Биохимические механизмы минерализации твёрдых тканей зуба и кости

Минерализация тканей зуба начинается с 28 недели эмбрионального развития организма. На начальных этапах эмбриогенеза зачаток зуба содержит 20% белка и 80% воды. Согласно приведенным выше данным, зрелая эмаль содержит ~ 1% белка, ~ 4% воды и ~ 95% минеральных веществ. В дентине зрелого зуба содержится ~ 10% воды, ~ 20%, ~ 70% минеральных веществ. В цементе и кости в процессе их минерализации также происходит уменьшение содержания воды и увеличение содержания минеральных веществ. Следовательно, в минерализующихся тканях происходит замещение воды, а в эмали и белка, минеральными компонентами. В процессе минерализации можно выделить следующие этапы:

1. Образование матриц минерализации.

2. Обогащение их кальцием и фосфором.

3. Формирование центров инициации минерализации - особых химических группировок матриц минерализации, которые могут связывать кальций или фосфат. Первично связанные с матрицами минерализации кальций или фосфат в свою очередь, становятся точками нуклеации в образовании кристаллов апатитов. Таким образом, первые кристаллы апатитов минерализующихся тканей образуются на основе матриц минерализации.

4. Дальнейший рост кристаллов происходит по типу эпитаксии. Эпитаксия - это ориентированный рост кристаллов апатитов на основе уже образовавшихся кристаллов без непосредственной связи с матрицей.

Начало минерализации совпадает с разрушением белков эмалевого матрикса. Одновременно происходят 2 процесса: деградация высокомолекулярных фракций амелогенинов и энамелинов до их низкомолекулярных форм под действием катепсинов, и обогащение матрикса кальцием, а также неорганическим фосфатом. Роль матриц минерализации в твёрдых тканях зуба, кости и пародонта выполняют различные белки: коллаген, кальцийсвязывающие белки, остеонектин, фосфофорин дентина, гликофосфопротеины эмали, а также протеогликаны, фосфолипиды и другие органические вещества, содержащие в своей структуре химические группировки, которые могут непосредственно присоединять кальций или фосфат. Эти группировки носят название точек нуклеации или центров инициации минерализации. Роль первичных акцепторов фосфата наиболее часто выполняют радикалы серина, треонина, лизина и аргинина, входящие в состав матричных белков (рис.15).

Рис.15. Точки инициации минерализации матричных белков.

Роль первичных акцепторов ионов кальция могут выполнять карбок-сильные группы аспарагиновой, глютаминовой, гамма-карбоксиглютаминовой кислот матричных белков, а также отрицательно заряженные группировки глицерофосфолипидов клеточных мембран. Гликозаминогликаны соединительной ткани являются полианионами и также могут первично связывать ионы кальция, которые присоединяют фосфат, создавая необходимые для минерализации резервы фосфорно-кальциевых солей. Превращение радикалов глютаминовой кислоты в радикалы гамма - карбоксиглютаминовой кислоты в составе кальцийсвязывающих белков происходит с участием углекислого газа, фермента глютамилкарбоксилазы и её кофактора витамина К. При этом кальцийсвязывающая способность белка значительно повышается.

В коллагеновых фибриллах имеются промежутки между молекулами тропоколлагена, которые могут служить местом преципитации фосфорно-кальциевых солей и создания их первично высоких концентраций, необходимых для процесса минерализации.

Источником энергии и фосфорной кислоты для осуществления процесса минерализации являются молекулы АТФ, которые образуются при расщеплении гликогена, глюкозы, триацилглицеринов. Интенсивно происходящая минерализация, как правило, сопровождается повышением поглощения кислорода тканями и активацией процесса окислительного фосфорилирования.

В процессе минерализации активно участвуют ферменты протеинкиназы, пирофосфорилаза, щелочная фосфатаза, различные протеиназы. Протеинкиназы осуществляют перенос фосфата от АТФ на минерализующуюся ткань, что сопровождается гидролизом макроэргической связи. Щелочная фосфатаза расщепляет фосфорнокислые эфиры различных органических веществ, способствуя накоплению фосфорной кислоты в зонах минерализации твёрдых тканей.

Неспецифическая щелочная фосфатаза развивающихся зубных тканей обладает пирофосфорилазной активностью, т.е. может расщеплять пирофосфат (Н₄Р₂О₇) с образованием необходимой для процессов минерализации фосфорной кислоты. Её кофактором являются ионы цинка. Недостаточность ионов цинка в период интенсивного роста может отрицательно сказаться на ходе процесса минерализации. Ионы кадмия ингибируют активность пирофосфорилазы. Имеются также данные о том, что процесс минерализации ингибируется пирофосфатом, а пироффосфорилаза минерализующихся тканей, расщепляя пирофосфат, снимает это ингибирование. Протеиназы вызывают частичный протеолиз матричных белков, в частности фосфопротеинов эмали, превращая их высокомолекулярные формы в низкомолекулярные. При этом деэкранируются инициаторные точки: радикалы серина, лизина, аспарагиновой и глютаминовой кислот и другие, что способствует образованию точек нуклеации минерализации твёрдых тканей.

Особую роль в процессах минерализации выполняет цитрат, образующий хелатные связи с ионами кальция. При этом 2 молекулы лимонной кислоты могут связать 3 иона кальция с образованием растворимой соли, осуществляющей транспорт кальция в минерализующиеся ткани и обратно (рис.10). Направленность указанного процесса зависит от концентрации кальция в жидких средах, от рН среды, от состояния регуляторных механизмов и других факторов. Способствуют нормальному протеканию процессов минерализации такие гормоны как соматотропин, андрогены и эстрогены, инсулин, кальцитонин, саливапаротин, а также витамины А, С, К, D. Противоположное действие оказывают глюкокортикоиды, паратгормон. Соматотропин, инсулин, половые гормоны, а также витамин D в физиологических дозировках активируют синтез белков - матриц минерализации. Витамин D, кроме того, выполняет кальций-фосфор сберегающую функцию, поддерживая их достаточно высокие концентрации в крови для нормального протекания процессов минерализации. Кальцитонин способствует переходу кальция и фосфора из крови в минерализованные ткани. Саливапаротин вырабатывается околоушными слюнными железами, вызывая локальную минерализацию тканей зуба и действуя в течение всей жизни человека. Витамин С необходим для синтеза коллагена, так как он является кофактором монооксигеназных систем, участвующих в реакциях гидроксилирования пролина и лизина в составе полипептидных цепей проколлагена и образовании «зрелого» коллагена. Витамин А участвует в дифференцировке эпителиальных тканей, в том числе слизистой оболочки полости рта, а также в реакциях сульфатирования гликозаминогликанов, выполняющих роль матриц минерализации в тканях зуба и кости. Витамин К участвует в реакциях превращения глютамильных остатков в составе кальций связывающих белков в гамма- карбоксиглютамильные, что приводит к возрастанию их кальцийсвязывающей способности и, следовательно, к активации процессов минерализации. В отличие от перечисленных выше биологически активных веществ, паратгормон, а также глюкокортикоиды, напротив, оказывают прямое или косвенное деминерализующее влияние на твёрдые ткани. Паратгормон активирует распад коллагена в минерализованных тканях и связанный с этим выход кальция и фосфора в кровь. Глюкокортикоиды также способствуют расщеплениюoколлагена.

Вопросы для проверки степени усвоения материалов темы