Биологическая химия - часть 167

менее интенсивно, так как у них слабо развит эндоплазматический ре-

тикулум и имеется небольшое число рибосом, но содержится много

лизосом и митохондрий.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОСТНОЙ ТКАНИ

Изучение химического состава костной ткани сопряжено со значительными

трудностями, поскольку для выделения органического матрикса требуется

провести деминерализацию кости. Кроме того, содержание и состав орга-

нического матрикса подвержены значительным изменениям в зависимости

от степени минерализации костной ткани.

Известно, что при продолжительной обработке кости в разведенных

растворах кислот ее минеральные компоненты растворяются и остается

гибкий мягкий органический остаток (органический матрикс), сохраняющий

форму интактной кости. Межклеточный органический матрикс компактной

кости составляет около 20%, неорганические вещества – 70% и вода – 10%.

В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые состав-

ляют более 50%, на долю неорганических соединений приходится 33–40%.

Количество воды сохраняется в тех же пределах, что и в компактной кости

(Ю.С. Касавина, В.П. Торбенко).

По данным А. Уайта и соавт., неорганические компоненты составляют

около

 1

/

4

 объема кости; остальную часть занимает органический матрикс.

Вследствие различий в относительной удельной массе органических и неор-

ганических компонентов на долю нерастворимых минералов приходится

половина массы кости.

Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было выска-

зано предположение, что кристаллы костной ткани имеют структуру

апатита. В дальнейшем это в значительной мере подтвердилось. Действи-

тельно, кристаллы кости относятся к гидроксилапатитам, имеют форму

пластин или палочек и следующий химический состав – Са

10

(РО

4

)

6

(ОН)

2

.

Кристаллы гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы

костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция

Са

3

(РО

4

)

2

. Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значи-

тельным колебаниям в зависимости от возраста. Аморфный фосфат каль-

ция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим

становится кристаллический гидроксилапатит. Обычно аморфный фосфат

кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са

2+

 и фосфата.

В организме взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который

почти целиком находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом

нерастворимый гидроксилапатит. Большая часть кальция в костях по-

стоянно обновляется. Ежедневно кости скелета теряют и вновь восста-

навливают примерно 700–800 мг кальция.

В состав минеральной фазы кости входит значительное количество

ионов, которые обычно не содержатся в чистом гидроксилапатите, напри-

мер ионы натрия, магния, калия, хлора и др. Высказано предположение, что

в кристаллической решетке гидроксилапатита ионы Са

2+

 могут замещаться

другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от

фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов,

либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.

Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органичес-

кого матрикса приходится на коллаген. Вместе с минеральными компо-

нентами коллаген является главным фактором, определяющим механи-

673

ческие свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса обра-

зованы коллагеном типа 1. Известно, что данный тип коллагена входит

также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает

некоторыми особенностями. Есть данные, что в коллагене костной ткани

несколько больше оксипролина, чем в коллагене сухожилий и кожи. Для

костного коллагена характерно большое содержание свободных ε-амино-

групп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна особенность кост-

ного коллагена – повышенное по сравнению с коллагеном других тканей

содержание фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками

серина.

В сухом деминерализованном костном матриксе содержится около 17%

неколлагеновых белков, среди которых находятся и белковые компоненты

протеогликанов. В целом количество протеогликанов в сформировавшейся

плотной кости невелико.

В состав органического матрикса костной ткани входят гликозамино-

гликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-суль-

фат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота

содержатся в небольших количествах.

Принято считать, что гликозаминогликаны имеют непосредственное

отношение к оссификации *. Показано, что окостенение сопровождается

изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают

место несульфатированным. Костный матрикс содержит липиды, которые

представляют собой непосредственный компонент костной ткани, а не

являются примесью в результате недостаточно полного удаления богато-

го липидами костного мозга. Липиды принимают участие в процессе

минерализации. Есть основания полагать, что липиды могут играть

существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерали-

зации кости.

Биохимические и цитохимические исследования показали, что остео-

бласты – основные клетки костной ткани – богаты РНК. Высокое содержа-

ние РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную био-

синтетическую функцию (табл. 22.1).

Т а б л и ц а 22.1. Химический состав большеберцовой кости человека (в граммах на

100 г сухой обезжиренной кости) (Л.И. Слуцкий)

Компоненты

Кальций

Общий белок

Оксипролин

Коллаген

Неколлагеновые белки

Гексозамины

Гексуроновая кислота

Рибонуклеиновая кислота

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Компактное вещество

26,4±0,4

5,3±0,4

2,77±0,15

15,2±0,2

5,8±1,1

0,11±0,03

0,09±0,03

0,14±0,04

0,21±0,05

Губчатое вещество

21,4±2,6

5,68 ± 0,54

–

19,6±4,6

6,5±1,6

0,18±0,01

0,13±0,03

0,18±0,07

0,24±0,15

* Оссификация (окостенение) - физиологический процесс импрегнации межклеточного

вещества хрящевой или соединительной ткани минеральными солями; протекает при обра-

зовании костной ткани.

674

Своеобразной особенностью костного матрикса является высокая кон-

центрация цитрата: около 90% его общего количества в организме прихо-

дится на долю костной ткани. Принято считать, что цитрат необходим для

минерализации костной ткани. Вероятно, цитрат образует комплексные

соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повы-

шения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут

начаться кристаллизация и минерализация.

Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат,

лактат и другие органические кислоты.

ФОРМИРОВАНИЕ КОСТИ

Образование межклеточного вещества и минерализация костной ткани

являются результатом деятельности костеобразующих клеток – остеоблас-

тов, которые по мере образования костной ткани замуровываются в меж-

клеточном веществе и становятся остеоцитами. Известно, что костная ткань

служит основным депо кальция в организме и активно участвует в кальцие-

вом обмене. Высвобождение кальция достигается путем разрушения (ре-

зорбция) костной ткани, а его связывание – путем образования костной

ткани. С этим связан процесс постоянной перестройки костной ткани,

продолжающийся в течение всей жизни организма. При этом происходят

изменения формы кости соответственно изменяющимся механическим на-

грузкам. Костная ткань скелета человека практически полностью пере-

страивается каждые 10 лет.

Актуальным является изучение механизма оссификации. Процесс ми-

нерализации возможен лишь при наличии строго ориентированных колла-

геновых волокон. Как было отмечено, непосредственное образование кол-

лагенового волокна происходит во внеклеточном пространстве в результате

специфического соединения между собой тропоколлагеновых молекул.

С помощью рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии

показано, что коллагеновое волокно имеет поперечную исчерченность

с интервалом 68 нм. Следовательно, период повторяемости структуры

(исчерченности) коллагенового волокна в несколько раз меньше, чем длина

составляющих волокно молекул тропоколлагена. Это доказывает, что ряды

молекул тропоколлагена располжены не точно друг над другом. Иными

словами, один ряд тропоколлагенов смещен по отношению к соседнему

ряду примерно на

 1

/

4

 длины молекулы. В результате основу структурной

организации коллагенового волокна составляют сдвинутые на четверть

ступенчато расположенные параллельные ряды тропоколлагеновых мо-

лекул. Структурная особенность коллагенового волокна состоит также

и в том, что расположенные в ряду молекулы тропоколлагена не связаны по

типу конец в конец. Между концом одной молекулы и началом следующей

имеется промежуток. Этот промежуток играет особую роль при фор-

мировании кости. Вполне вероятно, что промежутки вдоль ряда молекул

тропоколлагена являются первоначальными центрами отложения мине-

ральных составных частей костной ткани.

Образовавшиеся кристаллы в зоне коллагена затем в свою очередь

становятся ядрами минерализации, где в пространстве между коллаге-

новыми волокнами откладывается гидроксилапатит.

Показано, что при формировании кости в зоне кальцификации при

участии лизосомных протеиназ происходит деградация протеогликанов. По

мере минерализации костной ткани кристаллы гидроксилапатита как бы

вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью

675

минерализованная кость практически обезвожена. В этих условиях коллаген

составляет примерно 20% от массы и 40% от объема костной ткани,

остальное приходится на долю минеральных компонентов.

Следует отметить, что не все коллагенсодержащие ткани в организме

подвержены оссификации. По-видимому, существуют специфические ин-

гибиторы кальцификации. Ряд исследователей считают, что процессу ми-

нерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятст-

вует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов. Существует также

мнение, что ингибитором кальцификации может быть неорганический

пирофосфат. При минерализации тканей ингибирующее действие пиро-

фосфата снимается пирофосфатазой, которая, в частности, обнаружена

в костной ткани. В целом биохимические механизмы минерализации кост-

ной ткани требуют дальнейшего исследования.

Сложной является и проблема катаболизма матрикса костной ткани.

Как в физиологических, так и в патологических условиях происходит

резорбция костной ткани, при которой практически одновременно имеет

место «рассасывание» как минеральных, так и органических структур

костной ткани. В удалении минеральных солей определенная роль при-

надлежит усиливающейся при остеолизе * продукции органических кислот,

в том числе лактата. Известно, что сдвиг рН ткани в кислую сторону

способствует растворению минералов и тем самым их удалению.

Резорбция органического матрикса требует наличия и действия соответ-

ствующих ферментов. К их числу прежде всего относятся лизосомные

кислые гидролазы, спектр которых в костной ткани довольно широк. Роль

кислых гидролаз в процессах катаболизма органического матрикса заклю-

чается во внутриклеточном переваривании фрагментов резорбируемых

структур.

Следовательно, чтобы мог произойти внутриклеточный гидролиз, необ-

ходимо структуры органического матрикса предварительно подвергнуть

воздействию, в результате которого образовались бы фрагменты поли-

меров. Так, резорбция коллагеновых волокон требует предварительного

воздействия коллагенолитических ферментов. До недавнего времени счи-

тали, что коллагеназа отсутствует в животных тканях. Рядом исследо-

вателей доказано присутствие коллагенолитических ферментов в некоторых

тканях животных, в частности в костной ткани.

ФАКТОРЫ, ОКАЗЫВАЮЩИЕ ВЛИЯНИЕ

НА МЕТАБОЛИЗМ КОСТНОЙ ТКАНИ

К факторам, влияющим на метаболизм костной ткани, прежде всего

следует отнести гормоны, ферменты и витамины. Многие аспекты данной

проблемы уже рассматривались в предыдущих главах. В данном разделе

будут приведены лишь краткие сведения.

Известно, что минеральные компоненты костной ткани находятся прак-

тически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата

сыворотки крови. Поступление, депонирование и выделение кальция и фос-

фата регулируются весьма сложной системой, в которой среди других

факторов важная роль принадлежит  п а р а т г о р м о н у (гормон околощи-

* Остеолиз - рассасывание органического участка кости без последующего замещения

другой тканью.

676