Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

Відбуваються також структурні зміни колагену. У тропоколагенових субодиницях і між ними утворюється все більше поперечних зв’язків, що робить фібрили колагену в сполучній тканині більш твердими і ламкими. Це змінює механічні властивості хрящів і сухожиль, робить більш ламкими кості, знижує прозорість рогівки ока.

Особливості складу кісток

Кісткова тканина відповідно до своєї біологічної функції відрізняється міцністю і щільністю. Ці властивості основані на високому вмісті мінеральних речовин у кістковій тканині. Водночас кістки еластичні, що обумовлено їх органічними складовими частинами — як і всі складові елементи організму, вони перебувають у постійній перебудові, причому органічні й неорганічні речовини увесь час синтезуються і руйнуються.

Кісткова тканина складається з таких елементів:

—неорганічні речовини (кристаліти);

—органічна (основна) речовина — матрикс;

—клітинні елементи.

Склад кісток значно варіює. Він залежить від віку і відмінностей між окремими кістками. Навіть склад однієї кістки неоднаковий у спонгіозній або компактній її частинах. У середньому кісткова тканина має склад, наведений у табл. 18.1.

Мінеральні речовини кістки становлять близько 1/4 об’єму кістки і містять кальцій, фосфор, карбонат, цитрат, магній, натрій, калій та інші йони. Решта — це органічні компоненти й вода. Однак внаслідок різної питомої ваги органічних і неорганічних компонентів на частку нерозчинних мінералів (див. табл. 18.1) припадає половина маси кістки.

Основними компонентами мінеральних речовин кістки є кальцій і фосфор. Усього в організмі дорослої людини міститься: 1–2 кг кальцію (у кістках і зубах — близько 99 %), 1 кг фосфору (у кістках і зубах — 75 %). Кальцій і фосфор у кістковій тканині становлять основу гідроксіапа-

титу — Са10(РО4)6(ОН)2. Ці кристали мають певну форму: ширина від 20 до 50 Å, довжина — до

500 Å.

Кристали кістки мають три іонообмінні зони: внутрішню, зовнішню й гідратну оболонки. Найважче доступна для іонного обміну внутрішня зона. Обмін іонів у зовнішній зоні кристалів відбувається швидше. Практично будь-який іон може проникнути через гідратну оболонку в зовнішню зону, але тільки деякі з них там концентруються, причому частина з них може потрапити у внутрішню зону. Кристали гідроксіапатиту становлять лише частину мінеральної фази кістки, решта представлена аморфним (некристалічним) фосфатом кальцію. Цей мінерал в аморфному стані сприяє початку кальцифікації. Аморфний фосфат кальцію переважає в ранньому віці, у зрілому ж у кістках переважає гідроксіапатит.

Вміст цитрату в кістковій тканині становить близько 1 %. Кістки служать своєрідним депо лимонної кислоти в організмі. До 90 % усіх цитратів організму утримується саме в кістках (головним чином у формі натрієвої солі). Лимонна кислота,

з’єднуючись із кальцієм, утворює його транс-

портну форму. В умовах авітамінозу D3 знижується кількість цитрату в кістках і крові, але зростає виділення його з сечею. Тому при рахіті

рекомендується призначати дітям вітамін D3 разом iз лимонною кислотою. Певну роль в обміні кісткової тканини виконує молочна кислота, сприяючи резорбції кістки. Кісткова тканина містить іони натрію, які, імовірно, адсорбуються на поверхні кристалів, а не є інтегральною частиною кристалічної структури.

Нині відомо більше 30 остеотропних мікроелементів: фтор, стронцій, мідь, цинк, барій, берилій, кремній та ін. Ці мікроелементи можуть впливати на активність ферментів, брати участь у звапнуванні кістки і її декальцифікації. Так, фтор і стронцій входять до складу відповідно фторапатиту і стронцієвого апатиту, які істотно відрізняються за властивостями від гідроксіапатиту. При надлишковому надходженні в організм берилію, алюмінію, марганцю або стронцію розвиваються відповідно «берилієвий», «алюмінієвий», «марганцевий», «стронцієвий» рахіти, які не лікуються вітаміном D.

Органічна речовина кістки становить близько 3/4 її об’єму, за складом нагадує хрящ, надає пружності кістці. Органічна речовина кісткової тканини складається приблизно на 95 % із колагену, кислих і нейтральних мукополісахаридів, які розташовуються між кристалами. Колагенові білки становлять 90–96 % усіх білків твердих тканин і дентину зуба. Особливості амінокислотного складу колагенових білків: близько 20–30 % гліцину, близько 25 % сумарного вмісту проліну

згідроксипроліном, наявність гідроксилізину, незначна кількість сірковмісних амінокислот. Колаген кістки, на відміну від колагену м’яких тканин, містить більше гідроксилізину і менше лізину. Колагенові білки відіграють роль матриці при мінералізації та утворенні кристалів гідроксіапатиту. При цьому важливе значення

мають фосфогідроксіамінокислоти, насамперед фосфосерин. Фосфати можуть зв’язувати ε -амі-

ногрупи лізину фосфамідним зв’язком з утворенням фосфолізину.

Неколагенові білки кісткової тканини становлять 4–10 % від загального білка кістки. До цих білків належать альбумін, глікопротеїни і сіалопротеїни. Альбумін кістки утворює головну масу неколагенових білків кісткової тканини, за властивостями він близький до сироваткового альбуміну. Роль альбумінів кістки, як і інших неколагенових білків цієї тканини, вивчена недостатньо. Вважають, що неколагенові білки визначають імунологічні властивості кісткової тканини.

Глікопротеїни відрізняються від інших вугле- водно-білкових сполук природою вуглеводних груп. Вони не мають регулярно повторюваних дисахаридних структур, подібно до глікозаміногліканів містять невелику кількість моносахаридних залишків, включають широкий спектр цукрів: глюкозу, галактозу, глюкозамін, галактозамін, фукозу, сіалову кислоту (специфічний компонент глікопротеїнів).

Сіалопротеїни кістки містять велику кількість сіалової кислоти, галактозаміну, фосфату й інших компонентів. Ці сполуки виділені лише з кістки й дентину.

Клітинними елементами кісткової тканини є остеобласти, остеоцити й остеокласти, які розташовуються серед міжклітинної речовини. Відмінна риса остеобластів — значний розвиток ендоплазматичного ретикулума і пластинчастого комплексу, що характерно для клітин, інтенсивно секретуючих біологічно активні речовини. Остеобласти мають потужний апарат білкового синтезу. У цитоплазмі остеобластів синтезуються молекули тропоколагену, які швидко переходять у проміжну речовину, де відбувається утворення фібрил. Крім колагену, в остеобластах синтезуються глікозаміноглікани і протеоглікани.

Остеоцити за структурною організацією багато в чому подібні до остеобластів. Вони беруть участь в обміні мінеральних і органічних компонентів між кістковим матриксом і міжклітинною рідиною.

Встановлено, що обмін речовин у кістках досить інтенсивний. Так, у кістковій тканині щодня оновлюється від 10 до 20 % мінеральних речовин: із кісток скелета втрачається й у них повертається близько 700–800 мг кальцію. Тому дорослим людям рекомендується щодня вживати з їжею близько 800 мг кальцію, вагітним і жінкам, що годують грудьми, підліткам — до 1200 мг кальцію на день.

Мінеральна частина кісткової тканини являє собою величезну поверхню, що перебуває в постійному контакті з міжклітинною рідиною. Тому іони кальцію й фосфору можуть легко вступати в обмінні реакції з органічними компонентами міжклітинної рідини й брати участь у підтримці нормальної концентрації іонів крові. Досліди з міченим гліцином свідчать про повільний обмін колагену в кістковій тканині. Глікоген у кістковій тканині становить усього 5–8 мг на 100 г тканини. Глікогеноліз, гліколіз і цикл Кребса в кістках є, подібно до інших тканин, джерелом енергії.

Крім цього, у процесі розпаду глікогену утворюються фосфорні ефіри, що є джерелом неорганічного фосфату в процесі мінералізації кісткової тканини. У кістковій тканині інтенсивно перебігає анаеробний гліколіз.

Біохімічні механізми мінералізації кісток

Для новоутворення кістки необхідні синтез органічної субстанції, колагенових фібрил і їхня мінералізація. У всіх цих процесах остеобластам належить вирішальна роль. Вони синтезують глікозаміноглікани, а також розчинний проколаген, з якого утворюються нерозчинні фібрили. Існує кілька теорій мінералізації кісток і зубів. Складність харчування полягає, насамперед, у тому, що при фізіологічних умовах мінералізація відбувається тільки в кістках і зубах, хоча багато хімічних компонентів, що входять до складу цих тканин, утримуються й в інших немінералізованих тканинах.

Провідна роль у кальцифікації належить лужній фосфатазі, під її впливом у кістковій тканині з органічних фосфорних сполук вивільняється неорганічний фосфат, у результаті чого створюється концентрація перенасичення і в осад випадає фосфат кальцію. Однак лужна фосфатаза розщеплює органічні фосфати й в інших тканинах, але кальцифікація в них не відбувається, тобто не одна лужна фосфатаза є провідним фактором, що бере участь у мінералізації.

Ферментативний механізм, залучений до процесу осифікації, значно складніший, ніж простий гідроліз фосфорних ефірів; у ньому беруть участь й інші ферменти. З огляду на те, що глікоген, який міститься в гіпертрофованому хрящі, у період осифікації зникає, було зроблено припущення, що глікоген за участю фосфорилази розщеплюється до гексозофосфату. Останній за участю фосфатази розщеплюється з утворенням неорганічного фосфату. Участь глікогену й ферментів гліколізу в процесах мінералізації не викликає сумніву, однак ця теорія не розкриває механізму мінералізації солей у кальцифікуючих тканинах.

Концентрація фосфату в ділянках функціонування цих ферментів підвищується, досягаючи рівня, при якому починається його мимовільне осадження, що приводить до кристалізації.

Відповідно до іншої групи теорій, кристалізацію ініціюють компоненти органічного матриксу тканин. Висловлювалося кілька припущень, який саме органічний компонент матриксу відповідальний за виникнення центрів кристалізації та яким є механізм їхнього утворення. Вивчення функції колагену в процесах мінералізації дозволило припустити, що колаген може ініціювати утворення апатитових кристалів на макромолекулах колагенових фібрил.

Прихильники іншої теорії провідну роль у мінералізації відводили вільному або зв’язаному з білками хондроїтинсульфату. Підтвердженням важливої ролі хондроїтинсульфатів в осифікації були дані, на яких і будувалася ця теорія: хондроїтинсульфати інтенсивно секретуються в зоні мінералізації; блокаду кальцифікації спричиню-

м’яких тканин. Припинення або уповільнення росту кісток є раннім проявом дефіциту вітаміну А. Очевидно, це явище зумовлене порушенням синтезу хондроїтинсульфату, що може бути по-

в’язане з відсутністю аденозинфосфосульфату (необхідний для синтезу хондроїтинсульфату) і сульфатазною активністю в лізосомах. Раннє порушення росту кісток черепа призводить до ушкодження тканин центральної нервової системи, оскільки ці тканини продовжують рости після припинення росту кісток. При надходженні в організм надлишкових, але не летальних доз вітаміну А в дітей розвивається резорбція кісток, що може бути причиною множинних переломів довгих кісток або їхньої деформації. Імовірно, це обумовлено деполімеризацією і гідролізом хондроїтинсульфату, що входить до складу хряща.

При авітамінозі Е патологічні зміни в кістках порожнини рота нагадують парадонтит із порушенням синтезу колагену в альвеолярному відростку.

Вітамін С також має істотне значення для розвитку кісток і зубів — при його дефіциті мезенхімальні клітини не виробляють нормальний колаген, тому що вітамін С необхідний для гідроксилювання проліну і лізину. Це призводить до ослаблення процесу кальцифікації, тобто остеомаляції. Остеопороз — порушення утворення колагену в остеобластах, що також супроводжує гіповітаміноз С. Ріст скелета затримується

вумовах будь-якої недостатності, у тому числі й при недостатній калорійності їжі, недостатній кількості білків, вуглеводів, жирів та інших компонентів. Однак тільки при дефіциті Са, неорганічного фосфату, вітамінів А, D і С спостерігаються характерні ураження кісток, відмінні від спостережуваних при виснаженні.

Соматотропний гормон (СТГ) впливає на ріст і розвиток кісток та інших тканин. Такі захворювання, як акромегалія, гіпофізарний нанізм безпосередньо пов’язані з порушенням балансу цього гормону в організмі. Його вплив на ріст кісток пов’язаний не стільки з обміном кальцію, скільки з анаболічною дією цього гормону на білковий обмін, що веде до збільшення білкового каркаса кісток.

На процес мінералізації кісток впливає паратгормон. При надлишковому його утворенні підвищується кількість кальцію і неорганічного фосфату в крові. Клітинами-мішенями цього гормону є клітини кісткової тканини та нирок. На ці клітини він діє через цАМФ і протеїнкінази. Молекулярні механізми впливу паратгормону на фосфорно-кальцієвий обмін такі: паратгормон знижує в кісткових клітинах активність ферменту ізоцитратдегідрогенази, що пригнічує активність ферменту лужної фосфатази. Пригнічення паратгормоном активності ізоцитратдегідрогенази сприяє підвищенню концентрації ізоцитрату і цитрату. Це спричинює пригнічення функції лужної фосфатази, тому що оптимум її дії проявляється при рН=9. Зменшення кількості фосфорної кислоти приводить до того, що кальцій з’єднується з цитратом з утворенням цитра-

ту кальцію. Ця сіль добре розчинна у воді, легко дифундує з кісткових клітин у кров, де розщеплюється на цитрат й кальцій. Отже, змінюючи активність лужної фосфатази та ізоцитратдегідрогенази, паратгормон регулює кількість кальцію і фосфору в кістковій тканині, крові та зубах. Крім цього, паратгормон ослаблює реабсорбцію фосфору в ниркових канальцях і цим сприяє виведенню надлишку фосфору. Паратгормон підвищує реабсорбцію кальцію в ниркових канальцях, що сприяє збереженню в крові концентрації іонів кальцію. Регулятором продукції та секреції паратгормону є концентрація Са2+ у крові. Зниження її приводить до стимуляції синтезу і вивільнення гормону, а збільшення має зворотні ефекти. При гіперпродукції паратгормону в крові підвищується вміст кальцію і знижується концентрація фосфору. При тривалому гіперпаратиреоїдизмі починає руйнуватися не тільки основна речовина кістки, а й колаген кісток, у сечі виявляється багато гідроксипроліну і пептидів, що містять гідроксипролін.

У регуляції фосфорно-кальцієвого обміну бере участь гормон щитоподібної залози тиреокальцитонін. Він є функціональним антагоністом паратгормону. В остеоцитах тиреокальцитонін інгібує ферменти, що руйнують кісткову тканину, тим самим сприяючи зниженню концентрації кальцію в крові й затримці його в кістковій тканині. Крім цього, тиреокальцитонін сприяє виведенню фосфору з сечею, тобто діє як синергіст паратгормону. Отже, тиреокальцитонін сприяє гіпокальціємії та гіпофосфатемії. Його дія здійснюється через цАМФ і протеїнкінази. Регуляція синтезу й вивільнення тиреокальцитоніну зумовлені концентрацією кальцію в крові: її підвищення стимулює синтез і секрецію гормону, а знижена концентрація кальцію інгібує ці процеси.

Глюкокортикоїди також впливають на мінералізацію кісткової тканини. Під впливом надлишку цих гормонів відбувається пригнічення біосинтезу колагену і сульфатованих глікозаміногліканів. Можливо, мукополісахариди під впливом глюкокортикоїдів втрачають специфічні властивості зв’язувати іони кальцію.

Естрогени інгібують утворення лактату, що сприяє збільшенню мінералізації кісток і зубів внаслідок підвищення рН.

18.4. БІОХІМІЯ НЕРВОВОЇ ТКАНИНИ. ПАТОБІОХІМІЯ ПСИХІЧНИХ ПОРУШЕНЬ

Нервова тканина складається з трьох клітинних елементів: нейронів (нервових клітин) в головному і спинному мозку; нейроглії — системи клітин; мезенхімальних елементів, що включають мікроглію (клітини Гортега). Основна маса головного мозку — це перші два типи клітинних елементів. Нейрони зосереджені в сірій речовині (60–65 % від речовини головного мозку), тоді як біла речовина ЦНС і периферичні нерви утворю-

ються переважно з елементів нейроглії та їх похідного мієліну.

Нейрон складається з тіла клітини, численних розгалужених коротких відростків — дендритів і одного довгого відростка — аксона, довжина якого може сягати кількох десятків сантиметрів. Тіло нейрона обмежене плазматичною мембраною — плазмолемою.

Нервові волокна, утворені з волокон нервових клітин (аксони), можуть бути поділені на два типи: м’якушеві (мієлінові) і безм’якушеві (бідні на мієлін). Мієлінові волокна функціонально більш досконалі, оскільки здатні з високою швидкістю передавати нервові імпульси. Мієлінова речовина — поняття суто морфологічне. Мієлін — це система, утворена мембранами, що багаторазово нашаровуються, клітин нейроглії навколо аксонів (наприклад, у периферичних нервових стовбурах нейроглія представлена лемоцитами, або шваннівськими клітинами, а в білій речовині ЦНС — астроцитами макроглії). За хімічним складом мієлін — білково-ліпідний комплекс. На частку ліпідів у ньому припадає близько 80 % щільного залишку; 90 % усіх ліпідів мієліну представлено холестеролом, фосфоліпідами, цереброзидами.

Ділянки контакту між послідовно розташованими нейронами називаються синапсом. Синапс можна уявити як вузький простір — це щілина, обмежена з однієї сторони пресинаптичною мембраною, що належить пресинаптичному нервовому закінченню, з іншої — постсинаптичною мембраною, що належить постсинаптичному нервовому закінченню і має рецептори нейромедіатора. Мітохондрії виробляють АТФ, необхідний для концентрації нейромедіатора в секреторних везикулах, а також для зворотного всмоктування нейромедіатора у синаптичну щілину. Подібним чином побудовані нервово-м’язові синапси, але вони мають складнішу будову мембранного комплексу.

Особливості хімічного складу нервової системи

Сіра речовина головного мозку представлена

восновному тілами нейронів, а біла речовина — аксонами. Через це існують кількісні відмінності

вхімічному складі сірої та білої речовин головного мозку. Вміст води в сірій речовині головного мозку значно більший, ніж у білій (приблизно 84 % у сірій речовині й приблизно 70 % — у білій на сиру масу тканини). У сірій речовині білки становлять половину щільного залишку, а у білій — 1/3. На частку ліпідів у білій речовині припадає більше 50 % сухого залишку, а в сірій

— близько 1/3.

Білки нервової тканини

Вміст білків у сірій речовині головного мозку становить близько 50 % у перерахунку на суху масу, а в білій — близько 33 %. У нервовій тканині містяться як прості, так і складні білки.

Прості білки — альбуміни (нейроальбуміни), глобуліни (нейроглобуліни), гістони, опорні білки (нейросклеропротеїни) та ін. Альбуміни і глобуліни головного мозку трохи відрізняються від аналогічних білків сироватки крові, їх називають нейроальбумінами і нейроглобулінами. У вільному стані вони зустрічаються рідко. Нейроальбуміни є основним білковим компонентом фосфопротеїнів нервової тканини. Нейроглобуліни легко з’єднуються з вуглеводами, ліпідами, нуклеїновими кислотами та іншими небілковими компонентами з утворенням відповідних складних білків.

Нейросклеропротеїни — це структурно-опорні білки (нейроколагени, нейроеластини, нейростроміни та ін.), що становлять 8–10 % від усіх білків нервової тканини. Вони локалізовані переважно в білій речовині головного мозку й у периферичній нервовій системі. До складних білків нервової системи належать нуклеопротеїни, ліпопротеїни, протеоліпіди, фосфопротеїни, глікопротеїни та ін.

Нуклеопротеїни, як і в інших тканинах, — це дезоксирибонуклеопротеїни (ДНП) і рибонуклеопротеїни (РНП).

Ліпопротеїни нервової системи містять як ліпідний компонент здебільшого фосфоліпіди і холестерол. Фосфопротеїни — це складні білки, небілковою частиною яких є залишок фосфорної кислоти, сполучений складноефірним зв’язком із залишком серину. Вміст їх у головному мозку вищий, ніж в інших тканинах (близько 2 % усіх складних білків мозку).

Глікопротеїни становлять від 5 до 85 % вуглеводів у своїй структурі (решта — білок).

Пептиди нервової тканини

У головному мозку різних тварин виявлені специфічні рецептори морфіну. Ці рецептори зосереджені на синаптичних мембранах переважно лімбічної системи, від якої залежить емоційна відповідь. З мозкової тканини були виділені ендогенні пептиди, що імітують при ін’єкції різні ефекти морфіну. Ці пептиди, здатні специфічно зв’язуватися з опіатними рецепторами, дістали назву ендорфінів і енкефалінів. Обидва пептиди є фрагментами β -ліпотропіну — гормону передньої частки гіпофіза. Ендорфіни складаються з 15–30 амінокислотних залишків. Енкефаліни є пентапептидами. Обидва пептиди, як і морфін, мають аналгезуючу дію.

Ліпіди нервової тканини

До групи ліпідів нервової тканини входять фосфоліпіди, холестерин, сфінгомієліни, цереброзиди, гангліозиди і незначна кількість тригліцеридів.

Вміст фосфоліпідів у сірій речовині головного мозку становить 60 % від усіх ліпідів, а в білій речовині — близько 40 %. Навпаки, у білій речовині вміст холестерину, сфінгомієлінів і цереброзидів більший, ніж у сірій речовині. Вміст гангліозидів у головному мозку в 10–100 разів більший, ніж в інших органах. Гангліозиди перебувають