Рис. 4. Схема строения молекулы коллагена.
Прочность коллагеновых волокон (нить сечением около 1 мм выдержавает нагрузку более 10 кг) во многом достигается за счет дополнительных ковалентных «сшивок» между молекулами тропоколллагена. Установлено, что в образовании «сшивок» участвуют главным образом, остатки лизина и гидроксилизина.
Биосинтез данного протеина, осуществляемый в остео-, хондро- и фибробластах, протекает весьма сложно. Сначала его цепи синтезируются на полисомах в виде предшественников, образуя проколлаген. Затем пептидные цепочки посттрансляционно гидроксилируются и гликозилируются. Гидроксилирование проколлагена осуществляется с участием фермента протоколлаген-гидроксилазы, который в качестве кофермента использует витамин С (аскорбиновую кислоту). Негидроксилированный белок плохо секретируется из клеток, а если секретируется, то сразу же атакуется коллагеназой. Следовательно при гиповитаминозах С и Р содержание коллагена в тканях уменьшается, что в конечном итоге приводит к остепорозу.
Выделяют два пути распада коллагена - специфический и неспецифический. В первом случае коллаген разрушается коллагеназой на два фрагмента, которые в дальнейшем гидролизуются лизосомальными протеазами. Во втором - протеин денатурируется продуктами свободнорадикального окисления липидов, а затем подвергается действию протеаз. Продукты специфического распада коллагена стимулируют образование новых остео-, хондро-, фибробластов, то есть обусловливают регенерацию на клеточном уровне.
В костной ткани, разновидностью которой является цемент, содержится до 1% белков, регулирующих остеогенез. К ним относятся морфогены, митогены, факторы хемотаксиса и хемоаттракции.
Морфогены – это гликопротеиды, выделяющиеся из разрушающейся костной ткани и действующие на полипотентные клетки, вызывая в нужном направлении их дифференцировку. Важнейший из них – морфогенетический белок кости, состоящий из четырех субъединиц с общей молекулярной массой 75,5 кДа. Остеогенез под влиянием этого белка протекает по энхондальному типу, т.е. сначала образуется хрящ, а из него затем кость. Следует отметить, что этот протеин получен в чистом виде (США, 1983) и применяется при плохой регенерации кости. Выделен, но мало изучен фактор Тильманна (Мr=500-1000 Да), который быстро вызывает интрамембранозный остеогенез (без образования хряща), но в малом объеме. Так развивается кость нижней челюсти. Из дентина также получен морфогенетический фактор (белок), стимулирующий рост дентина. В эмали морфогенов не обнаружено.
Митогены – чаще всего гликофосфопротеиды – действуют на преддифференцированные клетки, сохранившие способность к делению, увеличивают их митотическую активность. В основе биохимического механизма действия лежит инициация репликации ДНК. Из кости выделено несколько таких факторов (костно-экстрагируемый фактор роста, фактор роста скелета). В дентине и эмали митогенов пока не обнаружено.
Факторы хемотаксиса и хемоаттракции – это гликопротеиды, определяющие движение и прикрепление новообразованных структур под действием морфо- и митогенов. Наиболее известны из них: фибронектин, остеонектин и остекальцин. За счет первого осуществляется взаимодействие между клетками и субстратами, этот белок способствует прикреплению ткани десны к челюсти. Остеонектин (кислый белок, богатый цистеином), являясь продуктом остеобластов, определяет миграцию преостеобластов и фиксацию апатитов на коллагене, то есть при его помощи происходит связывание минерального компонента с коллагеном. Остеокальцин – белок, маркирующий участки кости, которые должны подвергаться резорбции (распаду). Этот протеин содержит g-карбоксиглутаминовую кислоту и является витамин-К-зависимым, он вырабатывается в старом участке кости, к которому прикрепляется остеокласт и происходит разрушение этого участка. Остеокальцин принадлежит к группе, так называемых, гла-белков, являющихся инициаторами минерализации и создающими ядра кристаллизации. В эмали аналогичные функции выполняют амелогенины.
Морфогены, митогены, факторы хемотаксиса и хемоаттракции выполняют важную биологическую функцию, объединяя процесс деструкции и новообразования ткани. Разрушаясь, клетки выделяют их в среду, где воздействуя на разные стадии дифференцировки, эти факторы вызывают образование новых тканей.
Обнаружены соединения, действие которых противоположно влиянию морфо- и митогенов, называющиеся кейлонами. Они прочно связываются с морфо-, митогенами и препятствуют регенерации кости. В связи с этим возникает важная проблема разработки приемов регуляции синтеза морфо-, митогенов, факторов хемотаксиса. Известно, что синтез морфогенов кости активируется активными формами витамина D – кальцитриолами и тирокальцитонином, а подавляется глюкокортикостероидами (ГКС) и половыми гормонами. Следовательно, применение ГКС уменьшает регенерационные возможности кости и способствует развитию остеопороза. Осложнения течения консолидации переломов возможно в тех случаях, когда уже больному проводили курс лечения ГКС или анаболическими стероидами. Кроме того, длительное использование последних может спровоцировать перелом, так как масса мышц будет сопровождаться уменьшением прочности скелета. Также необходимо отметить, что скорость и полнота замещения дефекта при костной пластике определяется количеством морфогенов в подсаженной ткани. Поэтому, чем старше возраст донора, тем меньше вероятность успешного замещения дефекта. Кость, взятая у молодых доноров, будет замещаться плохо, если им проводили лечение ГКС и анаболическими гормонами.
1.4. ПУЛЬПА
Пульпа зуба – это соединительнотканное образование, состоящее из клеток и основного вещества.
Одонтобласты – это высокодифференцированные клетки пульпы, основная функция которых – образование дентина. В субодонтобластическом слое располагаются малодифференцированные клетки – пульпоциты, которые могут превращаться в одонтобласты. Обязательным компонентом пульпы являются фибробласты, которые создают рыхлую волокнистую соединительную ткань, которая замещает мезенхиму зубного сосочка. Защитную функцию в мякоти зуба выполняют макрофаги и плазматические клетки, при воспалительных процессах протективные свойства также может проявить и эндотелий кровеносных сосудов. Макрофаги секретируют факторы, индуцирующие продукцию коллагена фибробластами, а также лизоцим, интерферон, простагландины, циклические нуклеотиды, лизосомальные (кислые гидролазы, ДНК-азы и другие) и нелизосомальные (коллагеназа, эластаза и другие) ферменты.
В молодой пульпе меньше волокон коллагена и больше клеточных элементов. По мере ее старения количество клеток начинает уменьшаться.
Основное вещество (межклеточной матрикс) соединительной ткани состоит из представителей четырех классов: коллагена, протеогликанов, неколлагеновых структурных гликопротеидов и эластина. В матрикс наряду с нерастворимыми фибриллярными структурами погружены и клеточные образования (фибро-, дентинобласты, пульпоциты и др.).
На строении коллагена мы подробно останавливались в предыдущем разделе. Эластин, как и коллаген, содержит много глицина и пролина, количество гидроксипролина невелико, совсем отсутствует гидроксилизин, однако много в его составе валина. По механическим свойствам эластин отличается от коллагена высокими растяжимостью и эластичностью. Процент «сшивок» в молекуле данного белка исключительно высок, встречаются и многокомпонентные «сшивки» в виде узлов, как, например, в случае образования производных десмозина (рис. 5). Эластин преобладает в тканях, подвергающихся периодическому «растяжению – сокращению»: крупные кровеносные сосуды, связки, легкие. В связи с этим среди волокнистых структур пульпы этот протеин практически отсутствует, однако он имеется в тканях пародонта.
Рис. 5. Внутримолекулярная окислительная конденсация в эластине, приводящая к образованию десмозина.
Протеогликаны состоят из углеводного и белкового компонентов. Первый представлен гликозамингликанами – линейными полисахаридами, построенными из повторяющихся дисахаридов. Важнейшими из них являются:
а) Гиалуроновая кислота, состоящая из дисахаридных фрагментов, соединенных b-1,4-гликозидными связями. В свою очередь в состав фрагмента входят D-глюкуроновая кислота и N-ацетил-D-глюкозамин, связанные b-1,3-гликозидными связями. Молекулярная масса гиалуроновой кислоты равняется 105-107 Да. Растворы ее обладают высокой вязкостью за счет ее большой способности связывать воду (1 г может связать 0,5 л воды), поэтому они участвуют в регуляции проницаемости соединительной ткани, обеспечивая ее защиту от действия болезнетворных бактерий.
б) Хондроитин-сульфаты, отличающиеся от гиалуроновой кислоты тем, что в них N-ацетил-D-глюкозамин заменен на сульфатированный (в 4 или 6 положении) N-ацетил-D-галактозамин. Мr=10-60 кДа.
Поскольку гликозамингликаны в организме человека в чистом виде не встречаются, а всегда связаны с белком, то пептидный компонент протеогликанов синтезируется на полирибосомах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом: пептидная цепь пронизывает мембрану и наращивается в сторону полости эндоплазматической сети, где начинается синтез углеводной части протеогликанов. Гликозамингликаны связываются с белком через гидроксильные группы серина. Здесь же в полости ретикулума происходит и сульфатирование углеводного компонента. В процессе синтеза вновь образованные молекулы перемещаются к аппарату Гольджи, где они включаются в секреторные гранулы и происходит экзоцитоз в составе этих гранул.
К одной полипетидной цепи последовательно прикрепляются цепи хондроитинсульфатов, образуя фигуру, напоминающую щеточку («ершик») (рис. 6).
Рис. 6. Строение протеогликана: 1 – полипептидная цепь; 2 – молекулы хондроитинсульфатов.
В межклеточном веществе протеогликаны образуют комплексы, в составе которых к молекуле гиалуроновой кислоты прикреплены полюсами хондроитинсульфатные протеогликановые единицы, образуя ствол с разветвленными ветвями или щетку, состоящую из малых щеточек (рис. 7).
Рис. 7. Фрагмент комплекса гиалуроновой кислоты с протеогликанами: 1– хондроитинсульфатные протеогликаны; 2 – молекула гиалуроновй кислоты.
Одноименные заряды сульфатированных цепей протеогликанов и гидратация обусловливают их взаимооталкивание. Поэтому комплексы занимают максимально возможное пространство. По тем же причинам комплексы отталкиваются друг от друга и их общий объем оказывается значительно большим, чем объем собственно молекул, если бы они были плотно уложены в пространстве.
При увеличении внешнего давления молекулы сближаются, выжимая воду из межмолекулярных промежутков, по прекращении давления восстанавливаются исходные расстояния. Это обеспечивает всей совокупности описываемых комплексов в матриксе роль амортизаторов.
Связанная гликозаминогликанами вода представляет собой гель, который ограничивает диффузию и проницаемость межклеточного вещества. Проницаемость и соответственно диффузия повышаются при разрушении гиалуроновой кислоты гиалуронидазой. Этот фермент выделяют некоторые микроорганизмы, и он рассматривается как фактор агрессии, дающий способность патогенным микроорганизмам распространяться в тканях (возбудители газовой гангрены, гнойных инфекций).
Способность гликозаминогликанов как поливалентных анионов связывать большие количества ионов натрия определяет их участие в водно-солевом обмене.
Важную роль в структурной организации межклеточного матрикса играют неколлагеновые структурные гликопротеины, из которых детальнее изучен фибронектин, упомянутый нами в разделе 1.3. Кроме того, этот белок участвует в объединении между собой неклеточных структур основного вещества и клеток, погруженных в него. Фибронектин синтезируется и выделяется в межклеточное пространство многими клетками. Он находится на поверхности плазматических мембран, в базальных мембранах, глубине межклеточного вещества соединительной ткани и плазме крови. Его роль как фактора, объединяющего (наряду с другими менее изученными белками) компоненты межклеточного матрикса в единую систему (ткань), обеспечивается своеобразной структурой. Молекула фибронектина включает в себя две почти одинаковые пептидные цепи, соединяющиеся вблизи С-конца дисульфидными связями. Каждая цепь содержит 7-8 доменов, между которыми находятся неструктурированные гибкие участки. Молекула фибронектина располагает специфическими центрами связывания для некоторых компонентов плазматической мембраны (ганглиозидов и сиалопротеидов), для коллагена, гиалуроновой кислоты и сульфированных гликозаминогликанов. Это дает возможность фибронектину связывать в одну систему клетки и неклеточные компоненты матрикса. Нековалентные связи закрепляются благодаря наличию у молекулы фибронектина центра связывания для трансглутаминазы. Этот энзим катализирует реакцию между остатками глутамина и лизина в разных белках, соединяя их между собой. Так происходит сшивка молекул фибронектина друг с другом, коллагеном и другими неклеточными элементами матрикса или плазматических мембран.
Таким образом, межклеточный матрикс пульпы выполняет разнообразные функции: влияет на распространение инфекционного процесса в ткани, обменные реакции в клетках, устойчивость кристаллоидов, на рецепцию гормонов, витаминов и других веществ, участвующих в обмене. Метаболизм в клетках и волокнах пульпы проходит через основное вещество. Для того чтобы проникнуть из кровеносных сосудов в клетки, питательные вещества проходят через основное вещество, предварительно растворяясь в нем. Точно также соединения, выделенные клеткой, должны пройти через основное вещество, чтобы попасть в концевые сосуды. Таким образом обменная роль основного вещества влияет на жизнеспособность пульпы.
1.5. ПАРОДОНТ
Пародонт объединяет комплекс тканей, имеющих генетическую и функциональную общность: периодонт, кость альвеолы, цемент корня зуба, десна с надкостницей и зубодесневое соединение.
Десна делится на свободную и прикрепленную, которая неподвижно соединена с подлежащими тканями за счет соединения волокон собственной оболочки с надкостницей альвеолярных отростков челюстей. У шейки зуба в нее вплетаются волокна циркулярной связки зуба, которая вместе с другими волокнами образует толстую мембрану, предназначенную для защиты периодонта от механических повреждений. Свободная десна прилежит к поверхности зуба, отделяясь от нее десневой бороздкой, которая заполнена десневой жидкостью (см. раздел 2.2.). Основную массу ткани десны составляют коллагеновые волокна, но кроме них обнаруживаются ретикулярные и эластические волокна. Десна хорошо иннервирована и содержит различные виды нервных окончаний.
Периодонт построен двумя видами соединительной ткани (плотной волокнистой и рыхлой неоформленной), постоянно подвергается воздействию внешних средовых и внутренних факторов и несмотря на большие перегрузки повреждения не происходит. Это свидетельствует о больших адаптационных возможностях периодонта. Он обладает следующими функциями: барьерной, трофической, рефлекторной регуляции жевательного давления, пластической, амортизирующей, опорно-фиксирующей.
Возрастные изменения тканей пародонта. Инволютивные изменения десны сводятся к следующему: склонность к гиперкератозу, истончение базального слоя, атрофия эпителиальных клеток, гомогенизация волокон субэпителиального слоя десны, снижение числа капилляров, расширение и утолщение стенки сосудов, уменьшение количества коллагена, исчезновение гликогена в клетках шиповидного слоя, уменьшение уровня лизоцима в тканях десны, дегидратация их. Большую роль в старении тканей играют изменения сосудов, коллагена, активности ферментов, иммунобиологической реактивности, когда процессы распада клеток начинают преобладать над процессами их восстановления.
В костной ткани отмечается уменьшение прободающих волокон цемента, усиление гиалиноза, увеличение активности и количества протеолитических энзимов, расширение костномозговых пространств, утолщение кортикальной пластины, расширение каналов остеонов и заполнение их жировой тканью. Разрушение костной ткани с возрастом может быть связано со снижением анаболического действия половых гормонов при относительном преобладании глюкокортикостероидов.
Инволютивные сдвиги в периодонте характеризуются исчезновением волокон промежуточного сплетения, деструкцией части коллагеновых волокон, уменьшением числа клеточных элементов.
Описанные выше особенности строения и возрастные изменения позволят врачам более точно и своевременно диагностировать поражения пародонта. На биохимических сдвигах при его патологии мы остановимся в 4 разделе.