Клетки четко поляризованы, продуцируют и секретируют матрикс только на базальной стороне. К концу продуктивного периода остеобласт становится плоским и покрывает неминерализованный тонкий матрикс, называемый остеоидом.
Какое строение костных клеток остеоцитов?
Остеоциты (от греческого - osteon - кость и cytus - цитус - клетка) - плоские, тонкие, вытянутые костные клетки, с несколькими органеллами. Они покрывают поверхность кости и могут быть посредниками сигналов, которые регулируют костную резорбцию. Подобные связи между клетками могли бы объяснить ответ ткани на надклеточном уровне в процессе костного ремоделирования (восстановления).
Какое строение костных клеток остеокластов?
Остеокласты (от греческого osteon - остеон - кость и clao - клао-раpдроблять, разбивать) - многоядерные, большие, до конца дифференцированные клетки, которые формируются посредством слияния мононуклеарных клеток гемопоэтической природы. Они способны разрушить обызвестленный хрящ и кость. На стороне прилегания остеобласта к разрушаемой поверхности различают две зоны. Первая зона - наиболее обширная, которую называют "щеточная каемка" или "гофрированный край"; она является областью секреции гидролитических ферментов. Вторая зона - зона плотного прилегания остеокласта к костной поверхности, окружая первую, как бы герметезирует область действия ферментов. "Гофрированный край" - это скрученная спиралью мембрана с множественными цитоплазматическими складками, которые обращены в сторону резорбции на костной поверхности. "Гофрированный край" окружен цитоплазматической зоной, свободной от органелл и обогащенной сжимающимися белками, которая называется "чистой зоной". Костная резорбция происходит под "гофрированным краем" в замкнутом пространстве. На остеокластах в изобилии имеется и Na, и Ka - АТФаза. Характерным для остеокластов является наличие рецептора к кальцитонину. Кальцитонин - гипокальциемический гормон, который снижает мобилизацию кальция из кости путем прямого воздействия на остеокласты для того, чтобы снизить их количество и активность
Основой кости является костная ткань, которая состоит на 65-70% из минеральных компонентов (основной из них - гидроксиапатит кальция) и на 30-35% - из органических компонентов (основные из них - белок коллаген, неколлагеновые белки, а также протеогликаны, протеолипиды, сиалопротеины и другие органические вещества, в совокупности формирующие матрикс костной ткани). Минерализованный матрикс организован в трабекулы - структурно-функциональные еденицы губчатой костной ткани. В лакунах минерализованного матрикса и по поверхности трабекул распологаются клетки костной ткани - остеоциты, остеобласты, остеокласты. В организме постоянно происходят процессы обновления костной ткани путем сопряженного по времени костеобразования и рассасывания (резорбция) кости. Костеобразование осуществляется клетками-остеобластами, которые синтезируют и секретируют органический матрикс кости, а также учавствуют в процессе его кальцификации.
Остеобласты синтезируют и выделяют в окружающую среду фибриллы коллагена, которые оказываются в матриксе, содержащем протеогликаны и гликозаминогликаны.
Образование кристаллов минерального остова кости индуцирует коллаген. Формирование минеральной кристаллической решетки начинается в зоне, находящейся между коллагеновыми фибриллами. В процессе формирования кости кристаллы образуются сначала в зоне коллагеновых волокон. Затем они, в свою очередь, становятся центрами для отложения в пространстве между коллагеновыми волокнами. Формирование кости происходит только в непосредственной близости от остеобластов, причем минерализация начинается в хряще, который состоит из коллагена, находящегося в протеогликановом матриксе. Протеогликаны повышают растяжимость коллагеновой сети. В зонекалицификации происходит разрушение комплексов белок-полисохарид, вероятно, в результате гидролиза белкового остова лизосомальными протеиназами клеток кости. По мере роста кристаллы "вытесняют" не только протеогликаны , но даже воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена; коллаген состовляет 20% по массе и 40% объема такой ткани; остальное приходится на долю минеральной части. Эта структура пронизана выстланными клетками, гаверсовыми каналами, по которым проходят кровеностные сосуды.
Целостность матрикса поддерживается также за счет функции остеоцитов - зрелых клеток костной ткани, образующихся из остеобластов и также синтезирующих органические компоненты и стабилизирующих минеральный состав кости. Рассасывание кости осуществляется клетками-остеокластами, резорбирующими минерализованный костный матрикс. Кость не является постоянным депо минерала кальция, она находится в динамическом состоянии, при чем активность остеобластов
начале этого столетия ряд исследователей пришли к заключению, что околощитовидные железы выделяют вещество, повышающее уровень кальция в сыворотке крови. В 1925г. Collip, Hanson открыли паратиореоидный гормон, а в 1959г. Кasmu, Craig удалось выделить гормон в чистом виде. В 1978г. Keutmann и соавт. сообщили о последовательности всех 84 аминокислот, образующих человеческий паратиореидный гормон.
Ниже приводим влияние паратиреоидного гормона (ПТГ) на органы, учавствующие в кальциевом обмене.
Кишечник
Усиление всасывания кальция в кишечнике (непрямой эффект) вследствие активации превращения неактивной формы витамина D в его активную форму в почках.
Почки
Повышение выделения Na, Ca, Po и бикорбонатов в проксимальных канальцах и реабсорбции кальция в дистальных; суммарный эффект - задержка кальция почками.
Кости
Комплексное действие на различные кости. Высокая концентрация паратиреоидного гормона (кальциевый стресс) оказывает преимущественно катаболический (остеолитический) эффект, сопровождающийся мобилизацией кальция, а нормальный уровень паратиреоидного гормона - анаболический (остеопластический) эффект - с усилением новообразования и минерализации кости.
Какая роль кальцитонина в обмене кальция?
Существование кальцитонина - гормона, понижающего концентрацию кальция и фосфатов в сыворотке кропи, доказал Сорр (1961). а место его образования — парафолликулярные С-клетки щитовидной жолезы — установил Foster (1964). В последние годы в различных органах (кости, почечные канальцы, гипоталамус) были обнаружены рецепторы кальцитонина. что свидетельствует о широком диапазоне его действия.
Кальцитонин — пептидный гормон, состоящий из 12 аминокислот, физиологическая функция которого заключается в регуляции обмена кальция и фосфора. Интерес к этому гормону объясняется, в первую очередь, его участием в обеспечении относительно постоянного уровня кальция.
Основным и непосредственным фактором, который действует на щитовидную железу и активизирует синтез выделения кальцитонина. есть концентрация кальция в сыворотке кропи. Повышение уровня кальция в крови, особенно его ионизированной формы, усиливает секрецию кальцитонина, а снижение — угнетает.
Опосредованный путь регуляции секреции кальцитонина связан с секрецией гастрина и некоторых других энторогормонов. Уменьшение уровня кальция в пищеварительном тракте способствует секреции гастрина, что, в свою очередь, приводит к усилению синтеза и выделения кальцитонина щитовидной железой.
Кальцитонин через специфические рецепторы (в костях, почках) воздействует на цАМФ. В результате, прежде всего, тормозится резорбция костей и стимулируется их минерализацию. в частности, проявляется понижением уровня кальция и фосфора в сыворотке крови и экскреции гидроксипролина.
Паратиреоидный гормон (ПГТ) является функциональным антагонистом кальцитонина: первый обеспечивает увеличение состава кальция, а второй — его снижение. Низкая концентрация кальция в плазме крови стимулирует поступление в кровь значительного количества ПТГ. который увеличивает реабсорбцию кальция в канальцах почек и секрецию фосфатов, а в костной ткани — ускорение процесса резорбции и освобождения кальция в межклеточное пространство.
На уровне клеток кальцитонин влияет на транспорт кальция через ее мембрану. Он стимулирует поглощение кальция митохондриями и тем самым задерживает отток кальция из клеток. Этот процесс связан с активностью аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) клеточной мембраны и зависит от соотношения натрия и калия. Кальцитонин влияет на органический состав кости: угнетает распад коллагена, что проявляется уменьшением экскреции с мочой оксипролина.
Значительно влияют на интенсивность синтеза кальцитонина половые гормоны. Тестостерон и эстроген повышают его уровень в крови Как правило, уровень кальцитонина у мужчин приблизительно На 50-выше, чем у женщин, но у женщин в период беременности и кормления грудью он выше. В процессе старения его уровень как у женщин, так и у мужчин снижается, особенно у женщин в период наступления менопаузы.
Замедление резорбции костной ткани под влиянием кальцитонина происходит вследствие угнетения активности остеокластов и уменьшения их количества, а также стимуляции остеобластов. В костях эмбрионов он удваивает пролиферацию остеобластов и синтез ими коллагена Очевидно, после рождения действие кальцитонина изменяется, поскольку в культуре ткани взрослых он "тормозит'' остеобласты и тем самым формирование и минерализацию костной ткани. Установлено, что кальцитонин способствует поступлению кальция и фосфора в кость не только через угнетение ее резорбции, но и путем образования гранул лабильной формы фосфата кальция в межклеточной жидкости возле остеоцитов
Какая роль витамина D в обмене кальция?
Витамин D и его метаболиты являются стероидами, причем, как считают, гормоноподобное действие оказывает образующийся в почках активный метаболит 1,25-дигидрооксихолекальциферол.
В организм витамин D попадает двумя путями:
1) в эпидермисе под влиянием ультрафиолетовых лучей 7-дегидрохолестирол превращается в холекальцеферол (витамин D3);
2) с растительной пищей поступает эргокальциферол.
Поступивший в организм витамин D3 вначале накапливается в печени, где превращается в активный метаболит (прогормон). Только после повторного гидроксилирования в почках образуется высокоактивный физиологически доминирующий 1,250 дигидрооксихолекальциферол, в 10-100 раз более активный, чем витамин D. На транспортном белке активный витамин D достигает органов-мишений, где проявляется его действие. Характер действия биологически самой активной формы витамина D:
1) тонкий кишечник - повышение всасывания фосфатов и кальция; после связывания с цитоплазматическими и ядерными рецепторами клетокслизистой индуцируется синтез кальций-связывающего белка, который и делает возможным проникновение кальция в эти клетки, откуда кальций выходит в кровь в обмен на натрий;
2) кости - содействие синтезу коллагена и минерализации остеоида; высокие дозы и совместное с паратгормоном действие - причина мобилизации кальция в связи с образованием кальций-мобилизирующего белка;
3) почки - усиление реабсорбции кальция (благодаря синтезукальций-связывающего белка).
Какая роль витамина А в метаболизме кости ?
При недостатке витамина А рост скелета нарушается раньше, чем рост мягких тканей. Так после остановки роста костей позвоночника может продолжатся рост спинного мозга; это приводит к сдавливанию нервных корешков при их выходе из спинного мозга и к нарушению функционирования интервируемых ими органов и тканей. Дефомация костей наблюдается также у детей, получавших избыточные количества этого витамина. Вероятно, эти явления обусловлены деполимеризацией и гидролизом хондроитинсульфата, входящего в состав хряща.
Какая роль витамина С в метаболизме кости?
Аскорбиновая кислота (витамин С) имеет существенное значение для нормального развития скелета. При недостатке аскорбиновой кислоты мезенхемальные клетки не вырабатывают нормальный коллаген, что приводит к нарушению процесса обызыствления кости.
Какая роль витамин Е в метаболизме кости?
Дефицит витамина Е нарушает нормальный метаболизм витамина D в печени (где активируются предшевствующие формы). Действие витамина D в основном направлено на обеспечение целостности кости. Дефицит витамина Е также может привести к снижению уровня магния в костной ткани.
Какая роль витамина К в метаболизме кости?
Витамин К играет роль в нормальной кальцификации кости, действуя в качестве кофактора фермента карбоксилирования.
Какая роль микроэлементов в метаболизме кости?
Бор влияет на метаболизм кости; скорее всего он взаимодействует с витамином D, кальцием, магнием и , возможно, с фосфором.
Ванадий учавствует в построении костей ии зубов.
Основная роль кремния - участие в химической реакции по скреплению маленьких субъедениц волокнистых тканей организма, коллагена и эластина вместе, придавая им силу и упругость. Он такжеиграет роль в кальцификации кости.
Магний служит структурным компонентом костей и зубов.
Марганец нужен организму для построения костей и соединительной ткани.
Фосфор вместе с кальцием придает крепость костям и зубам, которые содержат 85% фосфора всего организма.
Фтор вместе с кальцием и фосфором обеспечивает твердость костей и зубов.
Какая роль простагландинов в метаболизме кости?
Некоторые простагландины, например PGE, заметно ускоряют выход кальция из кости. Экзогенные простогландины PGE2 существенно увеличивают генерацию остеокластов, которые разрушают кость.
Какая роль кортикостероидов в метаболизме кости?Деминерализация костей происходит также при введении кортикостероидов вследствие их ингибирующего действия на синтез протеогликанов.
ОСТЕОКЛАСТ [osteoclast]
(Лат.: os - кость; греч.: όστέόν - кость + κλάω - ломать; 1872).
Остеокласты - многоядерные крупные клетки костной ткани, специализированные макрофаги, главной функцией которых является рассасывание, разрушение кости.
Остеокласты образуются посредством слияния нескольких одноядерных предшественников семейства моноцитов (макрофагов), происходящих из стволовой клетки костного мозга. В согласовании с воссоздающими кость остеобластами и с другими структурами основной функциональной единицы костной ткани, остеокласты осуществляют непрерывный управляемый процесс реконструкции, перестройки костной ткани, ее непрерывное обновление. Процесс реконструкции уравновешен так, чтобы обеспечить необходимый рост и развитие скелета, составляющих его костей, их структуру, прочность и упругость.
В результате действия разнообразных причин, рассасывание костной ткани может преобладать над ее воссозданием. Это может вести к возникновению очень частого в настоящее время заболевания, характеризующегося синдромом остеопороза. Диагностика и лечение заболеваний, сопровождающихся остеопорозом, пока не оправдывают ожиданий. Одной из причин этого является отсутствие достаточных знаний о физиологических механизмах управления процессом реконструкции кости вцелом. Находки новых фармакологических препаратов, аналогов действия единичных естественных управляющих сигналов, данной проблемы не решает, поскольку пока нет целостной картины перестройки кости.
Многостадийный процесс дифференцирования остеокластов запускается интегрином и в дальнейшем управляется химическими управляющими сигналами, в число которых входит ряд активирующих веществ: фактор стимулирующий образование колоний макрофагов (M-CSF), лиганд рецептора для активации ядерного фактора каппа Б (RANK-лиганд, RANKL), остеопротегерин и другие вещества.
Стволовые клетки костного мозга и остеобласты выделяют RANK-лиганд и фактор, стимулирующий образование колоний макрофагов. Этот процесс активируется паратиреоидным гормоном и тормозится остеопротегерином. RANKL и M-CSF взаимодействуют с соответствующими рецепторами на мембране клетки-предшественника (общий предшественник для остеокласта и моноцитов/макрофагов) и запускает дифференцирование клетки-предшественника в направлении остеокласта. Этот процесс может тормозиться остеопротегерином.
Дифференцированный остеокласт принимает определенное положение на поверхности кости и развивает специализированный цитоскелет, который позволяет ему создавать изолированную полость резорбции, микросреду между остеокластом и костью. В этом процессе участвует интегрин-avb3. Мембрана остеокласта обращенная в эту полость образует складки, становится гофрированной. За счет этого значительно увеличивается поверхность резорбции. Гофрированная часть мембраны, обращенная в полость резорбции, обозначается как резорбтивная мембрана, в отличие от остальной части - антирезорбтивной мембраны. Микросреда, созданной полости резорбции, подкисляется посредством электрогенной подкачки в нее протонов. Внутриклеточный pH остеокласта поддерживается посредством обмена ионами HCO3–/Cl– через антирезорбтивную мембрану. Ионы HCO3– движутся из клетки в экстрацеллюлярное пространство, а ионы Cl– поступают из экстрацеллюлярной жидкости в цитоплазму остеокласта. Ионы Cl– по анионным каналам гофрированной резорбтивной мембраны проникают в микрополость резорбции. В результате pH в резорбтивной полости достигает ≈4,5. Кислая среда создает условия для мобилизации минеральной фазы кости и образует оптимальную среду для деградации органического матрикса костной ткани с участием катепсина А, фермента, синтезируемого и выделяемого в полость резорбции остеокластом.