Биохимические тесты для диагностики заболеваний костной ткани

 

 

 

Федеральное Государственное Образовательное Учреждение

Высшего Профессионального Образования

«Московская Государственная Академия Ветеринарной Медицины и Биотехнологии

им. К. И. Скрябина»

 

 

 

Кафедра органической и биологической химии

 

Направление подготовки 020400-Биология,

профиль Биохимия

 

Квалификация выпускника - бакалавр

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по теме:

 « Биохимические тесты для

диагностики заболеваний костной ткани »

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка 3 курса

 ветеринарно-биологического факультета

Еромасова  Валерия Владиславовна

 

 

 

 

Москва 2012

 

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

Цель данной работы - изучение биохимических процессов функционирования костной ткани и биохимических тестов для оценки функционального состояния.

Задачи:

1. Изучить строение и функции  костной ткани.

2. Выявить биохимические тесты, которые могут быть использованы  для диагностики функционального состояния костной ткани.

3.Провести биохимический анализ  сыворотки крови кошки на выявление  патологии костной ткани.

 

 

 

 

 

Раздел 1.

Костная ткань - как особый вариант формы

соединительной ткани.

 

    Костная ткань - это особый вид соединительной ткани. Костная ткань имеет особенности строения, которые не встречаются в других видах соединительной ткани. В ней преобладает межклеточное вещество, содержащее большое количество минеральных компонентов, главным образом - солей кальция. Основные особенности кости - твердость, упругость, механическая прочность. 
    В компактном веществе кости большая часть минеральных веществ представлена гидроксилапатитом (рис.1) и аморфным фосфатом кальция. Кроме них встречаются карбонаты, фториды, гидроксиды и значительное количество цитрата. Химический состав костной ткани (в%%): 20% - органический компонент, 70% - минеральные вещества, 10% - вода.  Губчатое вещество: 35-40% - минеральных веществ, до 50% - органические соединения, содержание воды - 10%. 
    Особенность минерального компонента в том, что фактическое соотношение кальций/фосфор равно 1,5, хотя расчетное соотношение должно быть 1,67. Это позволяет кости легко связывать или отдавать ионы фосфата, поэтому кость - это депо для минералов, особенно для кальция.

 

 

 

 
      Рис.1 

 

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 органического 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 составляют 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 неорганических компонентов на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости.

Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было высказано предположение, что кристаллы костной ткани имеют структуру апатита. В дальнейшем это в значительной мере подтвердилось. Действительно, кристаллы кости относятся к гидроксилапатитам, имеют форму пластин или палочек и следующий химический состав – Са10(РО4)6(ОН)2. Кристаллы гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы костной ткани, другая часть представлена аморфным фосфатом кальция Са3(РО4)2. Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значительным колебаниям в зависимости от возраста. Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте, в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксилапатит. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са2+ 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 постоянно обновляется. Ежедневно кости скелета теряют и вновь восстанавливают примерно 700–800 мг кальция.

    В состав минеральной фазы кости входит значительное количество ионов, которые обычно не содержатся в чистом гидроксилапатите, например ионы натрия, магния, калия, хлора и др. Высказано предположение, что в кристаллической решетке гидроксилапатита ионы Са2+ 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% органического матрикса приходится на коллаген. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным фактором, определяющим механические свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы 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 костного 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 богатого липидами костного мозга. Липиды принимают участие в процессе минерализации. Есть основания полагать, что липиды могут играть существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Биохимические и цитохимические исследования показали, что остеобласты – основные клетки костной ткани – богаты РНК . Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию (табл. 22.1).

 

 

 

     Своеобразной особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата: около 90% его общего количества в организме приходится 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 повышения 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.

 

 

Возрастные изменения химического состава костной ткани.

   Химический состав костей непостоянен, он меняется с возрастом, зависит от функциональных нагрузок, питания и других факторов. В костях детей относительно больше, чем в костях взрослых, оссеина, они более эластичны, меньше подвержены переломам, но под влиянием чрезмерных нагрузок легче деформируются Кости, выдерживающие большую нагрузку, богаче известью, чем кости менее нагруженные. Питание только растительной или только животной пищей также может вызвать изменения химического состава костей. При недостатке в пище витамина D в костях ребенка плохо откладываются соли извести, сроки окостенения нарушаются, а недостаток витамина. А может привести к утолщению костей, запустению каналов в костной ткани.

   В пожилом возрасте количество оссеина снижается, а количество неорганических веществ солей, наоборот, увеличивается, что снижает ее прочностные свойства, создавая предпосылки к более частым переломам костей. К старости в области краев суставных поверхностей костей могут появляться разрастания костной ткани в виде шипов, выростов, что может ограничивать подвижность в суставах и вызывать болезненные ощущения при движениях. О механических свойствах кости можно судить на основании их крепости на сжатие, растяжение, разрыв, излом и т. п. На сжатие кость в десять раз крепче хряща, в пять раз прочнее железобетона, в два раза больше крепости свинца. На растяжение компактное вещество кости выдерживает нагрузку до 10-12 кг на 1 мм2, а на сжатие - 12-16 кг. По сопротивлению на разрыв кость в продольном направлении превышает сопротивление дуба и равна сопротивлению чугуна. Так, например, для раздробления бедренной кости давлением нужно приблизительно 3 тыс. кг, для раздробления большеберцовой кости не

 

 

менее 4 тыс. кг. Органическое вещество кости - оссеин выдерживает нагрузку на растяжение 1,5 кг на 1 мм2, на сжатие - 2,5 кг, крепость же сухожилий составляет 7 кг на 1 мм2, Несмотря на значительную крепость и прочность кость весьма пластичный орган и может перестраиваться на протяжении всей жизни человека.

 

 

ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОСТНОЙ

ТКАНИ

 

 

   Из графика видно, если количество костной ткани останется выше порога переломов, то в этом случае кости могут противостоять переломам (линия 1), а если количество костной ткани упадет ниже порога переломов, то кости могут легко ломаться (линия 2).

   Риск развития остеопоротических переломов зависит от максимального количества и прочности кости, достигнутых человеком в течение жизни, и в дальнейшем от скорости потери костной массы.

  Индивидуальный пик костной массы, который в норме достигается к 25-35 годам, зависит от генетических и ненаследственных факторов:

• гормонального статуса;
• физических нагрузок;
• питания;
• образа жизни.

 

 

 

 

Раздел 2.

Диагностика состояния костной ткани.

Введение.

 

Кальций является самым распространенным елементом в теле человека. Организм взрослого человека содержит приблизительно 25000 ммоль кальция, из которого 99% входят в состав скелета. Внеклеточная жидкость содержит только 22,5 ммоль кальция, из которых примерно 9 ммоль находятся в плазме крови.

Экстраклеточный пул кальция в течение суток обновляется приблизительно 33 раза, проходя через почки, кишечник и кости, то даже небольшое изменение любого из этих потоков окажет существенное влияние на концентрацию кальция во внеклеточной жидкости, включая и плазму. Влияние кальция на нервно-мышечную активность имеет особое значение в симптоматике гипо- и гипер-кальциемии.

 

Кальций является главным субстратом для минерализации костей, играет значимую роль в формировании скелета. Достаточное потребление кальция в детском и подростковом периодах необходимо для достижения оптимального пика массы костной ткани. При недостаточном потреблении кальция с пищей или нарушении его всасывания (при применении глюкокортикоидов или при патологии ЖКТ) для поддержания адекватной кальциемии повышается секреция паратгормона, кальций начинает активно вымываться из костной ткани, что приводит к снижению минеральной плотности костной ткани и развитию остеопороза. Кальций является одним из 5 важнейших микроэлементов человеческого организма и самым распространенным минералом. В теле взрослого человека содержится приблизительно 1200 г кальция, из которого 98,9% приходится на скелет. Нарушение гомеостаза кальция приводит к формированию костной, висцеральной или смешанной формы гиперпаратиреоза. Значительное вымывание кальция из костей приводит к образованию больших или малых кист в различных костях, деформации костей, множественным переломам даже без физических усилий.

 

Кальций плазмы

В плазме кальций представлен тремя формами : 1) связанный с белками (в основном с альбумином); 2) в комплексе с фосфатом и цитратом; 3) в виде свободных ионов. Физиологически активной формой является только последняя, и именно концентрация ионов кальция поддерживается механизмами гомеостаза. При алкалозе ионы водорода диссоциируют из молекулы альбумина, что приводит к увеличению связывания кальция альбумином и сни

 

 

жению концентрации ионов кальция. Это, в свою очередь, может вызвать клинические симптомы гипокальциемии, несмотря на неизменную концентрацию общего кальция в плазме. Обратная картина, связанная с увеличением концентрации ионов кальция в плазме, отмечается при остром ацидозе. Методы измерения концентрации общего кальция в плазме являются наиболее используемыми, хотя содержание ионизированного кальция может быть измерено с помощью ионселективных электродов. Несомненным преимуществом измерения ионизированного кальция является быстрое получение результата.  Именно поэтому при некоторых обстоятельствах, например при переливании крови или хирургических вмешательствах с созданием экстракорпоральных путей, данное преимущество может быть использовано для регуляции быстро меняющейся концентрации кальция. Изменения концентрации альбумина в плазме оказывают влияние на содержание общего кальция независимо от концентрации его ионов, что может приводить к ошибкам в трактовке результатов как при гипо-, так и при гиперпротеинемии. Для расчета предполагаемой концентрации общего кальция могут быть использованы различные формулы, при условии что концентрация альбумина находится в пределах нормы. При заборе крови для определения содержания кальция следует избегать венозного застоя, поскольку данная ситуация сопровождается выраженной гиперпротеинемией, а следовательно, и гиперкальциемией. Например, не следует использовать жгут. Глобулины, хотя и в меньшей, чем альбумин, степени, связывают кальций; поэтому у больных с миеломой увеличение содержания у-глобулина может сопровождаться повышением концентрации общего кальция в плазме. Однако при миеломе гиперкальциемия обусловлена преимущественно возросшей концентрацией ионизированного кальция в результате секреции опухолевыми клетками субстанций, вызывающих мобилизацию кальция.