Принципы минерализации костной ткани

Рис. 20.18. Распределение ионов кальция в крови

Около 6% всего кальция входит в состав комплексов с цитратом, фосфатом и другими анионами, а оставшийся примерно поровну делится между кальцием, связанным с белками, и свободным кальцием (ионизированный кальций). Концентрация ионизированного кальция в плазме крови составляет 1,1-1,3 ммоль/л. Именно он у животных, птиц и пресноводных рыб является биологически активной формой кальция. В организме нет защиты от резких колебаний уровня кальция. Если он падает, нарастает возбуждение ЦНС, и могут развиться судороги. Наоборот, значительное увеличение концентрации кальция может приводить к смерти от мышечного паралича и комы.

Плазма крови пересыщена ионами кальция и фосфора. При этом белки плазмы выполняют защитную роль, предупреждая эктопическую кальцификацию. Колебания уровня белков сопровождаются и колебаниями уровня кальция. Например, при уменьшении альбуминов на 1 г/дл уровень кальция снижается на 0,8 мг/дл, и наоборот, при повышении уровня альбуминов увеличивается концентрация кальция. Такая связь с белками зависит от рН. Ацидоз способствует образованию ионизированных форм кальция, а алкалоз благоприятствует связыванию кальция белками. Последнее обстоятельство объясняет развитие судорог при гипервентиляционном синдроме (алкалоз).

В кальциевый гомеостаз включаются 3 гормона

Паратиреоидный гормон (ПТГ) – молекула его представляет собой пептид (ММ 9500), состоящий из 84 аминокислотных остатков. Вся биологическая активность этого гормона принадлежит N-концевому отделу (1-34 аминокислоты). 25-34 аминокислотные остатки отвечают за связывание с рецептором. ПТГ синтезируется в форме предшественника, в состав молекулы которого входит 115 аминокислотных остатков. Это, так называемый, пре-про-ПТГ. Про-ПТГ имеет 6 дополнительных основных аминокислот, функция которых неизвестна. В аппарате Гольджи происходит удаление сигнального пептида. Оттуда новообразованный ПТГ может переноситься для хранения, разрушения, или секретироваться в кровь.

Ведущая роль в расщеплении ПТГ принадлежит печени. Почки участвуют в выделении продуктов его распада. Секреция гормона в кровь зависит от уровня ионов кальция. При увеличении его от 4 мг/дл до 10,5 мг/дл в крови пропорционально снижается количество ПТГ. Присутствие биологически активного гормона в плазме при концентрации кальция выше 10,5 мг/дл характерно для гиперпаратиреоидизма.

Количество секреторных гранул в паращитовидных железах обычно мало и для поддержания максимальной секреции их хватает только на 1,5 часа. Для сравнения, запаса гормонов в островковом аппарате поджелудочной железы хватает на несколько дней, а в щитовидной железе - на несколько недель.

Органами мишенями для ПТГ являются почки и костная ткань. Здесь клетки снабжены специальными рецепторами, с которыми связывается этот гормон.

Участие ПТГ в поддержании баланса кальция обусловлено его прямым действием на костную ткань. Усиливается растворение костной ткани, включая органическую и неорганическую фазы. В результате оттуда кальций устремляется в кровоток. Кроме того, ПТГ стимулирует образование активной формы витамина Д (кальцитриол). Кальцитриол индуцирует образование в клетках кальций связывающих белков, которые увеличивают всасывание кальция из кишечника, снижают выведение его с мочой. Конечный эффект заключается в нарастании уровня кальция в крови.

Влияя на выход кальция из костей, паратирин одновременно увеличивает и выход фосфатов, при этом происходит усиление выведения фосфатов почками. То есть, ПТГ, увеличивая уровень кальция, снижает концентрацию фосфатов. Тем самым предотвращается пересыщение ими крови.

Кальцитриол [1,25(OH)₂-D₃]. Подробную информацию о структуре, свойствах и обмене кальцитриола можно найти в соответствующих разделах учебника. Здесь мы лишь напомним, что кальцитриол - гормон, который ускоряет перенос кальция против градиента концентрации в эпителии кишечника. Продукция кальцитриола зависит от концентрации кальция в сыворотке крови, соотношения кальция и фосфора, необходимых для образования костной ткани.

Связывают кальцитриол многие клетки, но наиболее хорошо изучено влияние его на клетки кишечника, почек и остеобласты. Там локализованы рецепторы для кальцитриола. Они относятся к семейству стероидных рецепторов и имеют в своем составе домен, связывающийся с ДНК. Образование гормон-рецепторного комплекса приводит к усилению синтеза РНК и кальций связывающего белка.

Кальцитонин. Представляет собой пептид, включающий 32 аминокислотных остатка, секретируемый парафоликулярными клетками щитовидной железы. Для проявления действия его необходима вся молекула. Секреция гормона пропорционально увеличивается при нарастании концентрации кальция от 9,5 до 15 мг/дл. Глюкагон и пентагастрин усиливают секрецию. Органом-мишенью гормона является кость. Под влиянием кальцитонина уменьшается резорбция кости, при этом снижается высвобождение кальция и фосфора. Гормон повышает поступление фосфора в кость, а кальций поступает туда уже вторично. Биохимический механизм такого явления до настоящего времени неясен.

Фосфаты кальция – природные минералы и основа минерального компонента межклеточного матрикса

Ортофосфаты кальция - соли трехосновной фосфорной кислоты. Поэтому они могут быть в форме однозамещенных (H₂ PO₄^-), двузамещенных (HPO₄ ^2-) или фосфат ионов (PO₄^3- ). В состав тканей зубов, костей и дентина входят соли HPO₄^2-, или PO₄^3-.Пирофосфаты встречаются в зубных камнях.В растворах ион пирофосфата оказывает существенный эффект на кристаллизацию некоторых ортофосфатов кальция. Предполагается, что этот эффект важен для контроля величины кристаллов в костях, содержащих небольшие количества пирофосфатов.

Все фосфорнокислые соли кальция представляют собой белые порошки, которые слабо- или нерастворимы в воде, но растворяются в разбавленных кислотах.

Известно множество природных форм фосфатов кальция

Витлокит – одна из форм безводного фосфата трикальций фосфата - bCa₃(PO₄)₂, содержит дивалентные ионы (Mg²⁺, Mn²⁺ или Fe²⁺) которые входят в состав кристаллической решетки. Образует ромбические кристаллы. Около 10% фосфата в нем находится в форме HPO₄^2-. В организме встречается редко. Обнаружен 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 кристалов монетита зависит от рН. Она 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 хранении оба минерала гидролизуются в гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂.

Октокальций фосфат. Ca₈₍HPO₄)₂(PO₄)₄.5H₂O представляет промежуточное связующее звено между кислыми фосфатами - монетитом и брушитом, и основной солью - гидроксиапатитом. Подобно брушиту и апатиту он входит в состав зубных камней. Как видно из формулы, октокальций фосфат содержит кислый фосфатный ион, но не имеет гидроксильных. Содержание воды также колеблется в широких пределах. По своей структуре он напоминает кристаллы апатита, имеет слоистую структуру с чередованием слоев соли толщиной 1,1 нм и слоев 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 октокальций фосфат нестабилен в воде и легко гидролизуется в апатит, особенно в теплом щелочном растворе. Низкие концентрации фтора (20-100 мкг/л) резко ускоряет скорость гидролиза. Это привело к предположению о том, что ионы фтора необходимы для отложения апатитов в плотных тканях.

Апатиты. Апатиты имеют общую формулу Ca₁₀(PO₄)₆ X₂ - где X фтор или OH. Фторапатиты широко распространены в природе, прежде всего, как почвенные минералы. Их даже используют для получения фосфора в промышленности. Гидроксиапатиты преобладают в животном мире. В частности, Они являются основной формой фосфата кальция костей и зубов.

Наряду с тем, что апатиты являются довольно устойчивыми соединениями, они легко обмениваются с окружающей средой. В результате в их составе могут появляться другие ионы (см. табл.19.8):

Таблица 20.8. Замещаемые ионы и заместители в составе апатитов

Замещаемые ионы	Заместители
PO43-	AsO33-, HPO42-, CO2
Ca2+	Sr, Ba,Pb,Na,H2O,K, Mg
OH-	F, Cl, Br, J, H2O
2ОН	CO32-, O2-

Преимущественным фактором, определяющим возможность замены, является размер атома. Схожесть в зарядах имеет второстепенное значение. Такой принцип замены носит название изоморфного замещения. Тем не менее, в ходе такого замещения поддерживается общее распределение зарядов по принципу: Сa_10-х(HPO₄)_х(PO₄)_6-х(OH)_2-х, где 0<х<1. Потеря в Ca²⁺ частично компенсируется потерей OH^- ионов и, частично - H+, присоединенных к фосфату.

Карбонатный апатит. Если основная соль кальция фосфата осаждается при комнатной температуре или температуре тела в присутствии карбонат иона или гидрокарбонат иона, то образующийся апатит будет содержать в своем составе несколько процентов карбоната или гидрокарбоната. Карбонат уменьшает кристалличность апатита и делает его более аморфным. Такая структура напоминает структуру апатитов костей или эмали.

Фторапатит (Ca₁₀(PO₄)₆F₂).Это наиболее стабильный из всех апатитов (температура плавления - 1680^оС). Кристаллы фторапатита имеют гексагональную форму: ось a=0,937нм, c=0,688 нм. Плотность кристаллов составляет 3,2 г/см³.

В водной среде реакция взаимодействия фтора с фосфатами кальция зависит от концентрации фтора. Если она сравнительно невысока (до 500 мг/л), то образуются кристаллы фтораппатита:

Ca₁₀(PO₄)₆OH₂ + 2F ® Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 2OH^-

При высоких концентрациях фтора (>2 г/л) кристаллы не образуются:

Ca₁₀(PO₄)₆OH₂ + 20F ® 10 CaF₂ + 6PO₄^3- + 2OH^-

Фтор резко уменьшает растворимость гидроксиапатитов в кислой среде. Таким же, но значительно меньшим эффектом обладают ионы цинка, олова. Наоборот, повышение растворимости наблюдается в присутствии ионов цитрата, карбоната, магния.

Стронциевый апатит. Учитывая вышеуказанные замены в кристаллической решетке апатитов, стронций может вытеснять или заменять вакантные места для кальция. Это приводит к нарушению структуры кристаллов. В Забайкалье, вдоль берегов небольшой реки Уров, описано заболевание, получившее название уровская болезнь. Оно сопровождается короткопалостью у людей и поражением костного скелета у животных. В местности, загрязненной радионуклидами, неблагоприятное значение стронциевого апатита для организма человека связано с возможностью депонирования радиоактивного стронция.

Элементы кристаллической решетки апатитов могут обмениваться с ионами раствора, окружающего кристалл

Кристаллы апатитов, образуясь в растворах, могут изменяться за счет обмена с ионами, находящимися в этом растворе. В живых системах это свойство апатитов делает их высокочувствительными к ионному составу крови и межклеточной жидкости, который, в свою очередь, зависит от характера пищи и состава потребляемой воды. Сам процесс обмена элементов кристаллической решетки протекает в несколько этапов, каждый из которых имеет свою скорость.

Первый этап протекает довольно быстро, в течение нескольких минут. Это обмен между гидратной оболочкой кристалла и подвижной жидкостью, в которую погружен кристалл. Он ведет к повышению концентрации отдельных ионов в непосредственной близости кристалла. В этом этапе участвуют многие ионы, разные по размерам и свойствам. На втором этапе идет обмен между ионами гидратной оболочки и поверхностью кристаллов. Здесь происходит отрыв элементов с поверхности кристалла и замена их на ионы гидратной оболочки. В этот процесс включаются ионы фосфорной кислоты, кальция, фтора, стронция, натрия и другие равные им по размерам ионы. Продолжительность этапа составляет несколько часов. Наконец, на третьем этапе происходит проникновение ионов вглубь кристаллов. Это медленный процесс. Он может проходить в форме изоморфного замещения или заполнения вакантных мест. Он длится месяцами и годами.

Образование кристаллов начинается с нуклеации

Минерализация широко распространена в животном мире. У позвоночных в основе минерализации костного скелета лежит образование кристаллов с участием фосфата кальция. В патологических условиях свыше 20 других солей могут подвергаться кристаллизации (мочевые, желчные, зубные камни).

Внеклеточная жидкость, из которой происходит осаждение соли, представляет пересыщенный раствор фосфата кальция. Процесс осаждения можно разделить на 2 стадии: вначале идет нуклеация, т.е. образование плотного остатка, а затем - рост кристаллов из ядра.

Различают 2 типа нуклеации. Если нуклеация идет в пересыщенном растворе без участия другой фазы, то ее называют гомогенной нуклеацией. Если нуклеацию инициирует другая фаза (часто, твердая фаза), то процесс называют гетерогенной нуклеацией. Второй механизм встречается чаще, поскольку трудно создать чисто однофазный раствор. В обоих типах нуклеации ядра кристаллов небольшие, от 0.5 до 2 нм в диаметре.

Процесс гомогенной нуклеации может быть представлен следующим образом. Вначале некоторое число ионов образует пары или триплеты. Такие же кластеры образуют соседние ионы. Они могут объединяться между собой. Такие кластеры неустойчивы, они быстро распадаются и вновь образуются. Если имеется пересыщенный раствор, могут возникнуть кластеры с размером радиусов выше R крит^[5], которые могут стать источниками дальнейшего роста кристаллов.

В ходе гетерогенной нуклеации рост кристаллов АХ может иметь место, если в супернасыщенный раствор добавить какой-то другой кристалл S. Образование кластера определенный величины (ядра) на поверхности S включает поверхностную адсорбцию, диффузию на поверхности и последующее включение в кластер. Матрица S при этом может играть роль направляющей в образовании кристаллов АХ. Такой феномен называют эпитаксисом, а процесс образования критических кластеров называют эпитаксичекой нуклеацией.

Рост ионных кристаллов

Механические свойства таких сложных структур как кость и эмаль, состоящих из органических и неорганических компонентов, зависят от величины кристаллов. В отличие от нуклеации, для которой требуется значительное пересыщение ионов в растворе, рост кристаллов требует значительно более низких концентраций участников. При этом используются другие механизмы, которые включают так называемый спиралевидный рост. На образовавшемся ядре возникают спиралевидые структуры, рост которых идет по обычному принципу добавления новых ионов. Шаг такой спирали равен высоте одной структурной единицы кристалла.

Рост кристалла очень чувствителен к присутствию других ионов и молекул, которые выполняют роль ингибиторов кристаллизации. Причем, их концентрация может быть небольшой. Эти молекулы оказывают влияние не только на скорость, но на форму и направление роста кристаллов. С другой стороны, если эти молекулы добавить к другой системе, в которой кристалл растворяется, степень растворения обычно не изменяется. Некоторые комплексные неорганические ионы, ингибирующие рост кристаллов, способны уменьшать и скорость их растворения. Предполагают, что такие соединения адсорбируются на поверхности кристалла и тормозят адсорбцию других ионов. Такими веществами являются, например, гексаметафосфат натрия, который тормозит преципитацию карбоната кальция. Пирофосфаты и полифосфаты, полифосфонаты и некоторые белки слюны тормозят рост кристаллов и нуклеацию гидроксиапатитов.

Расположение атомов и молекул в кристалле можно исследовать при помощи рентгеноструктурного анализа кристаллических решеток. Как правило, частички располагаются в кристалле симметрично. Частички, из которых построен кристалл, называются элементарными ячейками кристалла. Сеточка, образуемая ячейками, называется матрицей кристалла. Имеется семь разных категорий ячеек кристаллов и значит семь типов кристаллов: триклинные, моноклинные, орторомбические, тригональные, тетрагональные, гексагональные и кубические.

Минерализация в тканях - сложный, постоянно протекающий процесс

Наиболее ранняя теория минерализации тканей была предложена в 1923 году. В соответствии с ней для образования кристаллов в тканях важным является локальное высвобождение фосфата при участии активной щелочной фосфатазы из органических молекул. Однако эта теория не могла объяснить высокую активность фермента во многих неминерализующихся тканях.

Когда к 1958 году было показано, что внеклеточная жидкость пересыщена солями фосфата кальция, стало ясно, что кальцификации должна предшествовать нуклеация. После выяснения важности гетерогенного типа нуклеации (см.выше) первым предполагаемым кандидатом на роль неподвижной фазы стал коллаген, а рост кристаллов гидроксиапатита стали представлять по механизму эпитаксиса.

Считается, что не сам коллаген, а молекулы, которые могут связываться с ним, служат инициаторами минерализации. На роль таких молекул претендуют протеогликаны, гликозаминогликаны, белки, содержащие g-карбоксиглутаминовую кислоту, или фосфопротеины. Например, хондрокальцин является кальций связывающим белком, который локализован в минерализирующемся фронте хряща. Остеонектин - фосфогликопротеин из костной ткани, связывая гидроксиапатит и коллаген одновременно, может обеспечивать нуклеацию апатита из раствора фосфата кальция. Другие белки, найденные в кальцифицирующихся тканях и связывающие кальций, также могут иметь отношение к минерализации тканей.

В соответствии с данными электронной микроскопии в зонах минерализации выявляются внеклеточные мембраносвязанные тельца, содержащие кристаллы апатита. Предполагается, что именно эти пузырьки являются зонами нуклеации, а коллагеновые волокна лишь пространственно ориентируют рост кристаллов. Установлено, что пузырьки содержат липиды и активную фосфатазу. Считают, что фосфатаза увеличивает локальную концентрацию фосфора, катализируя расщепление органических фосфоросодержащих соединений. Однако такие пузырьки не были обнаружены при минерализации эмали, дентина или цемента.