минерализ.тк.стомат

1.

БИОХИМИЯ
МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ
ТКАНЕЙ (КОСТИ И ЗУБА)

2.

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ
Особенности строения минерализованных тканей.
Апатиты, структура и свойства разных видов апатитов.
Особенности минерального состава разных частей зуба.
Органические вещества минерализованных тканей – коллаген,
гликопротеины, ферменты кости и зуба.

3.

БИОХИМИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
Минерализованные ткани – разновидность соединительной ткани, отличающаяся
большой твердостью, механической прочностью, наличием межклеточного
вещества, в котором преобладает минеральный компонент.
Минерализованный матрикс создается преимущественно остеобластами и
остеоцитами.
МИНЕРАЛИЗОВАННЫЕ ТКАНИ
СКЕЛЕТНЫЕ ТКАНИ
(кости)
ТВЕРДЫЕ ЧАСТИ ЗУБА (эмаль,
дентин, цемент)
Пульпа состоит из рыхлой волокнистой соединительной ткани.
Периодонт образован плотной волокнистой соединительной тканью,
которая входит в состав сухожилий и связок.

4.

ФУНКЦИИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
• Образование скелета организма
• Механическая защита для мозга и поддержание внутренних
органов
• Депонирование кальция и неорганического фосфата
• Кроветворная и защитная функция (костный мозг)
• Жевательный аппарат в составе пищеварительной системы (зубы)
• Часть ротового аппарата человека (зубы)

5.

БИОХИМИЯ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
Минерализованные ткани (кости и зубы)
содержат большое количество минералов
(остеотропных элементов):
Ca, P, Mg, K, F, Cu, Zn, Pb, Be, As, Cr, Si,
а также ряд радионуклидов
(Sr88, Sr90, Th90, Y91, Ra228, Pu239, Am241и др.)
В костях содержится:
-99% всего кальция,
-87% фосфора
-58% магния,
имеющихся в организме.

6.

Химический состав кости и зуба (весовые проценты)
1-4

7.

Главные минералы, цитрат и белок кости и зуба
Т
к
а
н
ь
Вещество
эмаль
дентин
кость
Ca2+
36
32
30
Pi
18
15
14
CO32-
3
4
4
F-
0.04
0.05
0.02
Вода
1-4
10
12
Белок
1
20
20
Цитрат
0.2
1
1

8.

АПАТИТЫ. СТРУКТУРА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.
Апатиты – упорядоченные
кристаллические гексагональнопризматические структуры.
• Апатиты образуют очень стабильную ионную
решётку, в которой ионы тесно контактируют
между собой и удерживаются за счет
электростатических сил.
• Каждый
катион
окружен
определенным
количеством анионов (в зависимости от их
размера), а анионы притягивают катионы.
• Формирование ионной решётки происходит в
соответствии с размерами и величинами зарядов
катионов и анионов.
• Прочность связи между ионами прямо
пропорциональна величине заряда и обратно
пропорциональна квадрату расстояния между
ними.
• Фосфат-ионы имеют наибольшие размеры и
занимают доминирующую долю в общей
структуре.

9.

АПАТИТЫ. СТРУКТУРА КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ.
Апатиты – упорядоченные
кристаллические
гексагональнопризматические
структуры.

10.

АПАТИТЫ. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.
Пьезоэлектрический
эффект
апатитов – способность кристаллов
генерировать электрический ток
при
приложении
к
ним
механической силы.
Этот
эффект
воспринимается
рецепторами нервных окончаний
зуба, что позволяет сформировать
ощущение и дать оценку твердости
пищи.

11.

ГИДРОКСИАПАТИТ
Гидроксиапатит - Ca10(PO4)6(OH)2
самый распространенный тип апатитов (отн.
содержание в эмали – до 75%),
• ориентация ГАП, как правило, параллельна волокнам
коллагена,
• устойчив при нейтральном значении рН,
• сдвиг рН от 6.0 до 5.0 увеличивает его
растворимость в десятки раз,
• уравнение сольватации (происходит выход иона
кальция из структуры ГАП, коллагена и замена
его на ион гидроксония Н3О+, в результате чего апатит
становится менее устойчивым):
Са10(РО4)6(ОН)2+Н++Н2О
Са9 Н3О+(РО4)6(ОН)2 +Са2+

12.

ФТОРАПАТИТ
Фторапатит - Ca10(PO4)6F2 :
-отн. сод. в эмали – 4,5%,
-самый прочный вид апатитов,
-в наибольшей степени представлен в эмали,
-может генерировать высокий пьезоэлектрический потенциал,
-слабо растворим в кислотах,
-количество его зависит от содержания F- в
питьевой воде (в норме 1.0-1.5 мг/л),
- ~250 млн человек на земном шаре испытывают дефицит
фтора,
-избыток фтора приводит к флуорозу,
-описаны биогеохимические провинции с аномально
высоким содержанием фтора в воде (до 42 мг/л),
- особенно опасен профессиональный флуороз,
ибо фтор весьма токсичен и способен ингибировать
многие ферменты (енолазу, аконитазу, пирофосфатазу).

13.

ХЛОРАПАТИТ
Хлорапатит - Ca10(PO4)6Cl2:
-относительное содержание в эмали - до 3,5%,
-хотя этот апатит является галоген-содержащим,
как и фторапатит, но в отличие от последнего,
гораздо менее прочен и менее устойчив.

14.

КАРБОНАТНЫЙ АПАТИТ
Карбонатный апатит - Ca10(PO4)6CO3 :
-отн. сод. в эмали – до 12,5%,
-лучше растворим в кислотах, менее стабилен,
чем гидроксиапатит,
-образуется при высокой концентрации
бикарбонат-аниона, выделяющегося при
сбраживании углеводов ферментами
бактерий полости рта.

15.

СТРОНЦИЙ-АПАТИТ и МАГНИЙ-АПАТИТ
Стронций-апатит - Ca9Sr(PO4)6(OH)2
-содержится в следовых количествах,
-может включать в себя как
нерадиоактивный Sr88,
так и радиоактивный Sr90,
-изотоп Sr90 имеет период полураспада 20 лет,
-количество Sr в кости и эмали зависит от
содержания обоих изотопов в воде и пище,
-существуют биогеохимические провинции с
аномально высоким уровнем Sr в почве и воде.
Магний-апатит Ca9Mg(PO4)6(OH)2:
-образуется в результате
замены Ca на Mg,
-менее устойчив, чем
гидроксиапатит,
-дефицит кальция
стимулирует его
образование.

16.

Минорные (неапатитные) минеральные вещества
костной ткани
• Ca CO3 – карбонат кальция
• Ca3(PO4)2 – ортофосфат кальция
• CaF2 – фторид кальция
• Ca8H2(PO4)6(H2O5) – октакальцийфосфат
• (CaMg)3(PO4)2 – витлокит
• CaHPO4 - монетит
• CaHPO4.2H2O - брушит
• Соли микроэлементов:
-Mg, Ba, Cd, Pd, Ra – катионы,
-As, Cr, Si - анионы

17.

Минеральный состав зуба
•41 элемент таблицы Менделеева обнаружен в
составе зубов.
•Главные минеральные элементы:
Ca, Mg, Sr, P, F, Cl.
•Отношение Ca/P - очень стабильная
величина, которая составляет:
- 2.07 (для взрослых),
-1.97 (для детей)
-снижается при кариесе

18.

Особенности минерального состава эмали
•Самая минерализованная ткань организма.
•Более высокое содержание фторапатитов и
хлорапатитов.
•Кристаллы гидроксиапатита крупнее, чем в других
минерализованных тканях.
•Эмалевые призмы образуются в результате агрегации
кристаллов гидроксиапатита.
•Твердость эмали сравнима с твердостью кварца (200300 ед Виккерса).
•Низкая скорость обновления Са и Р (в 15-20 раз
меньше, чем в кости и дентине). τ1/2 ~ 500 дней.
•Вода в эмали существует в двух состояниях:
-свободная, т.е. текучая (в составе эмалевой
жидкости) и
-связанная, иммобилизованная (гидратная вода,
окружающая кристаллы эмалевых призм)
• Не подвергается ремоделированию.

19.

Особенности минерального состава дентина
дентин
• Общее количество минералов меньше, чем в эмали
(~70%), но больше, чем в кости (55%), следовательно,
и по прочности дентин занимает промежуточное
положение между эмалью и костью.
• Кристаллы гидроксиапатита располагаются по ходу
коллагеновых волокон (радиально – в плащевом
дентине и тангенциально – в околопульпарном).
• Структура дентина не подвергается ремоделированию
(в отличие от кости).
• Помимо кристаллов гидроксиапатита в дентине
обнаружены неапатитные водонерастворимы соли
кальция:
-Сa3(PO4)2 – ортофосфат,
-СаF2 – фторид,
-СаСО3 – карбонат.

20.

Особенности химического состава цемента
• Различают клеточный и бесклеточный цемент.
• Клеточный цемент содержит специализированные
клетки – цементоциты, структурно сходные с
остеоцитами.
• Питание цемента осуществляется через периодонт.
• Не испытывает столь значительных механических
нагрузок , как эмаль, поэтому твердость цемента
значительно уступает твердости эмали.
• Общее содержание минеральных веществ в
цементе около 70%.
• Химический состав близок к таковому для костной
ткани.

21.

Особенности химического состава пульпы
• Морфологически и биохимически похожа на
костный мозг и рыхлую соединительную
ткань.
• Матрикс пульпы имеет кислотный характер и
содержит те же химические вещества, что и
рыхлая соединительная ткань (ГАГ, ГлП,
коллагеновые волокна).
• Клетки пульпы (одонтобласты, фибробласты,
макрофаги, тучные клетки, лимфоциты,
дендритные клетки) продуцируют те же
белки, что и в других видах соединительной
ткани.
• Метаболизм пульпы характеризуется теми же
особенностями, которые типичны для рыхлой
соединительной ткани.

22.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ТКАНЕЙ
Коллаген и неколлагеновые белки
(протеогликаны, гликопротеины, Gla-белки,
ферменты)
кости и зуба.

23.

КОЛЛАГЕН КОСТИ И ЗУБА
Особенности коллагена кости и зуба:
• состоит из коллагена I типа (2α1,α2) на 90— 95%,
• содержит больше лизина, гидроксилизина,
• содержит больше отрицательно заряженных аминокислот, что
важно для минерализации,
• имеет большее количество поперечных сшивок между
тропоколлагеновыми субъединицами,
• в целом, характеризуется большей упорядоченностью структуры,
• характеризуется более длительным периодом полураспада (τ1/2 ~
10 лет).

24.

Неколлагеновые белки кости и зуба: протеогликаны.
• Протеогликаны, несмотря на их невысокое содержание в кости и зубе, играют
роль пластификаторов для коллагеновой сети, повышая ее растяжимость и
увеличивая степень ее набухания.
• Больше всего в межклеточном матриксе костной ткани содержится
хондроитинсульфатов.
• Протеогликаны участвуют в минерализации кости.
• По мере роста кристаллы гидроксиапатита «вытесняют» не только
протеогликаны, но даже и воду.
• При ремоделировании кости в зоне кальцификации происходит деградация
комплексов «белок-полисахарид» в результате гидролиза белкового остова
лизосомальными протеиназами остеокластов.
Участие глюкозаминов в минерализации

25.

Неколлагеновые белки кости и зуба: гликопротеины.
Остеонектин, или SPARC (Secreted Protein Acidic and Rich in Cysteine)
-кислый секреторный гликопротеин, богатый цистеином, массой 32 кД,
-имеет кальций-связывающий домен,
-принимает участие в минерализации, соединяя коллаген с кристаллами
гидроксиапатита,
-локальная продукция остеонектина доказана при злокачественном опухолевом
росте.
Тромбоспондин – мультифункциональный гликопротеин внеклеточного
матрикса с RGD сайтом:
-крупный тример (450 кДа), состоящий из одинаковых субъединиц ,
-синтезируется и секретируется различными клетками (фибробласты,
гладкомышечные и эндотелиальные клетки),
-способствует адгезии остеобластов к поднадкостничному остеоиду кости
человека, усиливает адгезию и агрегацию тромбоцитов.

26.

Неколлагеновые белки: сиалопротеины.
Остеопонтин, или BSP I (bone sialoprotein I) - секреторный
сиалопротеин:
-содержит много остатков аспартата, глутамата и фосфата (ИЭТ
лежит в кислой среде),
-имеет RGD (арг-глу-асп) сайт для соединения с клетками (повидимому, через интегрин).
Костный сиалопротеин, или BSP II (bone sialoprotein II):
-маркерный кислый белок кости,
-содержит RGD сайт и участвует в адгезии клеток костной ткани,
-вместе с остеокальцином участвует в хемиаттракции
остеокластов.

27.

Неколлагеновые белки: Gla- белки.
Остеокальцин, или костный gla-белок:
-вырабатывается зрелыми остеоцитами,
-состоит из одной цепи 46-50 аминокислот, содержит три остатка
γ-карбоксиглутамата,
-является хемиаттрактантом для остеокластов,
-участвует вместе с коллагеном в минерализации костной ткани.
Матриксный gla-белок:
-содержит 5 остатков γ-карбоксиглутамата,
-синтезируется на начальных стадиях остеогенеза,
-участвует в образовании кристаллов гидроксиапатита.
Белок S:
-синтезируется не только в кости, но и в печени,
-участвует в метаболизме костной ткани,
-регулирует свертываемость крови за счет способности к связыванию кальция,
-недостаток белка S приводит к нарушениям структуры и функции скелета.

28.

Важнейшие функции гликопротеинов минерализованных
тканей
костный сиалопротеин
матриксный gla-белок
остеонектин
остеокальцин
остеонектин
За счет кислотных остатков
аминокислот способны
связывать ионы кальция и
участвовать в
минерализации тканей
кости и зуба.
остепонтин
За счет RGD-сайта способны
связываться с компонентами
межклеточного матрикса и
рецепторами мембран,
участвуют в адгезии клеток.
остепонтин
остекальцин
костный сиалопротеин
остепонтин
Являются
хемиаттрактантами.
тромбоспандин

29.

Ферменты кости и зуба
неспецифические
(универсальные):
ферменты гликолиза,
ЦТК, липолиза,
трансаминирования
и т. д.
лизосомальные
(кислые гидролазы остеокластов):
коллагеназа, катепсин К, тартратрезистентная кислая фосфатаза и др.
специфические (маркерные):
кислая и щелочная фосфатаза,
карбоангидраза и д.т.