Кальций-связывающие белки дентина и эмали

Содержание:

 

• Введение (стр.3-4)

 

• Основные понятия о дентине и эмали и их неорганический состав (стр.4-5)

 

• Белки и кальций-связывающие белки дентина (стр.6-10)

 

• Белки и кальций-связывающие белки эмали (стр.10-12)

 

 

• Изменение аминокислотного состава коллагена дентина при эволюции зубного зачатка в постоянный зуб (стр. 12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

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 (Ca10(Po4)6(OH)2) 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. 
 

 

  Твердые ткани зуба - к ним относят эмаль ( в коронке зуба), дентин и цемент ( на поверхности корня). В отличие от других видов костной ткани, ткани зуба еще более минерализованы. 
 
  
  
 
В заметных количествах в твердых тканях зуба содержатся магний, натрий, калий, хлор (их больше в цементе и в эмали)

 

Изоэлектрическая  точка (pI) -  кислотность среды (pH), при которой определённая молекула или поверхность не несёт электрического заряда. Амфотерные молекулы (цвиттер-ионы) содержат как положительные, так и отрицательные заряды, наличием которых определяется pH раствора. Заряд различных функциональных групп таких молекул может меняться в результате связывания или, наоборот, потери протонов H⁺. Величина изоэлектрической точки такой амфотерной молекулы определяется величинами констант диссоциации кислотной и основной фракций:                   

Растворимость амфотерных молекул, как правило, является минимальной при pH равной или близкой  к изоэлектрической точке pI. Часто  они в своей изоэлектрической точке выпадают в осадок. Многие биологические молекулы, такие как аминокислоты и белки, являются по своей природе амфотерными, так как содержат и кислотные, и основные функциональные группы. Общий заряд белка определяется боковыми группами аминокислот, которые могут быть положительно- или отрицательно-заряженными, нейтральными или полярными. Общий заряд белка при pH ниже изоэлектрической точки является положительным. Наоборот, при pH выше изоэлектрической точки общий заряд белка — отрицательный. В самой изоэлектрической точке сумма положительных зарядов на белковой молекуле равна сумме отрицательных зарядов, поэтому будучи помещена в электрическое поле такая молекула не двигается. Изоэлектрическое фокусирование белков используется для разделения смеси белков в полиакриламидном геле в градиенте pH в зависимости от величины их изоэлектрических точек.

 

Основные понятия о дентине и эмали и их неорганический состав.

Дентин

Дентин – это слой минерализованного внеклеточного матрикса, расположенного между пульпой зуба и эмалью в коронке или цементом в корневой части. Дентин образуется одонтобластами и содержит их отростки, находящиеся в дентинных трубочках канальцах. Благодаря непрерывной деятельности одонтобластов отложение дентина продолжается в течение всей жизни, усиливаясь, в качестве защитной реакции, при повреждении зуба.

Химический состав дентина: неорганические минеральные компоненты – до 70%, органические вещества – 17-20% и вода – 10-13%. 
Неорганические компоненты дентина представлены кристаллами гидроксиапатитов, фторапатитов и фосфатом кальция. Так же как и апатиты костной ткани, кристаллы дентина способны вступать в реакции изоморфного замещения. Коэффициент СаР отличается от идеального 1, 67 из-за достаточно высокого содержания ионов магния и карбонатов. В составе дентина обнаруживаются и другие двухвалентные ионы: Si2+, Fe2+, Ba2+, Sr2+, Zn2+. 
Органический матрикс на 90% представлен коллагеном, в основном, I типа. Фибриллы коллагена стабилизированы бифункциональными ковалентными сшивками, которые с возрастом, спонтанно превращаются в трифункциональные пиридинолиновые, что приводит к уплотнению волокон.

 

Зубная эмаль

Эмаль зуба - это уникальный сложносоставной биокерамический материал и самая твёрдая ткань человеческого организма. В отличие от других твёрдых тканей организма эмаль не обладает клеточной структурой.

Химический состав эмали: Неорганические вещества зрелой эмали составляют 94-95%, в незрелой формирующейся эмали их намного меньше - всего 5%, а в эмали молочных зубов - 80%. После удаления минеральных компонентов остается тонкая сеть органической матрицы.

Кроме солей фосфата кальция  в составе эмали обнаружены свыше 30 разных элементов. В относительно больших количествах присутствуют ионы Mg²⁺, Na⁺, а также Cl^-, K^-, Zn²⁺и Fe²⁺. Минеральный состав эмали может колебаться в зависимости от характера питания, но процентное соотношение кальция, фосфора и карбоната довольно постоянно. Содержание Sr²⁺, Pb²⁺ и некоторых других микроэлементов в эмали колеблется значительно и зависит от их количества в почве данной местности.

Минеральные вещества в эмали распределены неравномерно. Поверхностные более плотные слои содержат меньше воды, карбонатов и больше фтора. Количество неорганических компонентов уменьшается в направлении от поверхности к зоне перехода эмали в дентин.

Содержание кальция и фосфора  в эмали соответственно составляет 33,6-39,4 и 16,1-18,0% по отношению к остальным элементам эмали и в направлении от поверхности зуба к дентину их содержание снижается. Обычно снаружи она для ионов Ca²⁺ составляет 37,8, а внутри - 34,5% и для фосфатов - 18 и 15%. Однако при этом соотношение кальция и фосфатов остаётся постоянным (2,1 и 2,3 - весовое и 1,62-1,78 - молярное соотношение). Такая же закономерность распределения концентрационного градиента в эмали относится и к хлоридам. Напротив, содержание карбонатов, натрия, магния и железа в эмали увеличивается по направлению к дентину. Свинец присутствует в низких концентрациях. Он накапливается в поверхностных слоях эмали, в то время как медь и стронций равномерно распределяются по всей толщине эмали.

Белки и кальций-связывающие белки дентина

В дентине в небольшом количестве присутствуют - протеогликаны (декорин и бигликан) содержащие в своем составе хондроитинсульфаты.

 

Адгезивные  белки дентина можно условно  разбить на две группы:

1. Общие — встречающиеся в других типах соединительной ткани
2. Специфические — характерные только для дентина

 

К общим относятся: фибронектин, кальций-связывающие белки – остеонектин, остеопонтин, остеокальцин.

Фибронектин - один из ключевых белков межклеточного матрикса, неколлагеновый структурный гликопротеин, синтезируемый и выделяемый в межклеточное пространство многими клетками. Он построен из двух идентичных полипептидных цепей, соединённых дисульфидными мостиками у своих С-концов.

               Строение молекулы фибронектина

Полипептидная цепь фибронектина содержит 7-8 доменов, на каждом из которых расположены специфические центры для связывания разных веществ. Фибронектин может связывать коллаген, протеогликаны, гиалуроновую кислоту, углеводы плазматических мембран, гепарин, фермент трансглутаминазу. Благодаря своей структуре фибронектин может выполнять интегрирующую роль в организации межклеточного вещества, а также способствовать адгезии клеток.

 

Существует несколько  форм фибронектина, которые синтезируются  разными клетками. Растворимый, или  плазменный, фибронектин синтезируется гепатоцитами. Нерастворимый, или тканевый фибронектин синтезируется в основном фибробластами или эндотелиоцитами, глиоцитами и эпителиальными клетками.

 

Функции - Обе формы фибронектина вовлекаются в разнообразные процессы: способствуют адгезии и распространению эпителиальных и мезенхимальных клеток, стимулируют пролиферацию и миграцию эмбриональных и опухолевых клеток, контролируют дифференцировку и поддержание цитоскелета клеток, активно участвуют в воспалительных и репаративных процессах. Это связано с тем, что каждая субъединица фибронектина содержит последовательность Арг-Гли-Асп (RGD), с помощью которой он может присоединяться к клеточным рецепторам (интегринам). Эти рецепторы опосредованно взаимодействуют с актиновыми микрофиламентами, которые находятся в цитозоле. В этом процессе участвуют так называемые белки прикрепления: талин, винкулин, α-актинин. С помощью таких белок-белковых взаимодействий информация может передаваться из межклеточного матрикса внутрь клетки, а также в обратном направлении - из клетки наружу, таким образом влияя на протекающие в клетке процессы. Известно также, что фибронектин участвует в миграции клеток, которые могут присоединяться к его RGD-участкам, и, таким образом, фибронектин как бы помогает им перемещаться в межклеточном матриксе.

 

 

И кальций-связывающие белки: остеонектин, остеопонтин, остеокальцин.

 

Остеонектин (синонимы: ВМ-40, SPARC, от англ. secreted protein acidic and rich in cysteine) – гликопротеин кости и дентина, имеет высокое сродство к коллагену I типа и к гидроксиапатиту, содержит Са-связывающие домены. состоит из 4 доменов, к 2 из которых могут присоединяться ионы Са²⁺. Остеонектин - это кислый белок, богатый цистеином, его концентрация может повышаться при некоторых опухолевых заболеваниях.

Структура домена остеонектина.

 

Структура молекулы остеонектина.

 

Функции - Поддерживает в присутствии коллагена концентрацию Са и Р. Предполагается, что белок участвует во взаимодействии клетки и матрикса. Показано, что он может ингибировать G₁-S'-фазу роста эндотелиальных клеток.

 

Остеопонтин - секреторный сиалопротеин, пропептид которого образуется 314 аминокислотными остатками (а.о), из которых на долю лидирующей последовательности приходится 16 а.о. Остеопонтин оказался несколько менее кислым, чем BSP , но его аминокислотная последовательность, как было установлено, включает несколько блоков из остатков дикарбоновых аминокислот, при этом общая длина одного их них состоит из девяти остатков ( рис 1. OP ). Белок O-гликозилирован и содержит ряд фосфорилированных остатков серина. Сравнение аминокислотной последовательности остеопонтина с первичными структурами других костных белков не позволило обнаружить протяженных участков значительной гомологии. В то же время, аминокислотная последовательность остеопонтина содержит в своем составе консенсусный RGD-участок . Данная структура отвечает в ряде белков - BSP и др., - за взаимодействие с находящимися на поверхности клеток рецепторами семейства интегринов , и впервые была установлена в отвечающем за связывание клеток домене белка фибронектина.

Строение молекулы остеопонтина.

 

Функции - Как было обнаружено в процессе выделения, остеопонтин способен довольно прочно связываться с гидроксиапатитом, что можно объяснить его функциями в минерализованной костной ткани. Белок, как было показано, часто входит в состав почечных камней и, очень вероятно, влияет на их формирование. Было, в частности, показано присутствие остеопонтина в кальций-фосфатных почечных камнях. Кроме того обнаружена связь между низким содержанием данного белка в урине пациентов и формированием камней оксалатной природы. Значительный уровень накопления остеопонтина был найден в плаценте и тканях головного мозга.

 

Остеокальцин (BGLAP, с англ. Гамма-карбоксиглутаминовый кислотно-содержащий белок) – небольшой белок наиболее широко представлен в костном матриксе, является витамино-K зависимым белком его первичная структура, обладающая высокой способностью к связыванию с кальцием и гидроксиапатитами, содержит три гамма-карбоксилированных остатка глутаминовой кислоты. Остеокальцин является одним из основных неколлагеновых белков костной ткани, составляя приблизительно 3% белков кости. 

Строение молекулы остеокальцина.

 

Функции - участвует в связывании кальция и гидроксиапатитов, то есть, в синтезе новой костной ткани. Поддержание костной ткани происходит за счет динамичного процесса формирования и резорбции. Остеокальцин синтезируется остеобластами, предполагают, что он необходим для формирования костной ткани. Кроме того, этот белок может служить посредником в минерализации матрикса костной ткани, так как на его уровень влияют гормоны, регулирующие обмен кальция (кальцитонин, паратиреоидный гормон и витамин D).  
Широко обсуждалась прогностическая роль остеокальцина при прогрессировании заболеваний кости. Уровень остеокальцина может быть повышен при различных заболеваниях: остеомаляции, болезни Иценко-Кушинга, гипертиреозе, первичном гиперпаратиреозе и почечной остеодистрофии. Повышение уровня остеокальцина наблюдается также при остеопорозе во время постменопаузы, за счет нарушения обменных процессов костного матрикса. Снижение уровня остеокальцина отмечается при гипопаратиреозе и при длительной терапии кортикостероидами.

 

 

К специфическим относятся: дентинфосфопротеин (фосфофорин) и дентинсиалопротеин.

Дентинфосфопротеин или фосфофорин(DPP) - основной неколлагеновый белок дентина. В его составе не менее 80% аминокислотных остатков приходятся на аспартат и серин. Большинство остатков серина фосфорилированы. Это самый кислый из всех известных белков.

Строение молекулы дентин фосфопротеина. 1

Функция – связывая кальций, является центром нуклеации в процессе минерализации дентина.