотноэкстрагируемые факторы роста( КЭФР) - два гликопротеина, взывают митогенный эффект у остеогенных клеток контактным способом (митозы продолжаются, пока КЭФР связан с мембраной).