биохимия жидкостей полости рта
DESCRIPTION
биохимия жидкостей полости ртаTRANSCRIPT
Биохимия жидкостей полости ртаК.Э. Герман
Зав. кафедрой естественных и медико‐биологическихнаук ММИ РЕАМИЗ
Слюна является однойиз важнейших
жидкостей организма• В полости рта находится биологическая жидкость,
которая называется смешанной слюной или ротовойжидкостью (в дальнейшем слюна).
• Слюна имеет неорганическую и органическуюсоставляющую (вещества неорганической иорганической природы).
• Неорганическая составляющая слюны представленамакро и микроэлементами, которые могут находитсяв составе различных соединение или вионизированной форме.
Химический состав слюны
Некоторые белковые и небелковыевещества, входящие в состав слюны
НАЗВАНИЕНАЗВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЯКОНЦЕНТРАЦИЯОбщийОбщий белокбелок 1,5 1,5 –– 3,0 3,0 гг//лл
МуцинМуцин 2,5 2,5 ––2,7 2,7 гг//ллЛизоцимЛизоцим 0,18 0,18 гг/ / лл
МочеваяМочевая кислотакислота 0,03 0,03 ––0,17 0,17 мольмоль//ллМочевинаМочевина 1,4 1,4 ––3,0 3,0 мольмоль//ллАммиакАммиак 2,6 2,6 мольмоль//лл
ХолестеринХолестерин 0,08 0,08 –– 0,39 0,39 ммольммоль//ллГлюкозаГлюкоза 0,62 0,62 ––1,56 1,56 ммольммоль//ллЛактатЛактат 20 20 –– 40 40 мгмг//лл
Органические компоненты слюныОрганические компоненты в слюне оставляют 0,8‐6,0 г/л, что в 10‐15 раз меньше, чем в крови. Попадают в смешанную слюну из разных источников: ‐ слюнных желез (на рис.) ‐ клеток слизистой оболочки полости рта‐ десневой бороздки‐ крови‐ клеток микроорганизмовИх количество зависит отсостояния ротовой полостии всего организма в целом.
Органическийсостав слюны
• Смешанная слюна содержит белки, липиды, витамины, гормоны, органические кислоты, небелковые азотистые соединения ‐ мочевину, мочевую кислоту, свободные аминокислоты инуклеиновые кислоты.
• Органические вещества слюны можно условноразделить на 2 группы: белковой и небелковойприроды.
• По данным электрофореза в слюне содержитсядо 500 различных белков, из них 120‐150 называются секреторными.
• Большинство белков слюны являютсягликопротеинами, что обеспечивает вязкостьслюне.
Белки слюны представленыполиморфными группами и единичными
формами:
Полиморфные группы белков:‐ белки, богатые пролином‐ гистатины ‐ белки, богатые гистидином,‐ белки, богатые тирозином(статхерины или стазерины)‐ цистатины‐ муцины‐ ферменты слюны (пероксидазы и др.)Некоторые белки существуют в единичной форме: фактор роста эпителия, фактор роста нервов, лактоферрин и др.
Белки, богатыепролином (ББП)
Выделяются, в основном, с секретомоколоушных слюнных желез.В этих белках пролин, глицин и глутаминсоставляют от 70% до 88% всехаминокислотных остатков. ББП составляют 70% всех белков секрета иподразделяются на кислые, основные игликозилированные.
Кислые белки, богатыепролином (ББП)
- своим отрицательно заряженным концомсвязываются с кальцием, начинают формироватьпелликулу зуба (первыми осаждаются на эмаль)
‐ предотвращают деминерализацию- ингибируют рост кристаллов фосфата кальция вперенасыщенном слюнном секрете
- связывают многочисленные микроорганизмыполости рта
‐ ускоряют образованиезубного налета
Основные белки, богатыепролином
• Основные ББП связывают танин, содержащийся в пищи, тем самым защищаютоболочку полости рта. Танины способныиндуцировать синтез этих белков.
• Основные ББП могут взаимодействовать смембраной стрептококков, нарушать еепроницаемость и вызывать гибельмикроорганизмов.
Гликозилированные белки, богатые пролином
- выступают в роли смазки, покрывая слизистые оболочкиполости рта;
‐ связываются с бактериями иосаждаются на эмали зуба послекислых ББП;
‐ ускоряют образование пелликулызуба и в дальнейшем зубногоналета;
‐ способствуют образованию комкапищи и обеспечивают егопроглатывание.
Гистатины ‐ белкибогатые гистидином (ББГ)
• В них практически отсутствует пролин, многоаргинина и лизина, а содержание гистидинадостигает 25%.
• Они участвуют в защите полости рта, проявляяантивирусное и противогрибковое действие.
• Гистатины проникают внутрь уничтожаемыхклеток и вызывают их гибель.
• Прочно связываясь с гидроксиапатитами эмалиучаствуют в формировании приобретеннойпелликулы зуба (ППЗ).
• Некоторые ББГ ингибируют рост кристалловгидроксиапатитов.
Белки, богатые тирозином– статхерины или стазерины
• Это гликофосфопротеины с высоким содержаниемтирозина. На N‐концах молекул находятсяотрицательные повторы (Асп‐Сер‐Сер‐Глу‐Глу), содержащие фосфорилированные остатки серина, которые связывают кальций.
• Стазерины участвуют в образовании приобретеннойпелликулы зуба (ППЗ), препятствуют чрезмернобыстрому осаждению ионов фосфора и кальция наповерхности эмали, связывая их.
• Совместно с гистатинами они ингибируют рост аэробныхи анаэробных бактерий.
Цистатины ‐ кислыенизкомолекулярные
белкиЦистатины ингибируют лизосомные ферменты, специфически связываясь в активном центре:
‐ цистеиновые (тиоловые) протеазы (катепсины B, H, L) ‐ сериновые протеазы (катепсины А). Есть данные о том, что через ингибирование активностипротеиназ цистатины выполняют антимикробную иантивирусную функцию.
Один из цистатинов присутствует в пелликуле зуба. При снижении рН протеазы могут гидролизовать белкислюны.
Муцины слюны(от анг. mucus –
слизь)• Гликопротеины, в которых много остатковпролина (до 50%), серина, треонина иуглеводных цепей полисахаридов (50-70%).
• Аминокислотные остатки пролина вызываютизгибы полипептидной цепи, к серину итреонину О-гликозидными связами крепятсякороткие полисахаридные цепи.
• В слюне присутствует муцин-1 (Mr 250 кДа) имуцин-2 (Mr 100 кДа).
Муцины выполняютспецифические функции.
• Основные белки, обеспечивающиевязкость слюны. Муцины участвуют вобразовании мицелл слюны, (помогаютструктурировать слюну), благодаряспособности связывать воду.
• Молекулы муцинов вместе с ББПобразуют слизистую пленку (пелликулу), которая защищает клетки ротовой полостиот бактериальных, вирусных, химическихи др. воздействий.
• Выполняют роль смазки не только вполости рта, но и в кишечнике, бронхах.
Молекула муцина• Молекула муциновпохожа на гребенку иможет связыватьбольшое количествомолекул воды.
• На рисунке кполипептидной цепи(сплошная линия) прикрепленыполисахаридныецепочки.
Лактоферрин –железосвязывающий иантибактериальный
белок
• Лактоферрин - гликопротеин, связываетионы железа, необходимые для развитиябактерий, и осуществляет тем самымантибактериальное действие.
• Способен напрямую взаимодействовать слипополисахаридами мембраны Escherihiacoli и вызывать их гибель.
• Лактоферрин играет большую роль вподдержании иммунитета полости ртановорожденных.
Ферменты слюны• В смешанной слюне проявляют активность более
100 ферментов. • В основном ферменты синтезируются слюннымижелезами, часть попадает в слюну из разрушенныхклеток эпителия, бактериальных клеток или изкрови.
• В слюне присутствуют:- гликозидазы- фосфатазы- протеазы (катепсины A, B, H и L)- ДНКазы и РНКазы- ферменты – антиоксиданты и др.
Гликозидазы• К ним относятся пищеварительные
ферменты слюны – сазараза,мальтаза, липаза и a – амилаза(защитное действие).
• a ‐ амилаза слюны гидролизует 1‐ 4 связи в крахмале игликогене пищи, может разрушать полисахариды, входящиев состав мембраны гонококков, проявляя защитное действие.
• Бактериальные ферменты: β ‐ глюкуронидаза, нейраминидаза, гиалуронидаза.
• Закисление слюны способствует активации этих ферментов иразрушению структурных молекул соединительной ткани(зуба) и расщеплению муцинов (β ‐ глюкуронидаза), чтоприводит к развитию гингивита и кариеса.
• Лизоцим ‐ антибактериальный фермент, разрушает стенкибактерий.
Лизоцим – гликозидаза,антибактериальный фермент
Лизоцимы – гликопротеины, молекулярная массасоставляет 15-17 кДа, содержат до 50% углеводныхкомпонентов.
Катализируют реакцию гидролиза 1,4-гликозидныхсвязей между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой в гетерополисахаридахклеточных стенок бактерий и в гликозамингликанах.
ФосфатазыДНКазы и РНКазы
• Кислая фосфатаза оказывает деминерализующиедействие на эмаль зуба, активность ее растет припародонтите и кариесе.
• Катализирует дефосфорилирование белков в кислойсреде. рН оптимум действия фермента 4,5– 5,2.
• Щелочная фосфатаза активна при рН 9,6 – 10, гидролизует фосфатсодержащие соединения.
• ДНКазы и РНКазы разрушают нуклеиновые кислотыбактерий и вирусов.
• Обладают противовирусным,антибактериальным ипротивомикробным действием.
Ферменты – антиоксиданты• Большое количество активных формкислорода (АФК) оказывает губительноедействие на компоненты мембран клетоктканей полости рта.
• Защитным действием обладают ферменты, которые снижают концентрацию свободныхрадикалов.
- супероксиддисмутаза (СОД)- каталаза- глутатионпероксидаза и др.
Слюнными железамисинтезируются
биологически активныевещества (БАВ) слюны:
• Фактор роста эпителия (ФРЭ)• Фактор роста нервов (ФРН)• Паротин• Ренин• Каллекреины катализируют образованиекининов, которые отвечают за расширение
сосудов полости рта.БАВ слюны обладают эндокринной функцией иучаствуют в регуляции гомеостаза многих органов
и тканей организма.
Фактор роста эпителия (ФРЭ)– полипептид, состоящий из 53
аминокислотных остатковМишенями для ФРЭ являются эпителиальные клеткислизистой оболочки полости рта и глотки и др.
Фактор роста эпителия в эпителиальных клеткахслизистой оболочки активирует матричныепроцессы (синтез РНК и белка).
ФРЭ усиливает резорбцию костной ткани и делениеодонтобластов, в то же время он угнетаетдифференцировку одонтобластов, снижает синтез исозревание коллагенa I типа, а также активностьщелочной фосфатазы.
Фактор роста нервов (ФРН) –белок, состоящий из цепей
трех типов – a,β,y
• Синтез и освобождение ФРН регулируетсягормонами и нейромедиаторами. Действуя наклетки-мишени увеличивает образованиеопределенных ферментов, ответственных засинтез нуклеотидов и липидов.
• Оказывая мощное противоспалительное действие, фактор роста нервов стимулирует заживлениеповрежденных тканей ротовой полости.
• ФРН выделяется в слюну, где оказывает своедействие стимулируя митозы фибробластов, синтез нейромедиаторов и др.
Паротин иРенин
• Паротин - белок с Mr 100 Кд, синтезируетсяоколоушными слюнными железами.
• Паротин способствует минерализации твердыхтканей организма, усиливает синтез белка инуклеиновых кислот в одонтобластах иэпителиальных клетках слюнных желез.
• Ренин – оказывает сосудосуживающие действие.• Участвует в регуляции сосудистого тонуса имикроциркуляции крови, превращаяангиотензиноген в ангиотензин.
Иммуноглобулиныслюны - факторы
специфической защиты• В слюне присутствуют все 5 классовиммуноглобулинов, а также секреторный – IgAs, продуцируемый слюнными железами.
• IgAs находится в соединении с S-гликопротеином, который предохраняет его от разрушенияферментами.
• Основной функцией секреторного IgAs в полостирта является подавление прикрепления бактерий наповерхности слизистой оболочки полости рта.
• Т.О. IgAs обладает выраженной бактерицидностью, антивирусным и антитоксическим действием.
Защитные свойства слюны• Защитная функция слюны осуществляетсяблагодаря наличию в ее составе:
- защитных белков (муцинов, ББП, гистатинов, цистатинов, стазеринов, лактофферина и др.)
- лейкоцитов- иммуноглобулинов (IgA,IgЕ,IgD,IgM,IgG иособенно секреторного – IgAs)
- ферментов (лизоцима, супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, ДНКазы иРНКазы, a - амилаза и др.)
Лейкоциты – источник ферментов, оказывающие защитное действие на
ткани пародонтаНаиболее характерные ферменты:- кислая фосфатаза (из лизосом лейкоцитов)- различные гликозидазы- протеиназы (катепсины G и D, коллагеназа, эластаза)
- миелопероксидаза и др.Миелопероксидаза лейкоцитов катализируетреакцию:
H2O2 + Cl− → H2O + OCl−Образующийся в реакции гипохлорит OCl-обладает в десятки раз более сильнымбактерицидным действием, чем пероксидводорода.
Функции белков полости рта
Неорганические вещества слюны вммоль/л (по Т.П. Вавиловой)
Вещество Слюна Плазма крови
Na + 6,6 - 24 130 - 150
K+ 12 - 25 3,6 - 5,0
Cl - 11 - 20 97 - 108
Ca2+ общ 0,75 – 3,0 2,1 – 2,8
Фн 2,2 – 6,5 1,0 – 1,6
Ф общ 3,0 – 7,0 3,0 – 5,0
НСО3- 20 - 60 25
SCN- 0,5 – 1,2 0,1 – 0,2
Сu2+ 0,3 0,1
I- 0,1 0,01
F- 0,001 – 0,15 0,15
Кальций и фосфаты• Содержание ионов кальция в слюненаходится в пределах 0,75 – 3,0 ммоль/л(как в плазме). Кальций может находитьсяв ионизированной (Са2+) или связанной сбелками формах.
• Фосфаты содержатся в слюне в формесвободных ионов гидро- идигидрофосфата, на долю которыхприходится 70 – 95% общего фосфата.Содержание фосфатов в слюне выше, чемв крови.
Мицеллярное строениеслюны
• Слюна перенасыщена ионами кальция ифосфата, однако это не приводит котложению этих минералов наповерхности зуба. Этому препятствуетмицеллярное строение слюны.
• Поддержание нерастворимых солейкальция в псевдорастворенном состояниив составе слюны возможно благодаряформированию коллоидных образований– мицелл.
Строениемицеллы
• Ядром мицелл слюны являетсянерастворимый фосфат кальцияСа3(РО4)2, вокруг которого располагаютсязаряженные ионы кальция, гидро- идигидрофосфатов, а также молекулыбелков, основными из которых являютсямуцины и стазерины (на рисунке ониизображены кругами и овалами).
Функции некоторых ионовслюны
• Ионы Na + и K+ вместе с с другими ионамиопределяют осмотическое давление, буфернуюемкость и устойчивость мицелл слюны.
• Бикарбонаты являются компонентамибуферной системы слюны.
• Ионы фтора попадают в слюну из десневойбороздки, фтор ускоряет процессыреминерализации, обладает ингибирующимдействием на рост бактерий.
Теория развития кариеса• Одна из первых теорий кариеса была выдвинута в
1890 году Миллером. Она известна под названием"химико‐паразитическая" теория. С некоторыми
дополнениями она доминирует и в настоящее время. Согласно этой теории, механизм развития кариесасостоит в том, что микроорганизмы на поверхности
зубов продуцируют органические кислоты, в частности, молочную, которая растворяет минеральные
компоненты зубов.
• Среди других точек зрения можно назватьпротеолитическую теорию, согласно которой ферменты
бактерий растворяют органическую матрицу зубов.
Зубной налет является одной изпричин развития кариеса и зубного
камня
•Зубной налет – структура, образованная приприлипании к пелликуле зуба бактерий и продуктових жизнедеятельности, а также компонентов слюны инеорганических веществ.
•Основными составляющим зубного налета являютсягликопротеины слюны, микроорганизмы, внеклеточные полисахариды, слущенный эпителийслизистой оболочки полости рта.
Образование зубного налета начинаетсяспустя один час после приема пищи: на
приобретенную пелликулу зуба налипаютбактерии.
• На начальных стадиях формирования зубногоналета в нем преобладают аэробныемикроорганизмы, которые разрушаюторганические молекулы до углекислого газа.
• Белки приобретенной пелликулы зуба, наделенные защитными свойствами, используяразличные механизмы ‐ губят микроорганизмыили препятствуют их прилипанию, как например: иммуноглобулин ‐ IgAs.
Процессу созревания зубного налета, сопутствует как смена микрофлоры, так
и ряд биохимических процессов:
1. Смена микрофлоры.
Аэробные микроорганизмы впроцессе уплотнениязубного налета гибнут и насмену им приходятанаэробныемикроорганизмы.
2. Результатом анаэробных процессовявляется закисление рН, (в основном, за счетобразования лактата и других органических
кислот), а также накопление продуктовгниения аминокислот: сероводорода, аммиака, альдегидов, кетонов, фенола, крезола, скатола, которые обладают
неприятным запахом.
3. Растет активность гидролитических ферментов: гликозидаз, которые расщепляют углеводы ипротеиназ, гидролизующих пептидные связи вбелках. Гликозидазы отщепляют углеводные части отгликопротеинов, что приводит к резкому сокращениюрастворимости белков и выпадению их в осадок, а вдальнейшем к гидролизу до аминокислот.
4. Образованные аминокислотыактивно связывают ионы кальция.
Кроме того, они являютсядополнительным субстратом дляобеспечения жизнедеятельностимикроорганизмов и синтеза имивнеклеточных полисахаридов.
5. Высвободившиеся под действиемгликозидаз углеводы, а также остатки
углеводов пищи используютсямикроорганизмами для синтеза липких
полисахаридов ‐ гликанов: декстрана (из глюкозы) и левана (изфруктозы), которые обеспечиваютсклеивание зубного налета, а также
являются внеклеточным депо углеводов длямикроорганизмов.
Структурная формула левана, синтезируется из фруктозы и быстро
гидролизуются леваназой.
Структурная формула декстрана, разветвленный полисахарид,
образованный остатками глюкозы
6. Катаболизм аминокислот приводит кподщелачиванию зубного налета за счет
процессов, сопровождающихсяобразованием аммиака.
Таких как: дезаминирование аминокислот, расщепление мочевины уреазой (источник
лейкоциты), восстановление нитрат‐ и нитрит‐ионов до аммиака под действием
соответствующих редуктаз бактерий. Источникомуреазы в полости рта являются микроорганизмы.
7. В результате подщелачиваниясоздаются оптимальные условия для
функционирования щелочнойфосфатазы, которая высвобождаетфосфат из органических соединений,
что приводит к повышению егоконцентрации.
В результате протекания перечисленныхвыше процессов, в зубном налете могут
реализоваться две диаметральнопротивоположные ситуации:
1. Формируется кислая среда, в которой происходитдеминерализация эмали и развитие кариеса.
2. Формируется щелочная среда и аккумулируютсявысокие концентрации кальция и фосфатов, то естьсоздаются условия для выпадения в осадок солейкальция и образования зубного камня.
Формированию кислой среды слюныспособствует пища, богатая углеводами
• При снижении рН ниже 5,6 слюнаприобретает деминерализующие свойства.
• Понижение рН приводит к протонированиюфосфатных групп поверхностного слоямицеллы.
• HPO‐ + Н+ H2PO4–
• Уменьшается отрицательный зарядмицелл.
• Мицеллы слюны становятся менееустойчивыми, что способствуетрастворению ядра и вымыванию ионовCa2+.
• В кислой среде увеличивается возможностьзамещения ионов кальция в гидроксиапатитахэмали на ионы водорода, растет растворимость
кристаллов гидроксиапатитов, а также повышаетсяактивность кислой фосфатазы – фермента,
способствующего деминерализации.
• Происходит деминерализация эмали и развитиекариеса.
В щелочной среде создаются условиядля минерализации зубного налета
• При повышении рН происходит, наоборот, депротонирование HPO4
2-, в результатеобразуются ионы PO4
3-, связывающиеся сионами кальция и образующиетруднорастворимые соли Са3(PO4)2.
• Образующиеся соли Са3(PO4)2 могутвключаться как в состав ядра мицеллы, таки в состав других соединений, образующихзубной камень.
Образование зубного камня• Факультативные анаэробные бактерии, находящиеся в зубном налете, секретируютконечные продукты обмена азот, аммиак имочевину.
• Аммиак взаимодействует с фосфатнымигруппами, образуя гидрофосфат – анионы, которые связывают кальция и образуют плохорастворимую соль – брушит, дающую началоформированию зубного камня.
• Минерал брушит (CaHPO4∙2H2O) составляет 50% всех видов апатитов зубного камня.
Минералы зубного камня• По мере старения брушита состав егоменяется, образуются соединения болеесложного строения: октокальцийфосфатCa8H2(РО4)6∙5Н2О и гидроксиапатиты.
• В небольших количествах в зубном камнеприсутствуют также карбонатапатит, фторапатит, соли магния (струвит, витлоктит) и другие минералы.
Условиями минерализации зубного налета иобразования зубного камня являются:
• Участие кислотообразующих микроорганизмов;
• Повышение в слюне ионов кальция и фосфатов, вызванное снижением устойчивости мицеллы слюны;
• Размножение микроорганизмов, продуцирующих аммиаки мочевину;
• Повышение содержания в зубном налете метаболитов, погибших бактерий, способных удерживать кальций ифосфаты;
• Участие щелочной фосфатазы, которая повышаетсодержание гидрофосфат – ионов в налете.
Спасибо завнимание !