Медицина

Биохимия тканей зуба и слюны: химический состав, особенности обмена веществ в эмали, дентине, цементе, пульпе, механизмы минерализации, роль Са, Р, F, витаминов и гормонов

БИОХИМИЯ ТКАНЕЙ ЗУБА И СЛЮНЫ: ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ, ОСОБЕННОСТИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ЭМАЛИ, ДЕНТИНЕ, ЦЕМЕНТЕ, ПУЛЬПЕ, МЕХАНИЗМЫ МИНЕРАЛИЗАЦИИ, РОЛЬ СА, Р, F, ВИТАМИНОВ И ГОРМОНОВ. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ПАТОЛОГИЯХ ЗУБОЧЕЛЮСТНОЙ СИСТЕМЫ.

 

Зуб построен из трех рдел кальцифікованої ткани: эмали, дентину и цементу. Полость зуба заполнена пульпой. Пульпа окружена дентином – основной кальцификованою тканью. На выступающей части зуба дентин покрыт эмалью. Погруженные в челюсть коренные зубов покрытые цементом.

Эти составные части зуба отличаются между собой за  химическим составом, особенностями обмена веществ и, соответственно, функциональным назначением. Основными компонентами тканей является вода, органические соединения, неорганические соединения и минеральные компоненты.

Органические компоненты зуба.

         Органические компоненты зуба – это белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины, ферменты, гормоны, органические кислоты.

         Основу органических соединений зуба, несомненно, составляют белки, которые разделяются на растворимые и нерастворимые белки.

Растворимые белки тканей зуба: альбуміни, глобулины, гликопротеины, протеоглікани, ферменты, фосфопротеин. Растворимые (неколлагеновые) белки характеризуются высокой метаболической активностью, выполняют ферментную (каталитическую), защитную, транспортную и ряд других функций. Наивысшее содержание альбумінів и глобулинов - в пульпе. Пульпа является богатой на ферменты гликолиза, цикла трикарбонових кислот, дыхательной цепи, пептозофосфатного пути расщепления углеводов, биосинтеза белка и нуклеиновых кислот. К растворимым белкам-ферментов принадлежат два важных фермента пульпы – щелочная и киснула фосфатаза, которые принимают непосредственное участие в минеральном обмене тканей зуба.

         Щелочная фосфатаза – катализирует перенесение остатков фосфорной кислоты (фосфатных анионов) от фосфорных эфиров глюкозы на органический матрикс. То есть, фермент принимает участие в образовании ядер кристаллизации и, тем самым, способствует минерализации тканей зуба.

         Киснула фосфатаза – имеет противоположный, деминерализирующий эффект. Она принадлежит к лизосомальным кислым гідролаз, которые усиливают растворение  (“рассасывание”) как минеральных так и органических структур тканей зуба. Частичная  резорбция тканей зуба является нормальным физиологичным процессом, но особенно она растет при патологических процессах.    

         Важную группу растворимых белков составляют гликопротеины. Гликопротеины являются белково-углеводными комплексами, которые содержат от 3-5 до нескольких сотен моносахаридных остатков и могут формировать от 1 до 10-15 олігосахаридних цепей. Обычно содержание углеводных компонентов в молекуле гликопротеинов редко перевищуе 30% массы всей молекулы. В состав гликопротеинов входит: глюкоза, галактоза, манноза, фукоза, N-ацетилглюкозамін, N-ацетилнейрамінова (сіалова) кислота, которые не имеют регулярный повтор (дисахаридних единиц). Сиалови кислоты является специфическим компонентом группы гликопротеинов – сіалопротеїнів, содержание которых является особенно высоким в дентине.

         Одним из важных гликопротеинов тканей зуба и костной ткани есть фибронектин. Фибронектин синтезируется клетками и секретируется в межклеточное пространство. Он имеет свойства “липкого“ белка. Связываясь с углеводными группами сіалогліколіпідів на поверхности плазматических мембран, он забеспечує взаимодействую клеток между собой и компонентами межклеточного матрикса. Взаимодействуя с коллагеновыми фибриллами, фибронектин обеспечивает образование перицелюлярного матрикса. Для каждого соединения, с которым он связывается, фибронектин имеет свой, специфический центр связывания.

         Содержание растворимых белков в тканях зуба является меньше в сравнении с содержанием нерастворимых белков. Однако ткани зуба являются исключительно чувствительными к уменьшению содержания именно растворимых белков. В частности, при кариесе, в первую очередь нарушается обмен неколлагеновых белков.

Нерастворимые белки тканей зуба представлены преимущественно двумя белками – это коллаген и специфический белок эмали, который не растворяется в ЕДТА (етилендиамінотетраоцтовій кислоте) и Нсl (соляной кислоте). Благодаря чрезвычайно высокой стойкости, этот белок эмали исполняет роль скелета всей структуры эмали, образовывая каркас – “корону” на поверхности зуба.

Коллаген – особенности строения, роль в минерализации зуба. Коллаген является основным фібрилярним белком соединительной ткани и главным нерастворимым белком в тканях зуба. Его содержание составляет около трети всех белков организма. Больше всего коллагену в сухожилиях, связках, коже (выдублена кожа одежды – это практически 100% коллаген), хрящах, костной ткани и тканях зуба.

Коллаген имеет уникальную структуру, которая получила название коллагеновая спираль, – она является левозакрученной спиралью, которая существенно отличается от структуры -спіралі белков. На один виток коллагеновой спирали приходится 3 аминокислотных остатки (а не 3,6 - как в -спіралі), но шаг спирали является значительно больше (0,9 нм), чем в -спіралі (0,54 нм). То есть, первичная коллагеновая спираль является более вытянутой и менее закрученной. Такая структура предопределяется специфической аминокислотной последовательностью. Каждая третья аминокислота в цепи являются глицином (его содержание составляет 33-35%), 11% составляет содержание аланіну.

Наиболее характерным для коллагена является чрезвычайно высокое содержание пролина и гидроксипролина – 20-21%. Высокое содержание пролина и гидроксипролина – аминокислот, которые препятствуют (перерывают) образованию классической -спіралі, предоставляют цепи коллагена жесткую, выгнутую конформацию. Три спиральных полипептидных цепи плотно обвиваются один вокруг второго и образуют правозакручений шнур – структурную единицу, которая получила назву- тропоколлаген. Стержневидни молекулы тропоколлагена имеют длину 300 нм и диаметр 1,5 нм. Прочность соединения полипептидных цепей в структуре тропоколлагена предопределяется чрезвычайно большим количеством межцепных водородных связей между –С=О×××××H–N– группами и ковалентных связей необычного типа, которые образуются между двумя остатками лизина соседних цепей согласно реакции:

          Стержневидни молекулы тропоколлагена заключаются в микрофибриллы. Микрофибриллы формируют фибриллы, из которых образуются волокна и щепотки волокон коллагена. Структурной особенностью коллагенового волокна является то, что молекулы тропоколлагена, которые заключаются вдоль коллагеновой фибриллы в виде колагеновіх пучков, не связываются между собой в тяжі по принципу “председатель-хвост”. Между концом одной молекулы и началом следующей есть промежуток с периодом 64 нм. Считается, что промежутки играют важную роль в процессе минерализации, они являются первичными центрами откладывания минеральных соединений. Образованные первичные кристаллы становятся ядрами минерализации и откладывания гідроксиапатиту.

         Структура коллагена обусловливает его чрезвычайную прочность на разрыв -  он практически не растягивается. Коллагеновый пучок діаметром 1 мм2 способен выдерживать нагрузка – 100Н (10кг). Стальний провод такого же диаметра может выдержать нагрузку – 93 Н (ньютон)

 Слюна является секретом слюнных желез и важной биологической средой полости рта, а потому ее свойства и химический состав существенно влияют на состояние зубов и слизевой оболочки полости рта.

Слюну выделяют три больших парных железы: околоушные, подъязычные, подчелюстные и мелкие слюнные железы полости рта. Секрет каждой железы имеет свой особенный состав и свойства:

·                                           Околоушные железы – выделяют секрет серозного типа.

·                                           Подчелюстные железы – выделяют секрет серозно-слизистого типа.

·                                           Подъязычные железы – выделяют секрет слизистого типа.

В полости рта слюна смешивается и превращается в ротовую жидкость, в которой кроме собственно слюны как секрета слюнных желез содержится также эпителиальные клетки, лейкоциты, бактерии, остатки еды, и тому подобное.

За сутки в среднем выделяется 1,5-2,0 л. слюны при  общей массе всех желез - 5-6 граммов. Наибольшее количество – 71% выделяют подчелюстные железы, 25% - околоушные мелкие слюнные железы, 3-4% - подъязычные.

Скорость секреции нестимулируемой слюны составляет 0,02-0,10мл/мин.(по другим данным 0,3-0,5мл/мин.). Стимулируемая слюна, которая образуется при действии раздражителя, выделяется со скоростью – 1,5-2,3мл/мин.

Функции слюны.

1. Пищеварительная функция. Слюна является первым пищеварительным соком на пути переваривания пищевых продуктов. Слюна увлажняет, размягчает еду и формирует первичную пищевую грудку. Процесс переваривания еды  сопровождается механическим рпзмельчением и насыщением муцином и гидролитическими ферментами: α-амілазою, мальтазой, трипсиноподобными ферментами, пепсиногеном, нуклеазой, каликреиноподобными липазами. Поэтому еда начинает перевариваться уже в ротовой полости, а растворенные в слюне соединения влияют на вкусовые рецепторы и стимулируют функцию желудочно-кишечного тракта.

2. Минерализирующая функция – участие в образовании и поддержании состава твердого апатита тканей зуба и прежде всего эмали. Снабжение эмали питательными соединениями осуществляется преимущественно за счет компонентов слюны. В слюне содержатся все необходимые факторы минерализации – неорганические и органические соединения, а также гормоны и витамины, которые регулируют этот процесс.

Изменения биохимического состава слюны являются основной причиной заболеваний зубов. В частности при гипосаливации и особенно – ксеростомии (отсутствие слюны) быстро развивается заболевание слизевой оболочки рта, а через 3-5 месяцев наступает множественное поражение зубов кариесом.

3. Защитная функция. Слюна является первым барьером на пути проникновения в организм вредных факторов, а потому содержит мощную ферментативную и иммунную систему защиты, которая включает: защитный фермент - лизоцим, ингибиторы протеиназ, факторы свертывания крови, муцин, систему секреторного иммуноглобулина А, лейкоциты.

4. Буферная функция  - обусловленная наличием фосфатного буфера и белков. Слюна поддерживает слабощелочную реакцию в ротовой жидкости, которая является исключительно важным для оптимального протекания процессов минерализации и реминерализации эмали. Слабощелочная буферная система слюны позволяет успешно противодействовать деминерализирующему влиянию органических кислот (конечно в определенных пределах).

5. Функция выделения – со слюной выделяются конечные продукты азотистого обмена, метаболіти гормонов, минеральные соли, продукты превращения лекарств, токсинов. В частности, важной функцией слюны является выведение из организма роданидов – продуктов обеззараживания (детоксикации) цианидов в тканях (содержание 0,02-0,03г/л). Особенно высоким содержание роданидов является в слюне курильщиков (0,06-0,12г/л).

6. Регуляторная функция – это способность слюны поддерживать гомеостаз полости рта. В составе слюны выделяются гормоны и регуляторные пептиды, которые имеют высокую биологическую активность, в частности гормоны: кортизол, эстрогены, прогестерон, тетростерон, паротин и пепдиды: фактор роста эпителия, фактор роста нервов, белки с высоким родством к Са2+.

Физико-химические свойства слюны.

Смешана слюна – это вязкая жидкость с удельным весом 0,001-0,017. Вязкость слюны зависит от содержания муцина, который является основой слизевых образований и предотвращает повреждение слизевой оболочки рта и пищевода, формирует защитное покрытие зубной пеликулы.

рН слюны колеблется от 6,4 до 7,8 в зависимости от гигиены ротовой полости, характера питания, индивидуальных особенностей метаболизма. Сдвиг рН слюны в кислую сторону (<6,2) приводит к деминерализации эмали и развитию кариеса. Такие условия влекут в частности избыточным развитием ацидофильных бактерий, которые образуют большое количество органических кислот, и рядом заболеваний, которые сопровождаются развитием тканевой гипоксии, – сахарный диабет, разного рода гемофилии, ацидурии.

Оптимальным для процессов минерализации и реминерализации тканей зуба является слабощелочное значение рН слюны – 7,2-7,8.

 Биохимический состав слюны.

Слюна является сложным секретом, в котором содержится 99% воды и 1% растворенных органических и неорганических соединений.

 Таблица. Содержание органических веществ в смешанной слюне человека. 

Компоненты

 

Содержание

Компоненты

Содержание

1

Общий белок

2,0-5,0 граммов/л

10

Остаточный азот

7,7-14,7 ммоль/л

2

Муцин

2,0-3,0 граммов/л

11

3,5- цАМФ

5-50 нмоль/л

3

Амилаза

0,2-0,5 граммов/л

12

Глюкоза

0,05-0,10 ммоль/л

4

Гликопротеины

2,0-2,5 граммов/л

13

Нейраминована кислота

0,01 граммов/л

5

Серомукоид

0,29-0,35 граммов/л

14

Пируват

22,0-45,0 мкмоль/л

6

Лизоцим

0,15-0,25 граммов/л

15

Лактат

0,21-0,44 ммоль/л

7

Иммуноглобулин А

0,3 граммов/л

16

Цитрат

10-104 мкмоль/л

8

Свободные аминокислоты

1,5-2,2 ммоль/л

17

Холестерол

0,025-0,09 граммов/л

9

Мочевина

1,5-2,0 ммоль/л

18

Липидный фосфор

0,015-0,030 граммов/л

 

  Органические компоненты слюны. Среди органических компонентов важнейшими являются белки, содержание которых составляет 2,0 – 5,0 граммов/л. В частности: муцин, гликопротеины, протеогликаны, альбумины,  α-глобулины, b-глобулины,  а также ферменты: лизоцим, амилаза, кислая и щелочная фосфатаза, пероксидаза, аминотрансферазы, лактатдегидрогеназа, и тому подобное. Кроме того, в слюне содержатся углеводы (моно-, дисахариды, гликозаминогликаны), липиды (свободные жирные кислоты, фосфоацилглицеролы, холестерол и его эфиры), небелковые азотистые соединения, витамины, гормоны.

Большую часть белков – 2-3 грамма/л составляет гликопротеин-муцин, который синтезируется в подчелюстных железах и благодаря наличию в его составе до 60% углеводов предоставляет слюне густого слизистого характера. Компонентами является глюкуроновая кислота, N-ацетилглюкозамин, фруктоза, галактоза. Агрегаты муцину образуют сверхмолекулярные комплексы больших размеров, они связывают и удерживают воду, благодаря чему имеют высокую вязкость.

Негативный, полианионний заряд углеводных компонентов в муцине обусловливает их способность адсорбироваться на поверхности гидроксиапатитов зубной эмали и защищать эмаль от  влияния негативных факторов – в частности органических кислот.

В слюне содержится большое количество (до 10% общего содержания белка) фермента α-амілази (0,2- 0,5 граммов/л). 70% α-амілази продуцируется околоушными слюнными железами, остальные 30% - подчелюстными железами. α-Амілаза катализирует гидролиз полисахаридов - гликогена и крахмала к дисахариду (мальтозе) и остаточным олигосахаридам и декстринів. α-Амилаза слюны за свойствами подобная к α-амилазе поджелудочной железы. Активность α-амилазы смешанной  слюны в норме составляет 623±20 международных единиц.

Лизоцим (мурамидаза) слюны – фермент, содержание которого составляет 0,15-0,25 граммов/л, то есть около 5% всех белков слюны. Основным источником является секрет подчелюстных желез, в околоушных железах его содержание меньше. Лизоцим имеет высокие актибактериальные свойства, поскольку разрушает клеточную стенку бактерий. Клетки бактерий покрытых жесткой пористой оболочкой пептидогликановой природы – муреином. Муреин построен из длинных (нитей) цепей полисахаридов, которые состоят из N-ацетилглюкозамину и N-ацетилмурамовой кислоты. Полисахаридные цепи сшиты между собой белковыми (пента- и тетра-пептидними) фрагментами. Клеточная стенка - (муреин) это гигантская мешковидная молекула пептидогликана, что охватывает всю клетку. Лизоцим расщепляет гликозидные связи между N-ацетилглюкозамином и N-ацетил мурамовой кислотой в полисахаридах и клетка погибает.

Среди защитных ферментов слюны следует отметить пероксидазу и каталазу. Различают лактопероксидазу и миелопероксидазу, которые продуцируются соответственно железами или лейкоцитами. Лактопероксидаза слюны за своими свойствами подобная пероксидазе молока. Миелоперосидаза продуцируется лейкоцитами. Оба фермента ингибируют процессы перекисного окисления липидов, перерывая свободнорадикальные реакции, поскольку удаляют гидроперекиси из цепного процесса.

Ферменты: щелочная фосфотаза, которая усиливает процессы реминерализации и кислая фосфотаза, которая имеет деминерализирующее действие, образуются слюнными железами, микроорганизмами и лейкоцитами. Они проникают в эмаль зуба и существенно влияют на процессы минерализации – деминерализации.

Активность протеолитических ферментов в слюне является низкой в результате высокого содержания ингибиторов протеаз в слюне. В частности:

·         железы продуцируют кислотостабильные ингибиторы трипсиноподобных протеиназ (КСИ);

·         из плазмы поступают: α-антитрипсин и α2-макроглобулин;

·         лейкоциты и микроорганизмы также продуцируют ряд ингибиторов.

В смешанной слюне определяют активность больше 100 ферментов. Кроме них, в слюне присутствуют: гиалуронидаза, нуклеаза, уреаза, ферменты   гликолиза, переаминирования, декарбоксилирования, цикла трикарбонових кислот, тканевого дыхания, супероксиддисмутаза, нейраминидаза, холинэстереза и другие. Поэтому исследования нарушений ферментативной активности слюны находят все более широкое приложение в ензимодіагностиці патологических процессов при ряде заболеваний.

  Особенную группу белков слюны представляют иммуноглобулины. Полость рта имеет иммунитет в известной мере независимый от общей иммунной системы организма. Известно 5 классов иммуноглобулинов крови: IgG, IgМ, IgA, IgD, IgE. В сыворотке основным классом иммуноглобулинов является IGG, в слюне преобладает секреторный IGA, который отличается от IGA плазмы крови. Основную массу  его содержания (до 90%) продуцируют околоушные железы.

Две 4-цепных молекулы IGA соединяются в димер с помощью полипептида, так называемого секреторного компонента (S), и образуют функционально активную форму – sIgA. Полный комплекс sIgA  имеет ряд свойств, которые определяют его способность защищать слизевые оболочки от инородных агентов, которые имеют антигенную природу, а именно:

·        высокую стойкость к действию проеиназ;

·        неспособность связывать компоненты комплемента, который обусловливает отсутствие повреждающей действию на слизевые оболочки;

·        способность  передшкоджати  адгезии мікрооганізмів и их токсинов, а также аллергенов, на эпителии и слизевых оболочках, что блокирует их проникновение во внутрішне среду организма.

Антиадгезивные свойства sIgA обусловливают его антибактериальные, антивирусные и антиаллергические свойства. Важной является также его способность активировать систему клеточного комплемента.

Низкомолекулярные органические компоненты слюны включают:

мочевину – 1,5-2,0 ммоль/л

остаточный азот – 7,7-14,7 ммоль/л

аминокислоты – 1,5-2,2 ммоль/л и на порядок меньшие количества глюкозы, лактата, пирувата, тиоцианата, и тому подобное.

В слюне найдены  витамины В, С, РР, А, Д.

Слюнные железы секретируют специфический гормон – паротин. Он снижает уровень Са2+ крови и усиливает его поступление в ткани, тем самым способствует минерализации зубов и костной ткани. Особенную группу соединений слюны составляют стероидные гормоны. Со слюной в ротовую полость выделяются: глюкокортикоиды, половые, тиреоидные гормоны, и тому подобное. Слюна содержит приблизительно 10-15% гормонов от их концентрации в крови. Поэтому определение содержания гормонов в слюне является информативным показателем состояния надпочечников, половых желез и гонадотропной функции гипофиза. 

Слюна содержит ряд белковых факторов свертывания крови и фибринолиза. В слюне обнаружены соединения, которые имеют тромбопластичну и антигепаринову активность, а также естественные антикоагулянты – плазминоген и его активаторы. В смешанной слюне активность факторов свертывания крови и фибринолиза больше в сравнении со слюной проливов, которая свидетельствует о взаимном активирующем влияние всех компонентов смешанной слюны.

При нормальных физиологичных условиях активность прокоагулянта более высока, чем антикоагулянтов. При повреждениях тканей ротовой полости существенно повышается активность фибринолитических ферментов. Это способствует очистке слизевых оболочек от фібринозного налета и продуктов распада (автолиза) белков.

         

Минеральный состав слюны.

 Особенностью слюны является преобладание содержания К+ (в 4-5 раз) и низшее содержание Na+  (в 5-10 раз) по сравнению с их содержанием в плазме крови. Содержание Са2+ в смешанной слюне такой же как в крови – 0,1г/л. Слюна отличается высоким содержанием фосфата, который в 2 разы превышает его содержание в крови и составляет 0,1г/л.

   Таблица. Содержание минеральных элементов в смешанной слюне человека.

 №

Компоненты

Содержание

 Компоненты

Содержание

1

Калий

0,5-0,74 граммов/л

6

Хлор

0,3-0,8 граммов/л

2

Натрий

0,26-0,31 граммов/л

7

Фтор

0,06-1,8 мг/л

3

Кальций

0,048-0,103 граммов/л

8

Медь

16,471,03 мкг%

4

Магний

0,047 граммов/л

9

Цинк

58,583,12 мкг%

5

Фосфор

0,098 граммов/л

10

Никель

16,471,03 мкг%

  

Чрезвычайно важной является роль слюны в поддержании растворимых форм кальций-фосфатних солей в точках кристаллизации.

Специальные пролинзобогащеные белки слюны обеспечивают существование кальциевых фосфатов в коллоидном состоянии в растворах перенасыщенных гидроксиапатитом. Они удерживают ионы Са2+ и препятствуют неконтролированному осаждению кальция из перенасыщенных растворов. Именно благодаря таким белкам слюны, какие богатые на пролин, тирозин и гистидин и имеют высокое родство к гидроксиапатитам, процесс формирования кристаллов носит упорядоченный характер.