Новости

Структурная роль минеральных элементов

22.01.2014

Рост животных неразрывно связан с отложением в теле минеральных веществ. Последние входят в состав всех структурных образований организма, но главным образом костной ткани, где они находятся в виде прочных нерастворимых соединений. В костях скелета сосредоточено более 80% неорганических солей организма.
Костная ткань состоит из трех основных компонентов: органической основы, неорганической фракции (костной золы) и воды, между которыми существует тесная структурная связь. В зрелой кости эти компоненты находятся в следующем примерном процентном соотношении: 38 : 32 : 30. Это соотношение зависит от возраста животного, условий его кормления и содержания. Оно неодинаково в разных костях скелета, в разных участках одной кости и даже в разных гистологических структурах. Органическая фракция кости на 95% представлена коллагеном, структура которого типична для волокнистой соединительной ткани. Коллагеновые волокна связаны гелеобразным мукополисахаридом, индентифицированным как хондроитинсульфат.
Кристаллы минерального компонента кости образованы двумя—четырьмя элементарными ячейками гидрооксиапатита, каждая из которых имеет формулу Ca10РО4)6(OH)2. По форме кристаллы представляют собой гексагональные пластинки величиной 350х300х50 ангстрем; их поверхность на 1 г апатита достигает 100—300 м2, в связи с чем общая поверхность микрокристаллов кости необычайно велика (0,7—1,0 км2).
Существовавшее до недавнего времени мнение об инертности кости, ее неспособности к структурным изменениям, в настоящее время благодаря внедрению новых методов исследования сменилось представлением о высокой реактивности и пластичности костной ткани, ее способности к постоянной перестройке. Процесс перестройки (включая новообразование кристаллов на вновь синтезируемом матриксе и резорбции кости) происходит в течение всей жизни животного, однако в большей степени проявляется в скелете молодого растущего организма. С возрастом рост и перестройка костной ткани замедляются, что приводит у взрослых организмов к увеличению доли неактивной и полностью минерализованной костной ткани.
Механизм минерализации костной ткани изучен еще недостаточно, однако имеющиеся сведения позволяют описать его в общих чертах следующим образом. Сначала синтезируется органический матрикс — коллаген, мукополисахариды, белково-углеводные комплексы и АТФ. В этой фазе среда обогащается ионами кальция и фосфата, адсорбированными мукополисахаридами без образования ядер кристаллизации (мукополисахариды обладают повышенным сродством к ионам кальция и фосфата). Перед началом отложения солей в зону минерализации с кровью доставляется кислород, усиливаются процессы окисления и образования АТФ. Повышается активность остеобластов, выделяющих ферменты, которые влияют на основное вещество и на белковоуглеводные комплексы. В коллагеновых волокнах освобождаются реакционноспособные группы — специфически взаиморасположенные боковые аминокислотные цепи, способные служить центрами кристаллизации. Это является следствием деполимеризации части кислых мукополисахаридов, ранее блокировавших реактивные аминогруппы.
Освобождающиеся реактивные группы коллагена взаимодействуют с фосфатами и кальцием, ранее связанными мукополисахаридами, и образуют ядра кристаллизации. Схема метаболических реакций при минерализации кости показана на рисунке 2.3.

Структурная роль минеральных элементов

Дальнейшему осаждению кристаллов способствует то обстоятельство, что нормальная сыворотка недонасыщена по отношению к вторичному фосфату кальция (что исключает его осаждение в сыворотке), но пересыщена по отношению к гидроксиапатиту. В результате этого в присутствии костных кристаллов ионы из жидкой фазы в плотную осаждаются спонтанно. Таким образом, общепринятой в настоящее время является гипотеза эпитаксии, т. е. ориентированного роста кристаллов в центрах кристаллизации при активирующем воздействии коллагеновой матрицы.
Фермент щелочная фосфатаза, согласно этой гипотезе, принимает непосредственное участие в образовании коллагена и способствует переносу иона PО4в3- от эфиров к органическому основанию костной ткани:
Структурная роль минеральных элементов

Содержание щелочной фосфатазы пропорционально активности остеобластов. Высокий ее уровень наблюдается во время интенсивного образования коллагена и перед началом его обызвествления. Кислая фосфатаза, наоборот, сосредоточена в остеокластах и принимает непосредственное участие в процессе резорбции костей.
Отсутствие минерализации в некальцифицируемых хрящах и коллагеносодержащих тканях объясняется либо отсутствием фактора, индуцирующего кальцификацию, либо наличием факторов-ингибиторов. Последними, возможно, являются пирофосфаты и мукополисахариды, гидролизующие соответствующие энзимы (фосфатазы или сульфатазы). Вместе с тем специфическая АТФ-аза, содержащаяся в хряще, ответственна за механизм его обызвествления.
Что касается резорбции кости (т. е. одновременного рассасывания органического и неорганического компонентов), то она наряду с новообразованием костной ткани происходит в течение всей жизни животного.
Особое значение процессы резорбции приобретают у животных в период напряженного минерального обмена (при беременности, лактации, яйцекладке). В этом случае скелет выполняет функцию лабильного депо минеральных веществ, которые расходуются для нужд плода и для образования продукции (молока, шерсти, скорлупы яиц и т. д.).
Поверхность микрокристаллов оксиапатита достигает огромных размеров, и на ней могут происходить реакции замещения ионов кальция или фосфата ионами, содержащимися в жидкостях организма. Поэтому минеральный компонент кости не является чистым оксиапатитом, а содержит примеси карбоната (6%), цитрата (1%). натрия (0,7%), магния (0,7%) и следы фтора.
Значительное содержание в оксиапатите воды свидетельствует о замещении кальция в кристаллической решетке ионами (H3O)-. Кроме того, ионы гидроксония могут вытеснять ионы кальция и с поверхности кристаллов.
Общий состав минерального компонента кости с учетом молярных соотношений всех примесей можно выразить формулой:
Структурная роль минеральных элементов

Согласно Ньюману и Ньюман, в живом организме встречаются те же три механизма перемещения ионов, которые характерны для оксиапатита in vitro: 1) диффузия в гидратный слой, окружающий кристаллы; 2) ионный обмен на поверхности кристаллов; 3) внутрикристаллический обмен. Однако в отличие от условий in vitro в организме эти механизмы находятся под комплексным воздействием физиологических факторов — роста живой ткани, васкуляризации, перестройки и созревания кости, поступления минеральных веществ из кишечника, эндокринных механизмов.
Известно, что костные кристаллы отделены от внеклеточной жидкости несколькими фазами, между которыми обмен ионов происходит с разной скоростью. Внутренняя часть кристалла содержит ионы Ca2+, PO4в3- , OH- и, вероятно, небольшое количество других ионов, как Na+ или CO3в3-. Ионы здесь могут перемещаться только путем перестройки кристаллической сетки или рекристаллизации.
На поверхности кристалла находятся относительно посторонние ионы, удерживаемые в кристаллической решетке электростатическими силами поверхности (Na+, Sr2+, Со3в2_, F-, цитрат3-). Состав гидратационной оболочки, как водной фазы, окружающей кристаллы, отражает одновременно состав поверхности кристалла и внеклеточной жидкости. Последней фазой является внеклеточная жидкость органической матрицы. Наиболее быстро обмен происходит между внеклеточной жидкостью и гидратационной оболочкой, более медленно — между этой оболочкой и поверхностью кристалла, очень медленно — между поверхностью и внутренней частью кристалла.
Благодаря сорбционным механизмам и гетероионному обмену (например, Ca2+⇄Na+) кость представляет собой важный резервуар свободных ионов. Она действует как буферная система в отношении таких электролитов, как Na+, СО3в2-, Mg2+, и участвует в гомеостатической регуляции Ca2+, РО4в3- и величины pH. В костной ткани содержится 98,5% всего кальция, 83% фосфора, до 70% магния и 40% натрия организма. Кроме того, в ней в том или ином количестве находятся более 30 микро- и ультрамикроэлементов. Одни из них входят в состав кристаллической решетки оксиапатита (фтор, цинк), другие (медь, молибден, кобальт) катализируют ферментативные реакции в остеобластах, третьи (марганец, ванадий и др.) принимают участие в энзиматических процессах минерализации коллагеновых фибрилл.
Показано, что процесс синтеза мукополисахаридов при физиологической регенерации сопровождается накоплением ряда микроэлементов (меди, марганца, кремния, алюминия, свинца), которые образуют хелатные комплексы с мукополисахаридами и, по-видимому, играют определенную роль в «созревании» коллагена и его дальнейшей пространственной агрегации. Вместе с тем многие остеотропные элементы, включая естественные радиоактивные элементы, по-видимому, являются: для скелета балластными.
В заключение следует сказать, что нерастворимые или труднорастворимые соединения, содержащие минеральные элементы, входят также в состав волоса, шерсти, перьевого покрова, роговых образований. Относительно формы этих соединений известно немного. Допускается миграция отдельных элементов в системе волос (перо) — кожа — кровь.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: