Органический матрикс минерализованных тканей

Минерализованные ткани представлены в организме костью, цементом, дентином, и эмалью. Эти виды ткани различаются по онтогенезу (первые три вида ткани – мезенхимального происхождения, а эмаль – эктодермального), клеточному составу, строению и протеканию в них биохимических процессов.

Минерализованные ткани, как и другие виды соединительной ткани, содержат небольшое количество клеток и большое межклеточное пространство (межклеточный матрикс). Межклеточный матрикс минерализованных тканей состоит из двух компонентов – высокоорганизованного органического матрикса (представленного, в основном, белками и протеогликанами) и связанных с ним минеральных компонентов. На рисунке изображен высокоорганизованный органический матрикс эмали (деминерализованная эмаль) при различных увеличениях.

Органический матрикс кости, который называют также остеоидом, или экстрацеллюларным матриксом, составляет приблизительно 30% массы влажной ткани. Содержание органических веществ в тканях зуба сильно варьирует от 2% в эмали до 30% в дентине.

Минеральные компоненты, в свою очередь, представлены, в основном, гидроксиапатитом, который можно описать общей формулой Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂, Как следует из формулы, основными ионами, входящими в состав гидроксиапатитов, являются Са²⁺ и РО₄^3-. Органический матрикс минерализованных тканей мезенхимального происхождения на 90-95% представлен коллагеном I типа. Протеогликаны составляют около 1%. От 3 до 8% массы приходится на неколлагеновые белки и фосфолипиды, причем, в литературе имеются данные о том, что последние принимают участие в процессах минерализации. Белки, участвующие в связывании клеток с компонентами внеклеточного матрикса, называют адгезивными. Среди присутствующих в минерализованных тканях ферментов можно выделить щелочную фосфатазу, действие которой приводит к увеличению уровня фосфат-ионов и ускорению минерализации, а также кислую фосфатазу, способствующую резорбции костной ткани.

Костная ткань содержит до 1% (от общей массы) цитрата, что составляет 90% от общего количества цитрата в организме. Вероятно, цитрат образует комплексные соединения с солями кальция, обеспечивая возможность повышения их концентрации в тканях до такого уровня, при котором может начинаться образование центров кристаллизации и последующая минерализация. Коллагеновые волокна придают минерализованным тканям прочность на разрыв, протеогликаны – эластичность, а минеральные компоненты - прочность на сжатие.

4.1. Коллаген I типаучаствует в минерализации, образуя комплексы с гидроксиапатитами, только в составе костной ткани, дентина и цемента (в сухожилиях, хряще и коже коллаген I типа не минерализуется). Эти различия обусловлены присутствием в минерализованных тканях соответствующих регуляторных белков. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов. Кроме коллагена I типа в костной ткани встречаются также коллаген V типа и неколлагеновые белки.

4.2. Протеогликаныминерализованных тканей представлены, в основном, дерматан- и кератансульфатами. Благодаря большому количеству отрицательных зарядов в их молекулах, протеогликаны могут связывать ионы кальция, к которым далее присоединяются фосфат-ионы, поэтому существует предположение, что протеогликаны способны связывать гидроксиапатиты.

4.3. Остеонектинсекретируетсязрелыми остеобластамии остеоцитами, поэтому по количеству остеонектина в крови можно судить о степени дифференцировки костных клеток. Остеонектин- гликопротеин кости и дентина. Он имеет высокое сродство к коллагену I типа и соединяется с ним через углеводный компонент. Остеонектинможет связываться с гидроксиапатитами через пространственно сближенные аминокислотные остатки аспартата и глутамата, которые взаимодействуют с ионами кальция, а также остатки аргинина, образующего ионные связи с ионами фосфата. Участки связывания гидроксиапатитов на молекуле остеонектинамогут играть роль центров кристаллизации. Кроме того, остеонектин, возможно, участвует во взаимодействии клеток и межклеточного матрикса, поэтому его относят к адгезивным белкам.

4.4. gla-Белки – это белки, содержащие аминокислотные остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты, образующиеся в результате посттрансляционной модификации глутамильных остатков в полипептидной цепи. Реакцию катализирует витамин К₁-зависимый фермент – γ-глутамилкарбоксилаза, требующий для протекания реакции наличия кислорода и карбонат-ионов. Остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты, содержащие две близко расположенные карбоксильные группы, наделены повышенной способностью связывать ионы кальция.

Представителем этой группы белков является остеокальцин, называемый также костным gla-белком, который занимает второе место (10-20%) среди неколлагеновых белков, синтезируется, в основном, в остеобластах и в остеоцитах, располагается в этих же клетках, а также в экстрацеллюларном матриксе. Остеокальцин низкомолекулярный (6,7- 6,5 кДа) кислый белок, состоящий из 49 аминокислотных остатков, три из которых представлены g-карбоксиглутаминовой кислотой. Приблизительно 90% вновь синтезируемого остеокальцина связывается в минерализованных тканях, а 10% попадает в кровь, поэтому этот белок является маркером костного метаболизма. Нормальный уровень остеокальцина в сыворотке у взрослых людей составляет 10 нг/мл. Увеличение его концентрации означает активизацию остеогенеза. При остеокластической резорбции (т.е. при разрушении костной ткани под действием остеокластов) в кровь, а затем в мочу попадают пептиды, образовавшиеся в результате протеолиза остеокальцина, содержащие аминокислотные остатки γ-карбокси-глутаминовой кислоты.

В литературе имеются данные о том, что остеокальцин предотвращает слишком быструю, а также избыточную минерализацию костной ткани, связывая ионы кальция. В результате связывания с ионами кальция остеокальцинприобретает способность взаимодействовать с фосфолипидами клеточных мембран и привлекать к себе остеокласты и их предшественников - моноциты, а также другие макрофаги. Выступая в роли фактора хемотаксиса, остеокальцинспособствует увеличению количества остеокластов и остеобластов, а также их активации и, таким образом, способствует ремоделированию кости. К gla-белкам относится также матриксный gla-белок, содержащий последовательность из пяти γ-карбокси-глу.

4.5. Остеопонтин является неколлагеновым белком, выделенным из кости, с чем связано и его название. Этот адгезивный белок не является строго специфичным для костной ткани, и был обнаружен независимыми исследователями в других тканях. В кости он синтезируется остеобластами, остеоцитами и остеокластами. Он содержит мотив RGD, обычный для многих белков внеклеточного матрикса, стимулирует адгезию клеток, хемотаксис остеокластов, клеток гладких мышц, моноцитов и B-лимфоцитов, является регулирующим фактором для макрофагов, T-клеток. Остеопонтин способен связывать клетки минерализованной ткани с гидроксиапатитом. Он участвует в процессах резорбции кости, малигнизации и кальцификации воспаленных и поврежденных тканей.

4.6. Костный сиалопротеин составляет приблизительно 5% всех неколлагеновых белков кости. Он синтезируется в остеобластах, остеоцитах и остеокластах и обнаружен в костях, дентине, цементе и некоторых гипертрофированных хрящевых клетках. В состав этого белка входят 320 аминокислот, много сиаловых кислот (до 20%) и RGD-последовательность, которая придает ему способность связываться с мембранными клеточными рецепторами. Костный сиалопротеин имеет некоторые сходные структурные признаки с остеопонтином, тем не менее, эти два белка не являются гомологичными. Костный сиалопротеин, подобно остеопонтину, продуцируется остеобластными клетками как сульфатированный и фосфорилированный протеин. В отличие от остеопонтина, который не определяется в костном матриксе до минерализации и присутствует во многих тканях, костный сиалопротеин появляется только в минерализованной соединительной ткани в начале костного формирования. Костный сиалопротеин выполняет функции связывания клеток с коллагеном I типа и фактором резорбции матрикса кости.

4.7. Фосфофорин – это белок, на долю которого приходится до 1% белков дентина. Из приблизительно 1000 аминокислотных остатков фосфофорина 426 приходится на серин, способный фосфоэфирной связью соединяться с остатками неорганического фосфата, а 447 – на отрицательно заряженную аспарагиновую кислоту, связывающую ионы кальция. Такой аминокислотный состав лежит в основе связывания фосфофорином гидроксиапатитов.

4.8. Белки эмали. Поскольку эмаль представляет минерализованную ткань эктодермального происхождения, ее органический матрикс сильно отличен от матрикса минерализованных тканей мезодермального происхождения. В частности, в эмали отсутствуют коллагены, но имеются кальций-связывающие белки эмали. Основными белками развивающейся эмали являются фосфопротеины семейства амелогенинов. В зрелой эмали содержание амелогенинов приблизительно равно содержанию белков другой группы фосфопротеинов – энамелинов.

Наряду с перечисленными выше белками, соединительные ткани содержат много ферментов и белковых факторов, регулирующих рост и дифференцировку клеток, о которых можно получить дополнительную информацию в учебнике: Вавилова Т.П. Биохимия тканей и жидкостей полости рта, М.: Издательский дом «ГЭОТАР-МЕДИА», 2008.

* * *

Последующие лекции курса «Биохимия полости рта» будут посвящены минеральной основе твердых тканей организма, процессам минерализации и ремоделирования костной ткани, регуляции метаболизма (обмена белков, кальция и фосфатов) в минерализованных тканях, а также жидкостям полости рта и надзубным образованиям. Хочется верить, что предлагаемое учебное пособие поможет студентам успешно освоить достаточно сложный курс биохимии полости рта.

С целью помочь студентам проверить свои знания и оттенить наиболее важные моменты изучаемой темы предлагаются вопросы, которые требуют однозначного ответа «да» или «нет».

Вопросы, требующие однозначного ответа, для текущего контроля знаний студентов

Тема: «Строение коллагена»

1. Наиболее часто в костях, дентине и цементе встречается I тип коллагена.

2. Коллаген I типа включает две α₁(I ) цепи α₂ цепь.

3. Наиболее часто в коллагеновых белках встречается аминокислота глицин.

4. Для коллагеновых белков характерно наличие ковалентных связей между цепями тропоколлагена.

5. Изгибы полипептидной цепи коллагена вызывает аминокислотный остаток пролина.

6. Дисульфидные связи между цепями в тримерной молекуле тропоколлагена возникают за счет реакции между аминокислотными остатками метионина.

7. Внутри тройной спирали закрученных вокруг себя полипетидных цепей коллагена находятся аминокислотные остатки глицина.

8. В фибриллах трехспиральные молекулы тропоколлагена сдвинуты относительно друг друга на ¼ своей длины.

9. Для коллагена характерно наличие большого количества аминокислотных остатков фенилаланина.

10. Коллаген отсутствует в эмали.

Тема: «Постсинтетическая модификация и распад коллагена»

1. В результате постсинтетической модификации в коллагеновых белках образуются гидроксилизин и гидроксипролин.

2. Синтез новых молекул коллагена индуцируют продукты расщепления коллагена коллагеназой.

3. Маркером усиленного распада коллагена является повышение в крови и моче содержания гидроксипролина.

4. При постсинтетической модификации коллагена недостаток витамина К приводит к нарушению гидроксилирования остатков пролина и лизина.

5. Щелочная фосфатаза гидролизует коллаген.

6. Коллагеназа, катепсин В, катепсин D являются металлопротеиназами.

7. N-гликозилирование коллагена происходит по аминокислотным остаткам аргинина.

8. О-гликозилирование коллагена происходит по аминокислотным остаткам серина и треонина.

9. Коллагеназа расщепляет тройные спирали коллагена на расстоянии 1/4 от С-конца.

10. Недостаток витамина С приводит к нарушению постсинтетической модификации коллагена.

Тема: «Неколлагеновые белки межклеточного матрикса соединительной ткани»

1. Резиноподобные свойства эластина связаны с наличием в его структуре поперечных сшивок.

2. Эластин синтезируется как растворимый мономер.

3. Нарушения постсинтетической модификации эластина приводят к вялости и истонченности эластических тканей.

4. В постсинтетической модификации эластина участвует лизилоксидаза.

5. Основной фермент катаболизма эластина – эластаза нейтрофилов.

6. Фибронектин - это гликопротеин, связывающий клетки соединительной ткани с коллагеном и протеогликанами.

7. Интегрины способны связывать белки, содержащие RGD-последовательности.

8. Интегрины участвуют в передаче информации в клетку.

9. Ламинины являются наиболее распространенными гликопротеинами базальных мембран.

10. В зрелой эмали количество вещества энамелинов приблизительно равно количеству вещества амелогенинов.

Тема: «Протеогликаны»

1. Для синтеза гликозаминогликанов используется энергия УТФ.

2. В протеогликанах количество гликозаминогликанов значительно превышает количество белка.

3. Источником азота для синтеза аминосахаров в гликозаминогликанах служит аспартат.

4. Глюкуронидаза, галактозидаза и идуронидаза разрушают гликозаминогликаны.

5. В протеогликанах полисахаридные цепи гликозаминогликанов крепятся к коровому белку.

6. Полисахаридные цепи гликозаминогликанов состоят из повторяющихся дисахаридных фрагментов.

7. Полисахаридные цепи гликозаминогликанов разветвленные.

8. Гиалуроновая кислота является полисахаридом.

9. Хондроитинсульфат заряжен отрицательно.

10. Гиалуроновая кислота является поликатионом.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Н. Биологическая химия. – М.: изд-во «Медицина», 2007.

2. Биохимия (учебник для вузов) (ред.чл.-корр.РАН, проф. Е.С.Северин), М.: издательский дом «ГЭОТАР-МЕД», 2003.

3. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии, Т.3, М.: изд-во «Мир», 1981.

4.Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека, Т.2, М.: изд-во «Мир», 1993.

5. Вавилова Т.П. Биохимия тканей и жидкостей полости рта, М.: Издательский дом «ГЭОТАР-МЕДИА», 2008.

6. Вавилова Т.П., Марокко И.Н., Петрович Ю.А., Сумароков Д.Д., Малышкина Л.Т., Зубцов В.К., Трусова Н.Ф. Основы стоматологической биохимии (учебное пособие для студентов медицинских ВУЗов) изд. 2, М.: типография ВИУ, 2001, 139 с.

7. Боровский Е.В., Леонтьев В.К. Биология полости рта, М.: Мед. книга, Н.Новгород: изд-во НГМА, 2001.

8. Кольман Я., Рем К.-Г. (пер.с нем.), Наглядная биохимия, М.: изд-во «Мир», 2000.

9. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки, Т.2, М.: Мир, 1994, С.473-529.

10. Быков В.Л. Гистология и эмбриология органов полости рта человека, С.-Пб.: Спец. Лит-ра, 1996. – 248 с.