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 типа участвует 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. Протеогликаны минерализованных 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. Остеонектин секретируетсязрелыми 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».