Этапы минерализации костной ткани

Й ЭТАП: остеобласты начинают синтезировать костный коллаген, который содержит фосфаты и формирует хондроитинсульфаты. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Особенностью процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора. На 1 этапе минерализации кальций и фосфор связываются с костным коллагеном. Обязательный участник процесса - сложные липиды.

2-й ЭТАП - в зоне минерализации усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция. Одновременно из лизосом остеобластов выделяются кислые гидролазы, которые взаимодействуют с белками органического компонента и приводят к образованию ионов аммония и гидроксид-ионов, которые соединены с фосфатом. Так формируются ядра кристаллизации. Ионы кальция и фосфора, которые были связаны с белково-углеводным комплексом, переходят в растворимое состояние и формируют кристаллы гидроксилапатита. По мере роста кристаллы гидроксилапатита вытесняют протеогликаны и даже воду до такой степени, что плотная ткань становится практически обезвоженной. Ингибитор процесса минерализации - неорганический пирофосфат. Его накопление в кости может препятствовать росту кристаллов. Чтобы этого не происходило, в остеобластах есть щелочная фосфатаза, которая расщепляет пирофосфат на два фосфатных остатка. При нарушении процессов минерализации - например, при заболевании оссифицирующим миозитом - кристаллы гидроксиапатита могут появлятся в сухожилиях, связках, стенках сосудов. Вместо кальция в костную ткань могут включаться другие элементы - стронций, магний, железо, уран и т.д. После формирования гидроксилапатита такое включение уже не происходит. На поверхности кристаллов может накапливаться много натрия в форме цитрата натрия. Кость выполняет функции лабильного (изменчивого) депо натрия, который выделяется из кости при ацидозе и, наоборот, при избытке поступления натрия с пищей, чтобы предотвратить алкалоз - натрий депонируется в кости. В ходе роста и развития организма количество аморфного фосфата кальция уменьшается, потому что кальций связывается с гидроксилапатитом.

 

 

25. Минеральные соединения межклеточного матрикса кости, тканей зуба, зубного налёта, ротовой жидкости. Участие мицелл ротовой жидкости в процессах мине­рализации и реминерализации зубной эмали. Механизмы минерализации в эмбриональной и зрелой эмали.

Минеральные соединения межклеточного матрикса кости, тканей зуба, зубного налёта, ротовой жидкости:

Отложения минеральных солей в костной ткани сосредоточены во внеклеточном матриксе и представлены в основном кристаллами гидроксиапатита(общ.фор.: Ca₁₀(PO₄)₆X_2, где если Х-гидроксильные ионы, то данный минерал – гидроксиапатит(ГАП), если F^- - то фторапатит (распротр-н в неживой природе)).Ионная решетка очень стабильна,что обусловлено плотностью упаковки ионов.Самы крупный ион-фосфатный, м. быть представлен в форме шара,равномерно окруженного Ca²⁺ и X^-.В целом в ГАП с каждым ионом фосфата соседствуют 12 Ca²⁺ и HO^-(из которых 6 лежат в одном слое с фосфатом,а по 3- в соседних слоях, расположенных выше и ниже).Идеальный кристалл имеет форму уплощенной гексагональной призмы(размеры которой могут существенно варьировать в разных твердых тканях).

Реакции изоморфного замещения- реакции ионного обмена, когда проходит замена отдельных ионов кристаллической решетки аналогами из жидкой фазы,сходных по размеру и физико-химическим св-м. Например:Возможно замещение Ca²⁺ на ионы Mg²⁺или Sr²⁺

(накопление стронциевых деформаций настолько повышает хрупкость мин.фазы, что м. привести к патологическим переломам костей).

Наиболее вероятны след-е р-и внутрикрист-о обмена ионов:1) PO^3-₄ замещается (HPO^2- ₄), карбонатом(CO^2- ₃), цитратом(C₆H₃O^3-₆ ); 2) Ca на Mg,Sr,Na, реже на Ba, Pb²⁺,Mo ²⁺ или ион гидроксония H₃O⁺ ,Cr,K,2H⁺; 3)гидроксильный ион на F^-,Cl,Br,I, А ИНОГДА на CO3 или H₂O.

Внутри крист-й р-и апатитов и на поверхности кристаллов встреч-я в очень малых кол-х разл-е микроэлменты(I,Zn,Si,Co,As,Cu,Mo,Mn) и ионы других веществ,загряз-х среду обитания человека(особенно Si,Ba,Pb,Ti,Al и др.)

Пирофосфаты(2 фосфорные кислоты вместе) ограничивают рост кристаллов(-P-P-).

Витлокит- безводный фосфат бетаCa3(PO4)2,он содержит еще и допол-но 2+ Mg,Mn или Fe.

10% в виде HPO^2- ₄.Обнар-я в зоне разрушения эмали…-зубные камни и кариес.

Монетит CaHPO₄(в сост-е з-х камней). Раствор-ть зав-т от pH(если меньше 6, то быстрее).

Брушит CaHPO₄*2H₂O(в сос-е дентина и зубных камней). При нагревании прев-я в монетит.

При долгом хранении монетит,брушит прев-я в Ca₁₀(PO₄)₆(OH)2.

Октокальцийфосфат Ca₈(HPO₄)₂(PO₄)₄*5H₂O = Ca₈H₂(PO4)₆*5H₂O Это последнее звено между монетитом и брушитом и гидроксиапатитом.

Ионы F сами вкл-я в с-в апатита: Ca₁₀(PO₄)₆OHF- гидроксифторапатит,Ca₁₀(PO₄)₆F2-фторапатит.

Размеры кристаллов:высота для эмали 160нм,для дентина60-70; грань в основании для эмали 20-40, дентина 15нм. В целом скорость и масштаб изоморфного замещения зависит не столько от заряда внедряющегося иона, сколько от его ионного радиуса.Очень большое значение- микроокружение.

Магниевый апатит Ca₉Mg(PO₄)₆(OH)2

MgHPO₄*3H₂O-невберит(в неб-м кол-е сод-я в слюне и зубном налете)

MgHPO₄*6H₂O-струвит (в неб-м кол-е сод-я в слюне и зубном налете).

Помимо кр-в ГАП и его аналогов,мин-я фаза содержит и аморфные соли.Они харак-я более низким отн-м Ca:P и обнар-я в неб-х кол-х, но постоянно, - в основном, на ранних стадиях процесса минерализации.Встречаются моно-,ди-, три- и тетракальцийфосфаты(обычно в гидратированной форме), дигидрат кальцийпирофосфата и кальций гидрокарбонат и магний карбонат.Преобладают кислые фосфаты(кальций гидрофосфат в гидратной форме CaHPO₄*2H₂O и октокальцийфосфат).Все эти начальные отложения в-т роль мобилизуемого резерва ионов Ca и P.

 

Эмаль яв-я самой твердой тканью чел-о орг-а,покрывающей коронку,благодаря содер-ю в ней 95-97% минер-х солей. 84%-ГАП; 8% углекислый кальций;4% фтористый кальций;

1,5-фосфорнокислый магний(+ 1,2-на органику и 3,8- на воду).Структ-й ф-й ед-й яв-я эм-я призма.

 

 

Дентин- слой внеклеточного матрикса, расп-й между пульпой зуба и эмалью(в коронке) или цементом(в корне).Зрелый дентин сод-т до 70-72% минеральных солей.Свыше60%- ГАП(фосфорнокислым кальцием и магнием с небольшим кол-м фтористого кальция,1%- углекислого кальция;1,4%- угл-о натрия.(+органика на 20-26% и 10% вода).Минерализуется он по тому же принципу, что и костная ткань.

Цемент имеет почти такую же плотность, что и дентин.Он сод-т примерно 68%неор-х(фосфаты и карбонаты кальция) веществ(+32%органики и воды).

РОТОВАЯ ЖИДКОСТЬ

Основные функции ротовой жидкости:

1) Защитная. Это защита от внешнего влияния и поддержка гомеостаза ротовой полости.

2) Минерализующая. Это минерализация эмали после прорезывания зубов, поддержка оптимального состава эмали и восстановление при повреждениях.

3) Очищающая. Это механическое и химическое очищение полости рта.

4) Пищеварительная. Это участие в переваривании пищи.

В ротовую жидкость входят:

• суммарный секрет всех слюнных желез

• десневая жидкость

• содержимое десневых карманов

• тканевая жидкость, диффундирующая через слизистую оболочку полости рта

• детрит полости рта

• микрофлора

• продукты жизнедеятельности микрофлоры мягкого зубного налета

• остатки пищевых продуктов и т.д.

 

Участие мицелл ротовой жидкости в процессах мине­рализации и реминерализации зубной эмали:

Минерализующая функция слюны

• 1). Для ее выполнения необходимо наличие одного очень важного свойства слюны. Дело в том, что слюна является структурированной коллоидной системой, т.к. в ее состав входят муцин и другие поверхностно-активные вещества. При кариесе зубов и после приема углеводов нарушается или исчезает структурированность ротовой жидкости, снижается минерализующий потенциал слюны. Следовательно, нарушение жидко кристаллического состояния слюны сопровождается снижением ее минерализующих свойств

• 2). Минерализующая функция ротовой жидкости осуществляется благодаря ее пересыщенности ионами кальция и гидрофосфата. Ионы, обусловливающие минерализующую функцию слюны, входят в состав коллоидных мицелл фосфата кальция, что обеспечивает их устойчивость в пересыщенном состоянии и создает благоприятные условия для проникновения реминерализующих компонентов в эмаль зубов. Поддержание пересыщенности ротовой жидкости ионами Са²⁺ и гидрофосфата осуществляется благодаря образованию связей Са²⁺ с белками - ингибиторами осаждения.

• 3). Поскольку рН слюны является главным естественным регулятором гомео­стаза в полости рта, то изменение рН должно оказывать непосредственное влияние на устойчивость коллоидных мицелл. Минерализующая функция слюны усиливается при подщелачивании и резко падает при снижении рН.

3. При подкислении слюны в ней снижается количество НРО₄²ˉ и повышается концентрация ионов Н₂РО₄ˉ (дигидрофосфаты). Эти ионы потенциал-определяющие в мицеллах. (Са₃(РО₄)₂, СаНРО₄, Са(Н₂РО₄)₂ перечислены в порядке увеличения растворимости).

4. Подщелачивание ротовой жидкости приводит к повышению содержания фосфат-ионов РО₄^3–, что оказывает влияние на состав мицелл, в которых образуется трудно растворимое соединение фосфат кальция - Са₃(РО₄)₂. Таким образом, подщелачивание ротовой жидкости способствует нарушению процесса мицеллообразования и может быть причиной отложения зубного камня. Имеются сведения, что у лиц с зубным камнем значение рН слюны повышено.

• 4). Минерализующая функция ротовой жидкости во многом зависит от устойчивости коллоидных мицелл. Уменьшение заряда гранул мицелл и толщины гидратной оболочки ведет к снижению устойчивости коллоидных частиц. Изменение состава мицелл, приводящее к снижению их устойчивости, может наблюдаться и при значительном повышении концентрации электролитных компонентов в слюне, в том числе доминирующих катионов - Na⁺ и K⁺. При этом возможен переход мицеллы в изоэлектрическое состояние.

• 5). Очаги деминерализации появляются на эмали зубов уже в течение 23 дней в процессе воздействия длительной местной углеводной нагрузки у лиц, не проводивших гигиенического ухода за полостью рта. Это объясняется нарушением структурных свойств слюны в связи с переходом мицелл в изоэлектрическое состояние и снижением их устойчивости.

Таким образом, колебания рН и концентрации электролитных компонентов слюны, выходящие за пределы физиологических норм, должны приводить либо к снижению устойчивости мицелл и их осаждению, либо к нарушению процесса мицеллообразования. При этом теряется способность ротовой жидкости поддерживать ионы Са²⁺ и гидрофосфата в пересыщенном состоянии, что и приводит к ее структурным изменениям и снижению минерализующего потенциала.

рН СЛЮНЫ

рН ротовой жидкости (смешанной слюны – секрета слюнных желез, десневой жидкости и тканевой жидкости, диффундирующей через слизистую оболочку полости рта) у здоровых людей в среднем 7,1 (6,8-7,5). Нейтральной реакцией считается рН=7, смешанная слюна является нейтральной или слабощелочной. Такая реакция слюны чрезвычайно важна для обеспечения оптимального состояния зубов и мягких тканей полости рта.

• рН слюны 7,25 + 0,02.

• При рН 6,0 и ниже наблюдается видимый деминерализующий эффект эмали. Общая кислая реакция слюны является очень редким исключением. Понижение рН обычно носит локальный характер: более низкие значения рН наблюдаются не в слюне, а в зубном налёте, осадке слюны, кариозных полостях и др.

Механизмы минерализации в эмбриональной и зрелой эмали:

 

Зрелая эмаль представляет собой только внеклеточный матрикс, к тому же бессосудистый и совсем не иннервируемый.

Формирование эмали амелобласты осущ-ют в 2 стадии: 1)Сначала интенсивный синтез эмалевых белков. Накопление белкового матрикса приводит к постепенному утолщению эмали. Амелобласт оставляет после себя шлейф в виде эмалевой призмы (3-5 мкм) 500-600 дней.

2)стадия созревания(секреции протеиназ через апикальную мембрану; транспорта минеральных ионов через клетку в эмалевый слой вдвое больше секреторной)(из матрикса почти полностью удаляются белки н в очень значительной степени – вода). Кристаллы гидроксиапатита несколько выросшие в длину на первой стадии, начинают утолщаться. Зарождение новых не происходит. При толщине 25-40 нм и ширине 40-90 нм их длина может достигать 1000 нм. Каждый покрыт гидратной оболочкой толщиной ≈1 нм, а межкристаллические пространство заполнены свободной водой, содержащей различные ионы и органические молекулы.

Наиболее плотно кристаллы упакованы внутри призмы (ориентированы вдоль ее оси). По периферии несколько меньше. В целом зрелая эмаль выглядит как конгломерат тесно спрессованных призм.

Минерализация эмали. (матриксные везикулы в эмали не появляются). Не работает механизм прямой кристаллизации на заранее подготовленных центрах.

Первичная минерализация происходит очень быстро. На границе с дентином возникают многочисленные тонкие (1,5 нм) кристаллы. Своими боковыми гранями образуют ионные связи с наносферами амелогенина. Фиксируясь на кристаллах, наносферы блокируют их боковой рост (утолщение). К концу стадии создается около 14% будущей минеральной фазы эмали.

С переходом в стадию созревания эмали кристаллы начинают утолщаться (удаление амелогеннновых наносфер под действием протеиназ). Рост кристаллов происходит теперь за счёт их экспансии в остаточные пространства. Оккупация кристаллами ведёт к формированию крупных кристаллов (обеспечивает исключительную твердость).

Отложение сопровождается подкислением среды. На ячейку кристаллической решётки ГАП освобождается обычно 8 протонов.

Половину каждого цикла клетки энергично транспортируют в матрикс не только протеиназы, но и ионы Ca²⁺ и фосфата. Активная карбоангидраза сильно ускоряет гидратацию метаболического CO_2/.

Вне клеток карбоангидраза отсутствует освобождаемые в матриксе протоны быстро нейтрализуются бикарбонатом.

 

 

Именно подкисление служит сигналом для перехода амелобластов в состояние второй фазы (снижается функциональная активность клеток). В эмаль поступают ионы Ca²⁺ и HCO₃^- . Избыток протонов покидает эмалевую жидкость.

В одном и том же состоянии пребывают одновременно не все амелобласты стадии созревания, а только полоса их, кольцеобразно охватывающая коронку.

Затем амелобласты подвергаются регрессии и отмирают путём апоптоза.

Зрелая эмаль не содержит клеток и неспособна к регенерации при повреждении. Однако процессы деминерализации и реминерализации протекают постоянно благодаря реакциям ионного обмена.