Які мікроелементи входять до складу кісткового скелета людини? Будова кісткової тканини. До складу кісткової тканини входять, як відомо, кісткові клітини та міжклітинна субстанція, яка складається з основної безструктурної речовини та оформленої частини у вигляді

Біохімія кісткової тканини

Кісткова тканина – особливий вид сполучної тканини. Клітинними елементами кісткової тканини є остеобласти, остеоцити, остеокласти.

Остеобласти-достатньо велика кількістьглікогену, глюкози. Синтез АТФ на 60% пов'язаний із реакціями гліколізу. У клітинах протікають реакції ЦТК, і найбільшу активність має цитратсинтаза. Синтезований цитрат використовується надалі для зв'язування Са 2+ необхідного в процесах мінералізації. Оскільки функцією остеобластів є створення міжклітинного органічного матриксу, ці клітини містять велику кількість РНК, необхідної для синтезу білків. В остеобластах синтезуються та виділяються у позаклітинний простір гліцерофосфоліпіди, які пов'язують кальцій та беруть участь у процесах мінералізації. Остеобласти синтезують і виділяють у міжклітинну речовину фібрили колагену, протеоглікани та глікозаміноглікани і забезпечують безперервне зростання кристалів гідроксіапатитів. У міру старіння остеобласти перетворюються на остеоцити.

Остеоцити-зріла відросткова клітина кісткової тканини, що виробляє компоненти міжклітинної речовини. Остеоцити контактують один з одним через відростки.

Остеокласти– утворюються з макрофагів, містять багато лізосом та мітохондрій. Вони здійснюють безперервний керований процес реконструкції та оновлення кісткової тканини.

Хімічний складкісткової тканини

Міжклітинний органічний матрикс компактної кістки становить близько 20 %, неорганічні речовини 70 %, вода 10 %.

Міжклітинна речовина складається з основної речовини (що складається з позаклітинної рідини, глікопротеїнів, протеогліканів), колагенових волокон (90-95%), мінеральних речовин, представлених кристалами, переважно гідроксіапатитом Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 . Крім того, в кістки виявлені іони Mg 2+, Na +, K +, SO 4 2-, НСО 3-, гідроксильні та інші.

Основними білками міжклітинного матриксу є колагенові білки I типу, які становлять близько 90% органічного матриксу кістки Колаген I типу містить 33% гліцину, 21% проліну та гідроксипроліну, 1% гідроксилізину та малу кількість вуглеводів. Знаходиться у складі кісток, дентину, пульпи зуба, цементу, періодонтальних волокон. Цей тип колагенових волокон бере участь у процесах мінералізації. Первинна структура колагену представлена -ланцюгами, що складаються з 1000 амінокислотних залишків. Три альфа-ланцюги скручуються між собою і утворюють тропоколаген. Формуючи фібрили, молекули тропоколагену розташовуються ступінчасто, зміщуючись щодо один одного на одну чверть довжини, що надає фібрилам характерну смугастість. (Рис. 1)

Рис. 1. Структури колагену.

Між альфа-ланцюгами тропоколагену виникають водневі зв'язки, в освіті яких беруть участь гідроксипролін, гідроксилізин та глікозильований гідроксилізин. У реакціях гідроксилювання проліну та лізину бере участь аскорбінова кислота. Надалі за допомогою лізилоксидази, ферменту, що містить Сu 2+ , утворюються альдегідні похідні лізину та 5-гідроксилізину, які сприяють утворенню міжмолекулярних ковалентних зв'язків між фібрилами колагену. Утворення міжмолекулярних зв'язків впливає на міцність колагенових фібрил.

Тому нестача в організмі аскорбінової кислоти (цингу), іонів Сu 2+ , генетичні дефекти, аутоімунні стани призводять до порушення синтезу колагену. Клінічні прояви будуть у вигляді змін з боку зубощелепної системи: кровоточивість ясен, рухливість та випадання зубів, множинний карієс.

У кістковій тканині міститься близько 10% неколагенових білків. Вони представлені: 10% протеогліканів, 15% кістковий сіалопротеїн, 15% остеонектин, 10% α 2 HSглікопротеїн, 3% альбумін сироватки, 15% остеокальцин, 32% інші білки. Ці білки синтезуються остеобластами і здатні пов'язувати фосфати чи кальцій.

Міжклітинний органічний матрикс компактної кістки становить близько 20%, неорганічні речовини – 70% та вода – 10%. У губчастій кістці переважають органічні компоненти, які становлять понад 50%, частку неорганічних сполук припадає 33-40%. Кількість води приблизно те саме, що й у компактній кістці.

Органічний матрикс кісткової тканини.Приблизно 95% органічного матриксу посідає колаген типу I. Цей типколагену входить також до складу сухожиль і шкіри, проте колаген кісткової тканини має деякі особливості. У ньому трохи більше оксипроліну, а також вільних аміногруп лізинових та оксилизинових залишків. Це обумовлює наявність більшої кількості поперечних зв'язків у колагенових волокнах та їх велику міцність. Порівняно з колагеном інших тканин кістковий колаген характеризується підвищеним вмістом фосфату, який переважно пов'язаний із залишками серину.

Білки неколагенової природи представлені глікопротеїнами, білковими компонентами протеогліканів. Беруть участь у зростанні та розвитку кістки, процесі мінералізації, водно-сольовому обміні. Альбуміни беруть участь у транспорті гормонів та інших речовин із крові.

Переважним білком неколагенової природи є остеокальцин. Він присутній тільки в кістках та зубах. Це невеликий (49 амінокислотних залишків) білок, званий також кістковим глутаміновим білком або gla-білком. У молекулі остеокальцину виявлено три залишки
γ-карбоксиглутамінової кислоти. За рахунок цих залишків він може зв'язувати кальцій. Для синтезу остеокальцину потрібний вітамін К (рис. 34).

Рис. 34. Посттрансляційна модифікація остеокальцину

До складу органічного матриксу кісткової тканини входять глікозаміноглікани, основним представником яких є хондроїтин-4-сульфат. Хондроїтин-6-сульфат, кератансульфат та гіалуронова кислота містяться в невеликих кількостях. Окостеніння супроводжується зміною глікозаміногліканів: сульфатовані сполуки поступаються місцем несульфатованим. Глікозаміноглікани беруть участь у зв'язуванні колагену з кальцієм, регуляції водного та сольового обміну.

Цитрат необхідний мінералізації кісткової тканини. Він утворює комплексні сполуки із солями кальцію та фосфору, забезпечуючи можливість підвищення концентрації їх у тканині до такого рівня, при якому можуть початися кристалізація та мінералізація. Також візьме участь у регуляції рівня кальцію у крові. Крім цитрату, у кістковій тканині виявлено сукцинат, фумарат, малат, лактат та інші органічні кислоти.

Кістковий матрикс містить невелику кількість ліпідів. Ліпіди відіграють істотну роль у освіті ядер кристалізації при мінералізації кістки.

Остеобласти багаті на РНК. Високий вміст РНК у кісткових клітинах відображає їх активність та постійну біосинтетичну функцію.

Неорганічний склад кісткової тканини.

У ранньому віці в кістковій тканині переважає аморфний фосфат кальцію Са 3 (РО 4) 2 . У зрілій кістці переважним стає кристалічний гідроксіапатит Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 (рис. 35). Його кристали мають форму пластин або паличок. Зазвичай аморфний фосфат кальцію розглядають як лабільний резерв іонів Са2+ та фосфату.

До складу мінеральної фази кістки входять іони натрію, магнію, калію, хлору та ін. гідратної оболонки кристалічних ґрат.

Рис. 35. Будова кристала гідроксіапатиту

Метаболізм кісткової тканинихарактеризується двома протилежними процесами: утворенням нової кісткової тканини остеобластами та резорбцією (деградацією) старою остеокластами. У нормі кількість новоствореної тканини еквівалентно зруйнованої. Кісткова тканина скелета людини практично повністю перебудовується протягом 10 років.

Освіта кісткової тканини

на 1 етапіостеобласти синтезують спочатку протеоглікани і глікозаміноглікани, що утворюють матрикс, а потім продукують фібрили кісткового колагену, які розподіляються в матриксі. Кістковий колаген є матрицею для процесу мінералізації. Необхідною умовою процесу мінералізації є пересичення середовища іонами кальцію та фосфору. Утворення кристалів мінерального кістяка кістки запускають
Са-зв'язуючі білки на матриці колагену. Остеокальцин міцно пов'язаний з гідроксіапатитом та бере участь у регуляції росту кристалів за рахунок зв'язування Са 2+ у кістках. Електронно-мікроскопічні дослідження показали, що формування мінеральної кристалічної решітки починається в зонах, що знаходяться в регулярних проміжках між колагеновими фібрилами. Кристали, що утворилися в зоні колагену, потім у свою чергу стають ядрами мінералізації, де в просторі між колагеновими волокнами відкладається гідроксіапатит.

на 2 етапіу зоні мінералізації за участю лізосомних протеїназ відбувається деградація протеогліканів; посилюються окислювальні процеси, розпадається глікоген, синтезується необхідна кількість АТФ. Крім того, в остеобластах збільшується кількість цитрату, необхідного для синтезу фосфату аморфного кальцію.

Принаймні мінералізації кісткової тканини кристали гидроксиапатита витісняють як протеогликани, а й воду. Щільна, повністю мінералізована кістка практично зневоднена.

Фермент лужна фосфатаза бере участь у мінералізації. Одним із механізмів її дії є локальне збільшення концентрації іонів фосфору до точки насичення, за яким йдуть процеси фіксації кальцій-фосфорних солей на органічній матриці кістки. При відновленні кісткової тканини після переломів вміст лужної фосфатази у кістковій мозолі різко збільшується. При порушенні кісткоутворення спостерігається зменшення вмісту та активності лужної фосфатази у кістках, плазмі та інших тканинах.

Інгібітор кальцифікації є неорганічний пірофосфат. Ряд дослідників вважають, що процесу мінералізації колагену в шкірі, сухожиллях, судинних стінках перешкоджає постійна наявність у цих тканинах протеогліканів.

Процеси моделювання та ремоделювання забезпечують постійне оновлення кісток, а також модифікацію їх форми та структури. Моделювання (освіта нової кістки) має місце в основному дитячому віці. Ремоделювання є домінуючим процесом у скелеті дорослих; у цьому випадку відбувається лише заміна окремої ділянкистарі кістки. Таким чином, у фізіологічних і патологічних умовах відбувається не тільки освіта, але і резорбція кісткової тканини.

Катаболізм кісткової тканини

Практично одночасно має місце розсмоктування як мінеральних, так і органічних структур кісткової тканини. При остеолізі посилюється продукція органічних кислот, що призводить до зсуву рН у кислу сторону. Це сприяє розчиненню мінеральних солей та їх видаленню.

Резорбція органічного матриксу відбувається під дією лізосомних кислих гідролазів, спектр яких у кістковій тканині досить широкий. Вони беруть участь у внутрішньоклітинному перетравленні фрагментів структур, що резорбуються.

За всіх захворювань скелета відбуваються порушення процесів ремоделювання кістки, що супроводжується виникненням відхилень у рівні біохімічних маркерів.

Є спільні маркери формування нової кісткової тканини, такі як кістково-специфічна лужна фосфатаза, остеокальцин плазми, проколаген I, пептиди плазми. До біохімічних маркерам резорбції кісткивідносяться кальцій у сечі та гідроксипролін, піридинолін сечі та дезоксипіридинолін, які є похідними поперечних волокон колагену, специфічних для хрящів та кісток.

Чинниками, що впливають на метаболізм кісткової тканини, є гормони, ферменти та вітаміни.

Мінеральні компоненти кісткової тканини знаходяться практично у стані хімічної рівноваги з іонами кальцію та фосфату сироватки крові. У регуляції надходження, депонування та виділення кальцію та фосфату важливу роль відіграють паратгормон та кальцитонін.

Дія паратгормону призводить до збільшення числа остеокластів та їх метаболічної активності. Остеокласти сприяють прискореному розчиненню мінеральних сполук, що містяться в кістках. Отже, відбувається активація клітинних систем, що у резорбції кістки.

Паратгормон збільшує також реабсорбцію іонів Са 2+ у ниркових канальцях. Сумарний ефект проявляється у підвищенні рівня кальцію у сироватці крові.

Дія кальцитоніну полягає у зниженні концентрації іонів Са 2+ за рахунок відкладення його в кістковій тканині. Він активує ферментну систему остеобластів, підвищує мінералізацію кістки та зменшує кількість остеокластів у зоні дії, тобто пригнічує процес кісткової резорбції. Все це підвищує швидкість формування кістки.

Вітамін D бере участь у біосинтезі Са 2+ -зв'язуючих білків, стимулює всмоктування каліцію в кишечнику, підвищує реабсорбцію кальцію, фосфору, натрію, цитрату, амінокислот у нирках. За нестачі вітаміну D ці процеси порушуються. Прийом протягом тривалого часу надлишкових кількостей вітаміну D призводить до демінералізації кісток та збільшення концентрації кальцію в крові.

Кортикостероїди збільшують синтез та секрецію паратгормону, посилюють демінералізацію кістки; статеві гормони прискорюють дозрівання та скорочують період зростання кістки; тироксин посилює ріст та диференціювання тканини.

Дія вітаміну С на метаболізм кісткової тканини обумовлена насамперед впливом на процесі біосинтезу колагену. Аскорбінова кислота є кофактором проліл- та лізилгідроксилаз і необхідна для здійснення реакції гідроксилювання проліну та лізину. Нестача вітаміну С призводить також до змін у синтезі глікозаміногліканів: вміст гіалуронової кислоти в кістковій тканині збільшується в кілька разів, тоді як біосинтез хондроїтинсульфатів уповільнюється.

За нестачі вітаміну А відбувається зміна форми кісток, порушення мінералізації, затримка росту. Вважають що даний фактобумовлений порушенням синтезу хондроїтинсульфату. Високі дози вітаміну А призводять до надмірної резорбції кістки.

При нестачі вітамінів групи В зростання кістки уповільнюється, що пов'язано з порушенням білкового та енергетичного обміну.

Особливості зубної тканини

Основну частину зуба складає дентін. Частина зуба, що виступає з ясна, коронка, покрита. емаллю, а корінь зуба покритий зубним цементом. Цемент, дентин та емаль побудовані подібно до кісткової тканини. Білковий матрикс цих тканин складається головним чином із колагенів та протеогліканів. Зміст органічних компонентів у цементі – близько 13%, у дентині – 20%, в емалі – лише 1-2%. Високий вміст мінеральних речовин (емаль – 95%, дентин – 70%, цемент – 50%) визначає високу твердість зубної тканини. Найбільш важливим мінеральним компонентом є гідроксіапатит [Са 3 РО 4) 2 ] 3 Са(ОН) 2 . Містяться також карбонатний апатит, хлорапатит і стронцевий апатит.

Емаль, що вкриває зуб, напівпроникна. Вона бере участь в обміні іонами та молекулами зі слиною. На проникність емалі впливають рН слини, і навіть ряд хімічних чинників.

У кислому середовищі тканина зуба піддається атаці та втрачає твердість. Таке поширене захворювання, як карієс, викликається мікроорганізмами, що живуть на поверхні зубів і виділяють як продукт анаеробного гліколізу органічні кислоти, що вимивають з емалі іони Са 2+ .

Контрольні питання

1. Назвіть основні органічні компоненти кісткової тканини.

2. Які неорганічні сполуки входять до складу кісткової тканини?

3. У чому різниця біохімічних процесів, що протікають в остеокластах та остеобластах?

4. Опишіть процес формування кістки.

5. Які фактори впливають на формування кісткової тканини та її метаболізм?

6. Які речовини можуть бути біохімічними маркерами процесів, що протікають у кістковій тканині?

7. Які особливості біохімічного складу зубної тканини?

Література

1. Березов, Т.Т. Біологічна хімія / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкін. – М.: ВАТ «Видавництво «Медицина»», 2007. – 704 с.

2. Біохімія. / За ред. О.С. Северина. - М.: Геотар-Медіа, 2014. -
768 с.

3. Біологічна хімія з вправами та завданнями. / За ред. О.С. Северина. – К.: ГЕОТАР-Медіа, 2013. – 624 с.

4. Зубаїров, Д.М. Керівництво до лабораторних занять із біологічної хімії. / Д.М. Зубаїров, В.М. Тімербаєв, В.С. Давидов. – М.: Геотар-Медіа, 2005. – 392 с.

5. Шведова, В.М. Біохімія. /В.М. Шведова. - М.: Юрайт, 2014. - 640 с.

6. Ніколаєв, А.Я. Біологічна хімія / А Я. Миколаїв. – К.: Медичне інформаційне агентство, 2004. – 566 с.

7. Кушманова, О.Б. Керівництво до лабораторних занять із біологічної хімії. / О.Б. Кушманова, Г.І. Івченко. - М. – 1983.

8. Ленінджер, А. Основи біохімії / А. Ленінджер. - М., "Світ". – 1985.

9. Маррі, Р. Біохімія людини. / Р. Маррі, Д. Греннер, П. Мейєс, В. Родуелл. – Т. 1. – М.: Світ, 1993. – 384 с.

10. Маррі, Р. Біохімія людини. / Р. Маррі, Д. Греннер, П. Мейєс, В. Родуелл. - Т. 2. - М: Мир, 1993. - 415 с.

Кристали гідроксилапатиту Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 складають частину мінеральної фази кісткової тканини, мають форму пластин або паличок. Інша частина представлена аморфним фосфатом кальцію Са3(РО4)2. Аморфний фосфат кальцію переважає в ранньому віці, в зрілій кістці переважає кристалічний гідроксіапатит. Зазвичай аморфний фосфат кальцію розглядають як лабільний резерв іонів Са2+ та фосфату.

Органічний матрикс кісткової тканини.Приблизно 95% органічного матриксу посідає колаген. Колаген є головним фактором, що визначає механічні властивості кістки. Колагенові фібрили кісткового матриксу утворені колагеном типу 1. Даний тип колагену входить також до складу сухожиль і шкіри, проте колаген кісткової тканини має деякі особливості. У колагені кісткової тканини дещо більше оксипроліну, ніж у колагені сухожилля та шкіри. Для кісткового колагену характерний великий вміст вільних аміногруп лізинових та оксилизинових залишків. Ще одна особливість кісткового колагену – підвищений порівняно з колагеном інших тканин вміст фосфату. Більшість цього фосфату пов'язані з залишками серина.

У сухому демінералізованому кістковому матриксі міститься близько 17% неколагенових білків, серед яких знаходяться й білкові компоненти протеогліканів. Загалом кількість протеогліканів у сформованій щільній кістці невелика.

Окостеніння супроводжується зміною глікозаміногліканів: сульфатовані сполуки поступаються місцем несульфатованим. Кістковий матрикс містить ліпіди, які є безпосереднім компонентом кісткової тканини, а не є домішкою в результаті недостатньо повного видаленнябагатого ліпідами кісткового мозку. Ліпіди можуть відігравати істотну роль у освіті ядер кристалізації при мінералізації кістки.

Остеобласти багаті на РНК. Високий вміст РНК у кісткових клітинах відображає їх активність та постійну біосинтетичну функцію. Особливістю кісткового матриксу є висока концентрація цитрату: близько 90% його загальної кількості в організмі посідає частку кісткової тканини. Цитрат необхідний мінералізації кісткової тканини. Він утворює комплексні сполуки із солями кальцію та фосфору, забезпечуючи можливість підвищення концентрації їх у тканині до такого рівня, при якому можуть початися кристалізація та мінералізація. Крім цитрату, у кістковій тканині виявлено сукцинат, фумарат, малат, лактат та інші органічні кислоти.

Формування кістки.Утворення міжклітинної речовини та мінералізація кісткової тканини є результатом діяльності остеобластів, які у міру утворення кісткової тканини замуровуються у міжклітинній речовині та стають остеоцитами. Кісткова тканина служить основним депо кальцію в організмі і бере активну участь у кальцієвому обміні. Вивільнення кальцію досягається шляхом руйнування (резорбції) кісткової тканини, яке зв'язування - шляхом утворення кісткової тканини. З цим пов'язаний процес постійної перебудови кісткової тканини, що триває протягом усього життя організму. При цьому відбуваються зміни форми кістки відповідно до змінних механічних навантажень. Кісткова тканина скелета людини практично повністю перебудовується кожні 10 років.

Процес осифікації можливий лише за наявності суворо орієнтованих колагенових волокон. Структурна особливість колагенового волокна полягає в тому, що розташовані в ряді молекули тропоколагену не пов'язані за типом кінець у кінець. Між кінцем однієї молекули та початком наступної є проміжок. Цілком ймовірно, що проміжки вздовж ряду молекул тропоколагену є початковими центрами відкладення мінеральних складових частинкісткової тканини. Кристали, що утворилися в зоні колагену, потім у свою чергу стають ядрами мінералізації, де в просторі між колагеновими волокнами відкладається гідроксіапатит.

При формуванні кістки у зоні кальцифікації за участю лізосомних протеїназ відбувається деградація протеогліканів. Принаймні мінералізації кісткової тканини кристали гидроксиапатита як би витісняють як протеогликани, а й воду. Щільна, повністю мінералізована кістка практично зневоднена. У цих умовах колаген становить приблизно 20% від маси та 40% від обсягу кісткової тканини, решта припадає на частку мінеральних компонентів.

Не всі колагеновмісні тканини в організмі схильні до осифікації.

Очевидно, існують специфічні інгібітори кальцифікації. Ряд дослідників вважають, що процесу мінералізації колагену в шкірі, сухожиллях, судинних стінках перешкоджає постійна наявність у цих тканинах протеогліканів. Існує також думка, що інгібітор кальцифікації може бути неорганічний пірофосфат. При мінералізації тканин інгібуюча дія пірофосфату знімається пірофосфатазою, яка, зокрема, виявлена у кістковій тканині. У цілому нині біохімічні механізми мінералізації кісткової тканини вимагають подальшого дослідження.

Складною є проблема катаболізму матриксу кісткової тканини. Як у фізіологічних, так і в патологічних умовах відбувається резорбція кісткової тканини, при якій практично одночасно має місце розсмоктування як мінеральних, так і органічних структур кісткової тканини. У видаленні мінеральних солей певна роль належить продукції органічних кислот, що посилюється при остеолізі, у тому числі лактату. Відомо, що зсув рН тканини в кислу сторону сприяє розчиненню мінералів і тим самим їх видалення.

Резорбція органічного матриксу вимагає наявності та дії відповідних ферментів. До них відносяться лізосомні кислі гідролази, спектр яких у кістковій тканині досить широкий. Вони беруть участь у внутрішньоклітинному перетравленні фрагментів структур, що резорбуються.

Отже, щоб міг статися внутрішньоклітинний гідроліз, необхідно структури органічного матриксу попередньо піддати впливу, в результаті якого утворилися б фрагменти полімерів. Так, резорбція колагенових волокон потребує попереднього впливу колагенолітичних ферментів.

До факторів, що впливають на метаболізм кісткової тканини, насамперед слід віднести гормони, ферменти та вітаміни.

Мінеральні компоненти кісткової тканини знаходяться практично у стані хімічної рівноваги з іонами кальцію та фосфату сироватки крові. Надходження, депонування та виділення кальцію та фосфату регулюються дуже складною системою, в якій серед інших факторів важлива роль належить паратгормону та кальцитоніну. При зменшенні концентрації іонів Са2 у сироватці крові зростає секреція паратгормону. Безпосередньо під впливом цього гормону в кістковій тканині активуються клітинні системи, що беруть участь у резорбції кістки (збільшення числа остеокластів та їх метаболічної активності), тобто остеокласти сприяють підвищеному розчиненню мінеральних сполук, що містяться в кістках. Паратгормон збільшує також реабсорбцію іонів Са 2+ у ниркових канальцях. Сумарний ефект проявляється у підвищенні рівня кальцію у сироватці крові. При збільшенні вмісту іонів Са 2+ у сироватці крові секретується гормон кальцитонін, дія якого полягає у зниженні концентрації іонів Са 2+ за рахунок відкладення його у кістковій тканині. Він підвищує мінералізацію кістки та зменшує кількість остеокластів у зоні дії, тобто пригнічує процес кісткової резорбції. Все це підвищує швидкість формування кістки.

У регуляції вмісту іонів Са 2+ важлива роль належить вітаміну D, який бере участь у біосинтезі Са 2+ -зв'язуючих білків. Ці білки необхідні для всмоктування іонів Са 2+ у кишечнику, реабсорбції їх у нирках та мобілізації кальцію з кісток. Надходження в організм оптимальних кількостей вітаміну D є необхідною умовоюдля нормального перебігу процесів кальцифікації кісткової тканини За недостатності вітаміну D ці процеси порушуються. Прийом протягом тривалого часу надлишкових кількостей вітаміну D призводить до демінералізації кісток. Припинення росту кісток є раннім проявом недостатності вітаміну А. Вважають, що цей факт обумовлений порушенням синтезу хондроїтинсульфату. При введенні тварин високих доз вітаміну А, що перевищують фізіологічну потребута викликають розвиток гіпервітамінозу А, спостерігається резорбція кістки, що може призводити до переломів.

Для нормального розвитку кісткової тканини необхідний і вітамін С. Дія вітаміну С не метаболізм кісткової тканини зумовлено, насамперед, впливом на процес біосинтезу колагену. Аскорбінова кислота необхідна для здійснення реакції гідроксилювання проліну та лізину. Нестача вітаміну С викликає також зміни в синтезі глікозаміногліканів: вміст гіалуронової кислоти в кістковій тканині збільшується в кілька разів, тоді як біосинтез хондроїтинсульфатів уповільнюється.

Контрольні питання

1. Охарактеризуйте метаболізм кальцію та фосфору в організмі.

2. Які гормони беруть участь у регуляції фосфорно-кальцієвого обміну?

3. Який вид рецепції переважає у гормонів, що регулюють фосфорно-кальцієвий обмін?

4. Як відбувається перетворення вітаміну D на кальцитріол?

5. Перерахуйте симптоми, що спостерігаються при гіпо- та гіперкальціємії.

6. Назвіть основні органічні компоненти кісткової тканини.

7. Які неорганічні сполуки входять до складу кісткової тканини?

8. Опишіть процес формування кістки.

9. Які фактори впливають на формування кісткової тканини та її метаболізм?

У компактноюкістки: 20% – органічний матрикс, 70% – неорганічні речовини, 10% – вода. У губчастоїкістки: понад 50% – органічні компоненти, 33 – 40% – неорганічні сполуки, 10% – вода.

Неорганічний склад кісткової тканини . В організмі людини ~ 1 кг кальцію, 99% його знаходиться в кістках та зубах. Більшість Са в кістках постійно оновлюється: протягом доби кістки скелета втрачають і знову отримують ~ 700 – 800 мг Са. Неорганічні компоненти кісткової тканини представлені:

кристалами гідроксиапатиту Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 які мають форму пластин або паличок;

аморфним фосфатом Са - Са 3 (РО 4) 2 який вважається лабільним резервом іонів Са і Р.

У ранньому віці переважає Са 3 (РО 4) 2 , а зрілої кістки – гидроксиапатит.

Na + , Mg 2+ , K + , Cl - та ін.

Органічний матрикс кісткової тканини: ~95% - колаген типу I. У ньому багато вільних ε-NH 2 -груп Ліз та оксилізину, а також пов'язаних із залишками Сер фосфатів. Кількість протеогліканів у зрілій щільній кістці невелика. Серед глікозамінгліканів переважає хондроїтин-4-сульфат і менше міститься хондроїтин-6-сульфату, кератансульфату та гіалуронової кислоти; вони беруть участь у осифікації. Багато цитрату (до 90% від загальної кількості в організмі): можливо, цитрат утворює комплексні сполуки із солями Са і Р і тим самим підвищує концентрацію їх у тканині до такого рівня, при якому починається кристалізація та мінералізація.

Протягом усього життя організму продовжується постійна перебудова кісткової тканини. Вважають, що кісткова тканина скелета людини майже повністю перебудовується кожні 10 років. Метаболізм кісткової тканини, надходження, депонування та виведення Са та Р регулюються паратирином, кальцитоніном, кальцитріолом (1,25(ОН) 2 -Д 3) (повторити!). Паратирінактивує остеокласти, мінеральні (у першу чергу Са) та органічні компоненти надходять у кров. Кальцітонінпригнічує активність цих клітин, і швидкість формування кістки зростає. При нестачі вітаміну Д, що бере участь у синтезі Са-СБ, уповільнюється формування нових кісток та ремоделювання (оновлення) кісткової тканини. Хронічний надлишок віт.Д веде до демінералізації кісток. Віт.А: при нестачі припиняється зростання кісток через, ймовірно, порушення синтезу хондроїтинсульфату; при гіпервітамінозі – резорбція кістки та переломи. Віт.С необхідний для гідроксилювання Про та Ліз; за нестачі: 1) утворюється ненормальний колаген, процеси мінералізації порушуються; 2) порушується синтез глікозамінгліканів: вміст гіалуронової кислоти в кістковій тканині підвищується в кілька разів, а синтез хондроїтинсульфату сповільнюється.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЗУБУ.

Тверда частина зуба представлена емаллю, дентином та цементом. Порожнина зуба виконана пухкою сполучною тканиною – пульпою.

Емаль –

найтвердіша тканина в організмі людини, що обумовлено високим вмістом у ній не органічних речовин(До 97%). Здорова емаль містить 1,2% органічних речовин та до 3,8% води, яка може бути вільною та пов'язаною (у вигляді гідратної оболонки кристалів апатитів).

Мінеральну основускладають кристали апатитів:

гідроксіапатит - 75%,

карбонатапатит – 19%,

хлорапатит – 4,4%,

фторапатит – 0,66%,

неапатитні форми – менше 2%.

Загальна формула апатитів: А 10 (4)Х 2 , де

А - Ca, Cr, Ba, Cd, Mg;

B - P, As, Si;

X - F, OH, Cl, CO 3 2- .

Кристали різних зубів неоднакові; кристали емалі ~ у 10 разів більше кристалів дентину та кістки. Склад апатитів може змінюватись. "Ідеальний" апатит - Са 10 (РО 4) 6 (ВІН) 2, тобто. десятикальцієвий, де відношення Са/Р = 1,67. Це може змінюватися від 1,33 до 2,0, т.к. можливе перебіг реакцій заміщення:

Са 10 (РВ 4) 6 (ВІН) 2 + Mg 2+ → Са 9 Mg (РВ 4) 6 (ВІН) 2 + Cа 2+

Таке заміщення є несприятливим, т.к. знижує резистентність до емалі. Інше заміщення, навпаки, до утворення речовини з більшою резистентністю до розчинення:

Са 10 (РВ 4) 6 (ВІН) 2 + F - → Са 10 (РВ 4) 6 F(ВІН) + ВІН -

гідроксифторапатит

Однак при дії високих концентрацій F на гідроксіапатит реакція йде інакше:

Са 10 (РВ 4) 6 (ВІН) 2 + 20 F - → 10 СаF 2 + 6 РВ 4 3- + 2 ВІН -

Фторид Са, що утворився, швидко зникає з поверхні зубів.

У кристалічних ґратах гідроксіапатитів можуть бути вакантні місця, що підвищує здатність кристалів до поверхневих реакцій. Н-р, якщо десятикальцієвий гідроксиапатит має загальний нейтральний заряд, восьмикальцієвий гідроксиапатит заряджений негативно: (Са 8 (РО 4) 6 (ОН) 2) 4- і здатний зв'язувати протиіони.

Кожен кристал гідроксиапатиту покритий гідратною оболонкою (1 нм). Проникнення різних речовин у кристал гідроксиапатиту йде в 3 стадії:

1 стадія - іонний обмін між розчином, що омиває кристал, і гідратною оболонкою, в якій в результаті можуть накопичуватися фосфат, карбонат, цитрат, Са, Sr. Деякі іони (К + , Cl -) можуть легко входити в гідратний шар і залишати його, інші іони (Na + , F -), навпаки, проходять у кристал гідроксиапатиту. Перша стадія - дуже швидкий процес, триває кілька хвилин, в основі - процес дифузії;

2 стадія – обмін іонами між гідратною оболонкою та поверхнею кристала гідроксиапатиту. Протікає повільніше (кілька годин). Поверхнево розташовані іони кристала відриваються, йдуть у гідратну оболонку, на їх місце встають інші, з гідратного шару. У поверхню кристала гідроксіапатиту проникають фосфат, Са, F, карбонат, Sr, Na;

3 стадія – використання іонів із поверхні вглиб кристала, тобто. внутрішньокристалічний обмін. Всередину кристала можуть потрапити Са, Sr, фосфат, F. Тече довго, дні – місяці.

Т.ч. кристали гідроксіапатиту нестабільні, їх склад і властивості змінюються в залежності від розчину, що омиває кристал. Це використовується у практичній стоматології.

Більшість кристалів гідроксиапатиту в емалі певним чином орієнтована і впорядкована у вигляді складніших утворень – емалевих призм, кожна з яких складається з тисяч і мільйонів кристалів. Емалеві призми зібрані у пучки.

Органічні речовиниемалі представлені білками, пептидами, вільними амінокислотами (Глі, Вал, Про, Опр), жирами, цитратом, вуглеводами (галактоза, глюкоза, манноза, глюкуронова кислота, фукоза, ксилоза).

Білки емалі ділять на 3 групи:

I – водорозчинні білки; молекулярна маса – 20000, не сповзиваються з мінеральними речовинами;

II - кальцій-зв'язуючий білок (Са-СБ): молекулярна маса 20000; 1 моль Са-СБ може пов'язувати 8 – 10 іонів Са і утворювати в нейтральному середовищі нерозчинний комплекс із Са 2+ на кшталт ди-, три- і тетрамерів масою 40 - 80 тис. У освіті агрегатів Са-СБ із Са беруть участь фосфоліпіди. У кислому середовищі комплекс розпадається;

III – білки, які не розчиняються в ЕДТА та HCl (навіть у 1N розчині). Нерозчинні білки емалі за амінокислотним складом схожі на колаген, але не ідентичні йому: у білку емалі менше, ніж у колагені, Про та Глі, майже немає Опр, але багато пов'язаних з ним вуглеводів.

Роль білка: 1) оточуючи апатити, білок запобігає контакту кислоти з ними чи пом'якшує її вплив, тобто. затримують демінералізацію цього шару;

2) є матрицею для мінералізації та ремінералізації (у механізмі біологічного звапніння).

Запропоновано функціонально-молекулярна модель будови емалі, відповідно до якої молекули Са-СБ, з'єднані між собою кальцієвими містками, формують тривимірну сітку; Са при цьому може бути вільним або входити до структури гідроксиапатиту. Ця сітка через Са кріпиться до кістяка (каркаса, м'якого скелета емалі), який формується нерозчинним білком. Функціональні групи Са-СБ, здатні зв'язати Са, а це фосфат у складі або фосфосерину або фосфоліпідів, пов'язаних з білком; СООН-групи Глу, АСП, аміноцитрату, служать центрами (точками) нуклеації при кристалізації. Т.ч., білки забезпечують орієнтацію в ході кристалізації, сувору впорядкованість, рівномірність та послідовність формування емалі. Ступінь мінералізації залежить від салівації, кровопостачання, пересиченості Са 2+ та фосфатом, від рН середовища тощо.

Дентін

складає основну масу зуба. (Коронкова частина зуба покрита емаллю, коренева – цементом). Склад: до 72% – неорганічні речовини (головним чином, фосфат, карбонат, фторид кальцію), ~ 28% – органічні речовини (колаген) та вода. Дентин побудований з основної речовини і трубочок, що проходять в ньому, в яких знаходяться відростки одонтобластів і закінчення нервових волокон, що проникають з пульпи. Основна речовина містить зібрані в пучки колагенові волокна і склеювальну речовину, в якій є велика кількість мінеральних солей. Процес утворення дентину відбувається протягом усього періоду функціонування зуба за наявності життєздатної пульпи. Дентин, що утворюється після прорізування зуба, називають вторинним. Він характеризується меншим ступенем мінералізації та більшим вмістом колагенових фібрил. По дентинних трубочках може циркулювати дентинна рідина та надходити поживні речовини. Міжканальцева речовина представлена кристалами гідроксіапатиту, має високу щільністьта твердість. У цитоплазмі одонтобластів багато фібрил, є вільні рибосоми, ліпідні гранули.

Кожна кістка людини є складним органом: вона займає певне положення в тілі, має свою форму і будову, виконує властиву їй функцію. В освіті кістки беруть участь усі види тканин, але переважає кісткова тканина.

Загальна характеристика кісток людини

Хрящ покриває лише суглобові поверхні кістки, зовні кістка покрита окістям, всередині розташований кістковий мозок. Кістка містить жирову тканину, кровоносні та лімфатичні судини, нерви.

Кісткова тканинамає високі механічні якості, її міцність можна порівняти з міцністю металу. Хімічний склад живої кістки людини містить: 50% води, 12,5% органічних речовин білкової природи (осеїн), 21,8% неорганічних речовин (переважно фосфат кальцію) та 15,7% жиру.

Види кісток за формоюподіляють на:

Трубчасті (довгі - плечова, стегнова та ін; короткі - фаланги пальців);
плоскі (лобова, тім'яна, лопатка та ін.);
губчасті (ребра, хребці);
змішані (клиноподібна, вилицька, нижня щелепа).

Будова кісток людини

Основною структурою одиницею кісткової тканини є остеон,який видно у мікроскоп при малому збільшенні. Кожен остеон включає від 5 до 20 концентрично розташованих кісткових пластин. Вони нагадують собою вставлені один в одного циліндри. Кожна платівка складається з міжклітинної речовини та клітин (остеобластів, остеоцитів, остеокластів). У центрі остеону є канал – канал остеону; у ньому проходять судини. Між сусідніми остеонами розташовані вставні кісткові платівки.

Кісткову тканину утворюють остеобласти, виділяючи міжклітинну речовину і замуровуючись у ній, вони перетворюються на остеоцити - клітини відростчастої форми, нездатні до мітозу, зі слабко вираженими органелами. Відповідно в сформованій кістці містяться в основному остеоцити, а остеобласти зустрічаються тільки в ділянках росту та регенерації кісткової тканини.

Найбільша кількість остеобластів знаходиться в окісті - тонкій, але щільній сполучно-тканинній пластинці, що містить багато кровоносних судин, нервових та лімфатичних закінчень. Окістя забезпечує зростання кістки в товщину та харчування кістки.

Остеокластимістять велику кількість лізосом та здатні виділяти ферменти, чим можна пояснити розчинення ними кісткової речовини. Ці клітини беруть участь у руйнуванні кістки. При патологічних станах у кістковій тканині кількість їх різко зростає.

Остеокласти мають значення й у розвитку кістки: у процесі побудови остаточної форми кістки вони руйнують обвапнений хрящ і навіть новостворену кістку, «підправляючи» її первинну форму.

Структура кістки: компактна та губчаста речовина

На розпилі, шліфах кістки розрізняють дві її структури. компактна речовина(кісткові пластинки розташовані щільно і впорядковано), розташоване поверхнево, та губчаста речовина(кісткові елементи розташовані пухко), що лежить усередині кістки.

Така будова кісток повною мірою відповідає основному принципу будівельної механіки - за найменшої витрати матеріалу та великої легкості забезпечити максимальну міцність споруди. Це підтверджується і тим, що розташування трубчастих систем та основних кісткових балок відповідає напрямку дії сили стиснення, розтягування та скручування.

Структура кісток є динамічною реактивною системою, що змінюється протягом усього життя людини. Відомо, що у людей, які займаються важкою фізичною працею, компактний шар кістки сягає відносно великого розвитку. Залежно від зміни навантаження на окремі частини тіла можуть змінюватися розташування кісткових балок та структура кістки загалом.

З'єднання кісток людини

Всі з'єднання кісток можна розділити на дві групи:

Безперервні з'єднання, більш ранні розвитку у філогенезі, нерухомі або малорухливі по функції;
перервні з'єднання, Пізніші по розвитку і більш рухливі за функцією.

Між цими формами існує перехідна – від безперервних до перервних чи навпаки – напівсуглоб.

Безперервне з'єднання кісток здійснюється за допомогою сполучної тканини, хрящової та кісткової тканини (кістки власне черепа). Перервне з'єднання кісток, або суглоб, є молодшим утворенням з'єднання кісток. Усі суглоби мають загальний план будови, що включає суглобову порожнину, суглобову сумку та суглобові поверхні.

Суглобова порожнинавиділяється умовно, тому що в нормі між суглобовою сумкою та суглобовими кінцями кісток порожнечі не існує, а знаходиться рідина.

Суглобова сумкаохоплює суглобові поверхні кісток, утворюючи герметичну капсулу. Суглобова сумка складається з двох шарів, зовнішній шар якої переходить у окістя. Внутрішній шар виділяє в порожнину суглоба рідину, що відіграє роль мастила, забезпечуючи вільне ковзання суглобових поверхонь.

Види суглобів

Суглобові поверхні кісток, що зчленовуються, покриті суглобовим хрящем. Гладка поверхнясуглобових хрящів сприяє руху в суглобах. Суглобові поверхні за формою та величиною дуже різноманітні, їх прийнято порівнювати з геометричними фігурами. Звідси і назва суглобів за формою: кулясті (плечовий), еліпсоподібні (промене-зап'ястковий), циліндричні (промене-ліктьовий) та ін.

Так як рухи ланок, що зчленовуються, відбуваються навколо однієї, двох або багатьох осей, суглоби прийнято також ділити за кількістю осей обертанняна багатовісні (кулястий), двовісні (еліпсоподібний, сідлоподібний) та одновісні (циліндричний, блокоподібний).

Залежно від кількості кісток, що зчленовуютьсясуглоби поділяються на прості, в яких з'єднується дві кістки, і складні, в яких зчленовується більше двох кісток.