Минерализация костной ткани
Скорость процесса минерализации зависит от содержания кальция, фосфора и ряда микроэлементов. Процесс минерализации управляется остеобластами и тормозится пирофосфатом.
Образование кристаллов минерального остова кости индуцирует коллаген. Центрами для отложения кристаллов становятся зоны между коллагеновыми волокнами, находящимися в протеогликановом матриксе. Протеогликаны повышают растяжимость коллагеновой сети. При кальцификации протеогликаны разрушаются лизосомальными гидролазами остеобластов. По мере роста кристаллы вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена и состоит из коллагена (20%) и минеральных веществ.
Начало минерализации характеризуется усиленным поглощением остеобластами кислорода, активацией окислительно-восстановительных процессов и окислительного фосфорилирования. В митохондриях накапливаются Са2+ и РО43-. Начинается синтез коллагеновых и неколлагеновых белков, которые после посттрансляционной модификации упаковываются в везикулы. От остеобластов отпочковываются матриксные пузырьки или мембранные везикулы. Они содержат в большой концентрации ионы Са2+, глицерофосфолипиды, ферменты – щелочную фосфатазу, пирофосфатазу, АТФ-азу, аденозинмонофосфатазу. Ионы кальция в мембранных везикулах связаны преимущественно с отрицательно заряженным фосфатидилсерином. В межклеточном матриксе мембранные везикулы разрушаются с освобождением ионов кальция, пирофосфатов, органических соединений, связанных с остатками фосфорной кислоты. Присутствующие в мембранных везикулах щелочная фосфатаза, отщепляет фосфат от органических соединений, пирофосфатаза гидролизует пирофосфат, ионыСа2+ связываются с РО43-, что приводит к появлению аморфного фосфата кальция. Из белков костной ткани наиболее активно связывают ионы Са2+ и РО43-остеонектин и Gla-белки. Остеонектин является гликофосфопротеином, а Gla-белки содержат 5 остатков γ-карбоксиглутаминовой кислоты. Коллаген костной ткани связывает ионы РО43- через ε-аминогруппу лизина с образованием фосфоамидной связи. Так возникают ядра минерализации.
На образовавшемся ядре возникают спиралевидные структуры гидроксиапатитов, рост которых идет по принципу добавления новых ионов. Этот процесс называется эпитаксисом.
Регуляция метаболизма в костной ткани
Образование костной ткани зависит от числа и активности остеобластов. Стимулируют их образование гормон роста (соматотропин), эстрогены. 24,25(ОН)2D3.
Кальцитонин подавляет активность остеокластов и ингибирует высвобождение ионов Са2+ из костной ткани. В результате тормозится резорбция костной ткани, стимулируются процессы минерализации.
Тиреоидные гормоны (Т3 и Т4) обеспечивают оптимальный рост костной ткани. При гипертиреозе активируются остеокласты. Это ведет к резорбции костной ткани.
Половые гормоны участвуют в процессах ремоделирования костной ткани. Эстрогены активируют остеобласты, угнетают остеокласты, стимулируют продукцию кальцитонина. Адрогены стимулируют биосинтез белков в остеобластах. При снижении выработки эстрогенов ( в менопаузе) процессы резорбции костной ткани преобладают над процессами восстановления костной ткани, что приводит к остеопорозу.
Активные формы витамина D3 регулируют хондрогенез и остеогенез уже в процессе эмбрионального развития. В отсутствие витаминаD3, невозможна минерализация органического матрикса. При этом не образуется сосудистая сеть.
Витамин А. При недостатке и избыточном поступлении витамина А в организм детей нарушается рост костей и происходит их деформация. Вероятно. Это обусловлено деполимеризацией и гидролизом хондроитинсульфата, входящего в состав хряща.
Витамин С. При недостатке аскорбиновой кислоты не происходит гидроксилирование остаков лизина и пролина, то есть нарушается образование зрелого коллагена. Образующийся незрелый коллаген не способен связывать ионы кальция, и становятся невозможны процессы минерализации.
Витамин Е.при дефиците витамина Е в печени не образуется 25(ОН) D3 – предшественник активных форм витамина D3. Кроме того, может снижаться уровень магния в костной ткани.
Резорбцию костной ткани – распад органического матрикса и выделение из костной ткани кальция и фосфатов вызывают паратгормон, кортизол.
Паратгормон усиливает резорбцию костной ткани, в крови и моче повышается уровень кальция и фосфатов, повышается экскреция с мочой гидроксипролина.
Глюкокортикоиды. Основной глюкокортикоид человека – кортизол. В мышцах и костях стимулирует распад белков, подавляет всасывание кальция в кишечнике, что сопровождается снижением его в сыворотке крови. Это приводит к повышению секреции паратгормона, который стимулирует образование остеокластов и резорбцию кости.