Костная ткань как разновидность минерализованной соединительной ткани.

Костная ткань - это высокоспециализированный тип соединительной ткани, которая отличается большой твёрдостью, упругостью, механической прочностью. Костная ткань составляет основу кости как органа, который имеет более сложное строение: содержит надкостницу, костный мозг, сосуды, нервы и т.п. Костная ткань состоит из клеток, волокон, основного вещества и минеральных компонентов. Главными клетками костной ткани являются остеобласты, остеокласты, остеоциты. Остеобласты - богатые РНК клетки с высокой интенсивностью синтетических процессов. Они осуществляют синтез коллагена, неколлагеновых белков, протеогликанов, остеонектина и других структурных компонентов соединительной ткани. Остеоциты образуются из остеобластов и участвуют в постоянном обмене минеральных и органических веществ между костной тканью и кровью. Остеокласты - гигантские клетки, осуществляющие резорбцию кости: сначала происходит вымывание минерального компонента, а затем - ферментативное расщепление коллагеновых фибрилл.

Различают два вида костной ткани: губчатая и компактная. Компактная содержит (в весовых процентах) 25 % воды, 30 % органических веществ и 45% - минеральных. Губчатая кость содержит больше воды, но меньше органических веществ. ~ 90 % органических компонентов кости приходится на долю коллагена, ~1 % составляет цитрат и ~ 9% - другие органические вещества: нуклеиновые кислоты, триацилглицерины, фосфолипиды, холестерин, углеводы, протеогликаны, неколлагеновые белки. В состав костной ткани входит главным образом коллаген первого типа, образующий каркас костной ткани. Между фибриллами коллагена расположены неколлагеновые белки и кристаллы гидроксиапатитов. К неколлагеновым белкам костной ткани относятся различные ферменты: щелочная фосфатаза, карбангидраза, цитратсинтаза, гиалуронидаза, кислая фосфатаза, коллагеназа и другие. К неколлагеновым белкам, придающим костной ткани такие уникальные свойства, как упругость и твёрдость, относятся остеокальцин, костный сиалопротеин, остеонектин, остеопонтин, морфогенетический белок кости (МФБ), фактор роста скелета. Остеонектин - структурный гликопротеин, богатый цистеином, аргинином, аспарагиновой, глютаминовой аминокислотами. Он относится к антиадгезивным белкам, его содержание в межклеточном матриксе увеличивается при некоторых опухолевых заболеваниях, что может быть одной из причин, способствующих метастазированию. Остеонектин способен также присоединять кальций. Остеокальцин - низкомолекулярный белок (49 аминокислот), содержащий три остатка гамма-карбоксиглютаминовой кислоты. Он синтезируется в остеоцитах и остеобластах в виде проостеокальцина, содержащего в своём составе 3 молекулы глютаминовой кислоты. В процессе посттрансляционной модификации этого белка происходит превращение радикалов глютаминовой кислоты в радикалы гамма-карбоксиглютаминовой под действием фермента глютамилкарбоксилазы. Этот процесс происходит с участием витамина К в качестве кофактора глютамилкарбоксилазы, углекислого газа и молекулярного кислорода. (рис. 11) В результате образования дополнительной карбоксильной группы способность остеокальцина к связыванию кальция возрастает. Остеокальцин является наиболее специфическим маркером остеобластической активности.

Костный сиалопротеин - маркерный белок дифференцированных клеток костной ткани, отличающийся высоким содержанием сиаловых кислот. Он синтезируется в различных клетках костной ткани и участвует в связывании клеток с коллагеном первого типа.

 

- HN - CH - CO - +CO₂ + O₂ - HN - CH - CO -

CH₂ =======> CH₂

CH₂ - H₂O CH

COO^- вит. К ^-OOC COO^-

-глютамил- -g - кабоксиглютамил-

Рис.11. Реакция карбоксилирования радикала глютаминовой кислоты в составе белка проостеокальцина.

 

Остеопонтин - гликопротеин, также содержащий сиаловые кислоты в своей структуре. Он обеспечивает адгезию клеток костной ткани с гидроксиапатитами, вместе с костным сиалопротеином участвует в резорбции кости. Морфогенетический белок кости (МФБ) - олигомерный белок, состоящий из 4-5 протомеров. Один из протомеров, с Мr 17,5 кДа, как выяснилось, обладает способностью к остеоиндукции. В месте его введения возникает хрящ, который постепенно замещается костью. Фактор роста скелета - белок, стимулирующий деление скелетогенных клеток и вызывающий их дифференцировку в остеогенные.

Содержание РНК в костной ткани в 1,5 - 2 раза превышает содержание ДНК, что является отражением высокой интенсивности биосинтетических процессов. Глицерофосфолипиды участвуют в минерализации костной ткани, соединяясь с аминокислотами белковой матрицы гидрофобными и ионными связями. К внутриклеточным углеводам костной ткани относятся гликоген и глюкоза, выполняющие энергетическую функцию, а также гликозаминогликаны. Среди них преобладают хондроитинсульфаты, кератансульфаты и гиалуроновая кислота, принимающие, благодаря полианионным свойствам, активное участие в процессах минерализации кости. C возрастом содержание хондроитинсульфатов в костной ткани уменьшается, а кератансульфатов - увеличивается. Высокая активность цитратсинтазы в кости обеспечивает синтез значительного количества цитрата, общее содержание которого, как уже отмечалось, может достигать 1 % от общей массы органических веществ костной ткани. Цитрат образует легко растворимые соли кальция и выполняет функцию переносчика кальция в процессах минерализации. Процесс связывания катионов кальция цитратом обратим (рис. 12). В зависимости от условий среды (рН, концентрации ионов кальция в крови и др.), преобладает прямая или обратная реакция:

В раннем возрасте в составе костной ткани преобладает фосфат кальция Cа₃(РО₄)₂, а у взрослых - два вида апатитов: гидроксиапатиты Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ и карбонатные апатиты Са₁₀(РО₄)₆CО₃. Гидроксиапатиты кости имеют форму пластинок гексогональной формы длиной 20 нм, высотой - 3-7 нм. Активная поверхность 1г костной ткани составляет 130 - 260 кв. м. Она обеспечивает максимальный обмен между костной тканью и межклеточной жидкостью. По данным литературы, в составе костной ткани человека содержится до 11г магния и 25 % всего натрия организма. В меньшем количестве в составе кости встречаются другие элементы: стронций, медь, барий, алюминий, цинк, берилий, кремний, фтор, свинец, хлор и другие элементы. В кристаллической решётке гидроксиапатитов может происходить замена ионов кальция на ионы магния, алюминия, стронция, бария и другие. Кроме того, ионы кальция могут покидать кристаллическую решётку без замены на другие катионы. Анионы фосфата также могут замещаться другими анионами, например, анионом карбоната. Ионы гидроксила чаще всего замещаются галогенами, реже - ионами гидроксония и карбоната. Вокруг каждого кристалла апатита имеется водная оболочка. Чем она больше, тем интенсивнее обмен минерального компонента кости. С возрастом содержание минеральных веществ в кости возрастает, а органических - уменьшается. Количество воды в апатитах кости постепенно снижается, что служит одной из причин замедления обменных процессов в кости с возрастом.

 

СН₂ - СОО^- СН₂ - СОО^- Са^{2+ -}ООС - СН₂

НО - С - СОО^- +3Са²⁺ <==> НО - С - СОО^- Са^{2+ -}ООС - С - ОН

СН₂ - СОО^- СН₂ - СОО^- Са^{2+ -}ООС - СН₂

Рис. 12. Обратимая реакция образования цитрата кальция.

Обменные процессы в кости происходят более интенсивно, чем в твёрдых тканях зуба; в губчатой кости - интенсивнее, чем в компактной. Интенсивность обмена минеральных веществ в кости определяется степенью её минерализации - более интенсивно он протекает в организме с незавершённой минерализацией костной ткани. У взрослого человека за 1 год обновляется до 10 % атомарных структур скелета, т.е. каждые 10 лет костная ткань полностью обновляется. У детей и подростков образование новой костной ткани происходит быстрее, чем её резорбция, поэтому плотность костной ткани постепенно увеличивается, достигая максимума к 18 годам. Затем наступает равновесие - оба процесса идут с одинаковой скоростью. К 40 годам жизни у большинства людей начинается преобладание резорбции костной ткани над её образованием, появляются симптомы системного остеопороза, который характеризуется уменьшением массы костной ткани на единицу её объёма, увеличением пористости кости, повышением её хрупкости, уменьшением эластичности. Аналогичные изменения отмечаются в этот возрастной период и в тканях пародонта.

В обновлении костной ткани участвуют клетки, главным образом, двух типов: остеобласты, продуцирующие костное вещество, и крупные многоядерные остеокласты, ответственные за резорбцию кости. Клетки обоих типов концентрируются в многочисленных участках обновления костной ткани. На первом этапе происходит быстрая, длящаяся в течение 2-3 недель резорбция, а на втором - медленное, в течение 2-3 месяцев, образование костной ткани. Резорбция начинается с фиксации остеокластов к кости, высвобождения из них веществ, растворяющих минеральные компоненты и расщепляющих коллаген. После образования в костной ткани множества полостей резорбции остеокласты исчезают, и наступает фаза формирования новой ткани. К стенкам полости прикрепляются остеобласты, которые секретируют коллаген, эластин и другие белковые компоненты соединительной ткани, большинство из которых выполняют роль матриц минерализации. На следующей стадии происходит процесс минерализации вновь образованной соединительной ткани. Лекарственные препараты бисфосфонаты обладают способностью прочно связываться с минеральными компонентами кости, способствуя саморазрушению остеокластов в момент их наибольшей активности, останавливая резорбцию костной ткани. Остеокласты и остеобласты образуются в результате дифференцировки клеток - предшественников, находящихся в костном мозге. Предшественниками остеобластов являются стромальные клетки, а остеокластов - макрофаги. Они секретируют особые «сигнальные» вещества: 1-фактор, стимулирующий образование колоний макрофагов (источник остеокластов), 2 - сигнальное вещество RANKL, которое связывается со специфическими рецепторами на поверхности макрофагов и инициирует процесс их дифференцировки в остеокласты, 3 - остеопротегерин, блокирующий образование остеокластов посредством связывания RANKL.

Введение остеопротегерина при остеопорозе приводит к подавлению образования остеокластов и процесса резорбции. На координацию процесса образования костной ткани и ее резорбции влияют также эстрогены, паратгормон, инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР 1).

Необходимо подчеркнуть высокую метаболическую активность клеток костной ткани - остеобластов, осуществляющих синтез коллагена, эластина, ГАГ, протеогликанов, а также остеокластов, ответственных за резорбцию кости и остеоцитов, отвечающих за постоянный обмен компонентами с плазмой крови. Костная ткань потребляет столько же глюкозы, сколько её потребляет печень. Интенсивность потребления глюкозы в костной ткани также сравнима с таковой в миокарде. Но костная ткань потребляет меньше кислорода, чем вышеуказанные ткани. Поэтому в кости более выражены анаэробные процессы, в частности расщепление глюкозы до лактата, который выполняет транспортную функцию в отношении ионов кальция наряду с цитратом. Самой характерной особенностью костной ткани является её способность к минерализации, обусловливающая высокую твёрдость, прочность кости.

При резорбции кости происходит расщепление органических веществ и вымывание её минеральных компонентов. В расщеплении органического матрикса кости участвуют ферменты лизосом: гиалуронидаза, тканевая коллагеназа, другие протеазы, сульфатазы и т. п..

При переломе кости в месте перелома постепенно формируется костная мозоль. Костная мозоль - это частный случай пролиферативной реакции соединительной ткани на повреждение. Ткань костной мозоли является разновидностью фиброзно-грануляционной ткани, которая обладает способностью быстро минерализоваться. Содержание коллагена в области дефекта кости сначала увеличивается, а затем постепенно уменьшается, так как коллаген замещается минеральными компонентами кости, выполняя роль матрицы минерализации. В костной мозоли обнаруживаются также различные ГАГ, ДНК, липиды, в частности лецитин. Значительная часть этих веществ постепенно разрушается, вытесняясь минеральными компонентами. При нарушении образования костной мозоли, например, в старческом возрасте, содержание коллагена в ней своевременно не уменьшается, а продолжает нарастать, концентрация минеральных компонентов в области костного дефекта остаётся низкой. В результате костная мозоль приобретает характер фиброзной ткани.

К патологическим состояниям костной ткани относятся остеопороз и остеомаляция. Остеомаляция - это размягчение и деформация костей, связанные с уменьшением содержания в них кальция и фосфора. Остеомаляция является следствием деминерализации кости и сопровождается повышением активности щелочной фосфатазы. Она отмечается у детей и взрослых при недостаточности витамина D. Остеопороз - это системное поражение костной ткани, характеризующееся снижением массы кости в единице объёма, увеличением пористости кости, повышением её хрупкости, потерей эластичности, что приводит к высокому риску переломов костей. Остеопороз связан с недостаточностью матриц минерализации, с уменьшением содержания кальция и фосфора в кости. Наиболее частыми причинами возникновения остеопороза являются:

1. Повышенное образование паратгормона или глюкокортикоидов, которые активируют распад коллагена - главной матрицы минерализации кости.

2. Недостаточность эстрогенов, например, в климактерическом периоде у женщин, которая сопровождается преобладанием катаболических процессов в минерализованных тканях.

3. Пожилой и старческий возраст, при котором может развиться отрицательный баланс кальция в организме, как следствие недостаточного содержания кальция в пище, нарушения его всасывания в кишечнике, уменьшения нагрузки на скелет, снижения интенсивности анаболических процессов, а также недостаточного воздействия на организм ультрафиолетовых лучей.

4. Хронический алкоголизм, при котором в связи с постоянно повышенной концентрацией алкоголя в крови отмечается гиперкальциурия и активация функции коры надпочечников. Избыточная секреция глюкокортикоидов сопровождается снижением содержания коллагена в минерализованных тканях, что приводит к активации процесса их деминерализации.

5. Состояние невесомости, длительный постельный режим и другие причины ограничения нагрузки на скелет приводят к деминерализации костной ткани, потере костной массы.

Хрящевая ткань - это ткань с диффузионным типом питания и газообмена, так как в хряще отсутствует кровоснабжение. Хрящевая ткань содержит специфические для неё белки, гликопротеины и протеогликаны: фибромодулин, бигликан, хондрокальцин, тенасцин, фибронектин,выполняющие матричные и адгезивные функции. По сравнению с костной, хрящевая ткань содержит больше сульфатированных ГАГ, особенно хондроитинсульфатов, неколлагеновых белков, воды и относительно меньше минеральных веществ. В связи с этим хрящевая ткань характеризуется более выраженными амортизационными свойствами по сравнению с костной тканью. Хрящевая ткань отличается от костной также большей интенсивностью обменных процессов, в частности, в ней более интенсивно синтезируется коллаген и более активно обмениваются протеогликаны.