Минерализация костной ткани.

Минерализация - отложение кристаллов ГАП в ранее образованный органический матрикс специализированных твердых тканей: эмали, дентина, цемента, костей. Нарушение минерализации органического матрикса (особенно в костной ткани) именуется остеомаляцией. Дефекты образования самой органической основы - остеопороз.

Образование центров кристаллизации зависит от сформированности органического магрикса, наличия достаточного количества Са²⁺ и Р0₄^3-, активности щелочной фосфотазы (ЩФ), мобилизующей Р0₄^3- и пирофосфатазы, разрушающей Н₄Р₂0₇ (ингибитор кристаллообразования). Необходимым условием является достаточное количество 0₂ для активного синтеза АТФ, а также наличиe депо Са²⁺ в виде Са²⁺ связанного с сулъфогруппами хондроитин- и кератан- сульфатов, а также с фосфатными группами глицерофосфолипидов (ГФЛ).

Начало минерализации характеризуется усилением оксигенации костной ткани, что сопровождается активным накоплением в митохондриях Са²⁺, Р0₄^3- и повышенной выработкой АТФ, путем окислительного фосфорилирования. АТФ используется как источник энергии для процесса синтеза органического матрикса и в качестве донора фосфата для минерализации.

Усиленная оксигенация приводит также к повышению проницаемости мембран остеобластов и активному отпочкованию в межклеточный матрикс особых образований, называемых пузырьками матрикса, или мембранными везикулами (MB). Установлено, что MB имеют диаметр до 100 нм, покрыты клеточной мембраной и содержат в высокой концентрации: Са²⁺ и ГФЛ; ЩФ, пирофосфатазу, АТФ-азу и 5'-АМФ-азу.

Концентрация Са²⁺ в MB в 25-50 раз выше, чем в остеобластах. Са²⁺ связан с ГФЛ, имеющими суммарный отрицательный заряд при физиологическом значении рН: фосфатидилинозитолом и фосфатидилсерином. Последний имеет особенно высокую аффинность к Са²⁺ и является главным компонентом ГФЛ минерализованных тканей. В кальций-глицерофосфолипидных комплексах молярное отношение Са/Р = 1/1.

Содержащиеся в MB фосфогидролазы увеличивают локальную концентрацию Р0₄^3-, гидролизуя соответствующие субстраты. ЩФ среди таких ферментов занимает особое место:

• ее высокая активность характерна для минерализующихся тканей (активность резко снижена при дефекте формирования кости);

• ЩФ действует как гидролаза, отщепляя фосфат от органических соединений, и как фосфотрансфераза, перенося фосфат на акцептор органической природы.

R-O-PO3H2 + H2O → R-OH + H3PO4 R1-O- PO3H2 + R2-OH → R1-OH + R2-O- PO3H2

Рис. 2.4 Реакции, катализируемые щелочной фосфатазой

Таким образом, в MB, в связи с высокой концентрацией Са²⁺ и Р0₄^3-, возникает перенасыщенный раствор фосфата кальция, что приводит к формированию первичных микрокристаллов гадроксиапатитов (ГАП). Содержащийся в MB, в составе ГФЛ, кальций взаимодействует со связанным белками фосфатом, образуя протеолипидный комплекс, содержащий первичный фосфат кальция.

N C N C CH2 +Ca+-ГФЛ CH2 O OH O-P=O O-P=O OH O-Ca- ГФЛ

Рис. 2.5 образование первичного фосфата кальция

 

Однако рост кристаллов не происходит из-за способности протеогликанов и пирофосфатов (PPi) образовывать комплексы с кальцием. Считается, что одним из факторов, препятствующих кальцификации тканей, богатых коллагеном (кожи, сухожилий и др.), является наличие большого количества протеогликанов и отсутствие пирофосфатазы.

Отпочкование MB из остеобластов в межклеточный матрикс и разрушение их мембран сопровождается освобождением минеральных компонентов и микрокристаллов, а также частичным протеолизом протеогликанов лизосомальными протеиназами.

Частичный протеолиз протеогликанов обеспечивает освобождение Са²⁺ и Р0₄^3- и способствует нуклеации - формированию поверхности белков, на которой будет происходить образование кристаллической решетки ГАП. Это становится возможным за счет связывания Са²⁺, Р0₄ ^3- и микрокристаллов ГАП с радикалами полярных заряженных аминокислот НКБ кости.

 

АСП/ГЛУ N O N C-O +PO43- +PO43- OH и т.д. -- OH +Ca2+ +Ca2+   АРГ C еккококcC

Рис. 2.6 образование центров нуклеации на неколлагеновых белках за счет фиксации кальция и фосфатных групп

 

Первичное формирование микрокристаллов ГАП в МB остеобластов называется внутриклеточным процессом образования центров кристаллизации (или мест нуклеации). Фиксация Са²⁺ и Р0₄^3- на радикалах аминокислот НКБ в межклеточном матриксе называется, соответственно, внеклеточным процессом образования центров кристаллизации. В костной ткани протекают оба процесса.

Основное место минерализации (независимо от внутриклеточного или внеклеточного начала процесса) располагается в микроканалах между микрофибриллами КЛ1.

Белками костной ткани, наиболее активно фиксирующими Са²⁺ и PО₄^3-, являются остеонектин (ОСН) и Gla-протеин. Особая роль ОСН доказана тем, что если в культуре тканей заменить ОСН фибронектином, то минерализации не происходит.

Матричный Gla-белок расположен между микрофибриллами КЛ1, содержит пространственно сближенные радикалы АРГ и 5 остатков g-ГЛУ (механизм g-карбоксилирования аналогичен процессу у остеокальцина). Активно связывает Р0₄^3-, но особенно Са²⁺ в связи с этим, нередко называется матричным Са²⁺-связывающим белком. В детском организме содержание этого протеина на 30% больше чем у взрослых.

N +Ca2+ N -ГЛУ -ГЛУ и т.д. +PO43- +Ca2+ АРГ H2O АРГ и т.д. C C

Рис. 2.7фиксация кальция на g-глутаминовой кислоте и начало роста кристалловгидроксиапатитов

 

В структуре самого КЛ1 костной ткани e-аминогруппа радикала ЛИЗ, освобожденная от протеогликанов, фиксирует Р0₄^3- с образованием фосфамидной связи. Считается, что фосфат, связывая Са²⁺, возможно, участвует в образовании центра кристаллизации.

ЛИЗ +Ca2+ N C N C N C и т.д. (CH2)4 (CH2)4 (CH2)4 NH2 HN- HN-

Рис. 2.8фиксация фосфатов на лизине, входящем в состав коллагена и начало роста кристаллов гидроксиапатита

 

Образование фосфоэфирных, а тем более фосфамидных связей, требует особых условий (источника энергии, наличия фермента). Донорами Р0₄^3- для инициации процессов минерализации, служат PPi и органические эфиры фосфорной кислоты, освобождающие Р0₄^3- под влиянием пирофосфатазы, 5'-АМФ-азы, АТФ-азы. Однако доминирующее значение в образовании фосфат содержащих центров кристаллизации принадлежит ЩФ, обеспечивающей перенос PO₄^3- от фосфорорганических эфиров к белкам, осуществляющим минерализацию.

После формирования центров кристаллизации начинается эпитаксический (самоорганизованный, направленный) рост кристаллов ГАП на белковой матрице костной ткани.

По завершении процесса роста кристаллов ГАП, остеобласты оказываются окруженными по периферии минерализованным матриксом и превращаются в остеоциты, главное назначение которых - поддержание стабильности обменных процессов в уже минерализованных отделах костной ткани, то есть сохранение постоянства ее органического и минерального состава. Это возможно только при наличии непрерывного динамического равновесия между процессами образования костной ткани, осуществляемыми остеобластами и остеоцитами, и процессами ее разрушения, или резорбции, выполняемыми остеокластами. Последние располагаются по поверхности костей в особых углублениях - нишах резорбции, образуемых за счет деятельности этих клеток.

Пусковыми факторами, способствующими активации резорбции костной ткани, является снижение оксигенации ткани и интенсификации в остеокластах анаэробного гликолиза, вызывающего накопление лактата и соответственно, Н⁺. Другой источник Н⁺ - это Н₂СО₃, образуемая карбангидразой. Снижение рН приводит к повышению проницаемости мембран лизосом и освобождение соответствующих гидролаз: коллагеназы, гликозидаз, сульфатаз. Остеокласты выделяют в межклеточный матрикс Н⁺, лактат и лизосомальные гидролазы. В результате местного ацидоза происходит распад связи кристаллов ГАП и белков межклеточного матрикса, кристаллы разрушаются. Ферменты гидролизуют соответствующие белки и происходит разрушение матрицы. Продукты распада белков матрикса и ГАП поступают в кровь, которая доставляет в остебласты кальций и фосфор, происходит восстановление органического и минерального состава костной ткани.