Биохимия жидкостей полости ртаК.Э. Герман

Зав. кафедрой естественных и медико-биологических наук ММИ РЕАМИЗ

Слюна является одной из важнейших

жидкостей организма• В полости рта находится биологическая жидкость,

которая называется смешанной слюной или ротовой жидкостью (в дальнейшем слюна).

• Слюна имеет неорганическую и органическую составляющую (вещества неорганической и органической природы).

• Неорганическая составляющая слюны представлена макро и микроэлементами, которые могут находится в составе различных соединение или в ионизированной форме.

Химический состав слюны

Некоторые белковые и небелковые вещества, входящие в состав слюны

НАЗВАНИЕНАЗВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЯКОНЦЕНТРАЦИЯОбщий белокОбщий белок 1,5 – 3,0 г/л 1,5 – 3,0 г/л

МуцинМуцин 2,5 –2,7 г/л 2,5 –2,7 г/л

ЛизоцимЛизоцим 0,18 г/ л 0,18 г/ л

Мочевая кислотаМочевая кислота 0,03 –0,17 моль/л 0,03 –0,17 моль/л

МочевинаМочевина 1,4 –3,0 моль/л 1,4 –3,0 моль/л

АммиакАммиак 2,6 моль/л 2,6 моль/л

ХолестеринХолестерин 0,08 – 0,39 ммоль/л 0,08 – 0,39 ммоль/л

ГлюкозаГлюкоза 0,62 –1,56 ммоль/л 0,62 –1,56 ммоль/л

ЛактатЛактат 20 – 40 мг/л 20 – 40 мг/л

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 полости и всего организма в целом.

Органический состав слюны

• Смешанная слюна содержит белки, липиды, витамины, гормоны, органические кислоты, небелковые азотистые соединения - мочевину, мочевую кислоту, свободные аминокислоты и нуклеиновые кислоты.

• Органические вещества слюны можно условно разделить на 2 группы: белковой и небелковой природы.

• По данным электрофореза в слюне содержится до 500 различных белков, из них 120-150 называются секреторными.

• Большинство белков слюны являются гликопротеинами, что обеспечивает вязкость слюне.

Белки слюны представлены полиморфными 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, богатые пролином (ББП)

Выделяются, в основном, с секретом околоушных слюнных желез.

В этих белках пролин, глицин и глутамин составляют от 70% до 88% всех аминокислотных остатков. ББП составляют 70% всех белков секрета и подразделяются на кислые, основные и гликозилированные.

Кислые белки, богатые пролином (ББП)

- своим отрицательно заряженным концом связываются с кальцием, начинают формировать пелликулу зуба (первыми осаждаются на эмаль)

- предотвращают деминерализацию - ингибируют рост кристаллов фосфата кальция в

перенасыщенном слюнном секрете - связывают многочисленные микроорганизмы

полости рта - ускоряют образование зубного налета

Основные белки, богатые пролином

• Основные ББП связывают танин, содержащийся в пищи, тем самым защищают оболочку полости рта. Танины способны индуцировать синтез этих белков.

• Основные ББП могут взаимодействовать с мембраной стрептококков, нарушать ее проницаемость и вызывать гибель микроорганизмов.

Гликозилированные белки, богатые пролином

- выступают в роли смазки, покрывая слизистые оболочки полости рта;

- связываются с бактериями и осаждаются на эмали зуба после кислых ББП;

- ускоряют образование пелликулы зуба и в дальнейшем зубного налета;

- способствуют образованию комка пищи и обеспечивают его проглатывание.

Гистатины - белки богатые гистидином (ББГ)

• В них практически отсутствует пролин, много аргинина и лизина, а содержание гистидина достигает 25%.

• Они участвуют в защите полости рта, проявляя антивирусное и противогрибковое действие.

• Гистатины проникают внутрь уничтожаемых клеток и вызывают их гибель. • Прочно связываясь с гидроксиапатитами эмали

участвуют в формировании приобретенной пелликулы зуба (ППЗ).

• Некоторые ББГ ингибируют рост кристаллов гидроксиапатитов.

Белки, богатые тирозином – статхерины или стазерины

• Это гликофосфопротеины с высоким содержанием тирозина. На N-концах молекул находятся отрицательные повторы (Асп-Сер-Сер-Глу-Глу), содержащие фосфорилированные остатки серина, которые связывают кальций.

• Стазерины участвуют в образовании приобретенной пелликулы зуба (ППЗ), препятствуют чрезмерно быстрому осаждению ионов фосфора и кальция на поверхности эмали, связывая их.

• Совместно с гистатинами они ингибируют рост аэробных и анаэробных бактерий.

Цистатины - кислые низкомолекулярные

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 активности

протеиназ цистатины выполняют антимикробную и антивирусную функцию.

Один из цистатинов присутствует в пелликуле зуба. При снижении рН протеазы могут гидролизовать белки

слюны.

Муцины слюны (от анг. mucus –

слизь)• Гликопротеины, в которых много остатков

пролина (до 50%), серина, треонина и углеводных цепей полисахаридов (50-70%).

• Аминокислотные остатки пролина вызывают изгибы полипептидной цепи, к серину и треонину О-гликозидными связами крепятся короткие полисахаридные цепи.

• В слюне присутствует муцин-1 (Mr 250 кДа) и муцин-2 (Mr 100 кДа).

Муцины выполняют специфические функции.

• Основные белки, обеспечивающие вязкость слюны. Муцины участвуют в образовании мицелл слюны, (помогают структурировать слюну), благодаря способности связывать воду.

• Молекулы муцинов вместе с ББП образуют слизистую пленку (пелликулу), которая защищает клетки ротовой полости от бактериальных, вирусных, химических и др. воздействий.

• Выполняют роль смазки не только в полости рта, но и в кишечнике, бронхах.

Молекула муцина

• Молекула муцинов похожа на гребенку и может связывать большое количество молекул воды.

• На рисунке к полипептидной цепи (сплошная линия) прикреплены полисахаридные цепочки.

Лактоферрин – железосвязывающий и

антибактериальный белок

• Лактоферрин - гликопротеин, связывает ионы железа, необходимые для развития бактерий, и осуществляет тем самым антибактериальное действие.

• Способен напрямую взаимодействовать с липополисахаридами мембраны Escherihia coli и вызывать их гибель.

• Лактоферрин играет большую роль в поддержании иммунитета полости рта новорожденных.

Ферменты слюны• В смешанной слюне проявляют активность более

100 ферментов. • В основном ферменты синтезируются слюнными

железами, часть попадает в слюну из разрушенных клеток эпителия, бактериальных клеток или из крови.

• 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 и

гликогене пищи, может разрушать полисахариды, входящие в состав мембраны гонококков, проявляя защитное действие.

• Бактериальные ферменты: β - глюкуронидаза, нейраминидаза, гиалуронидаза.

• Закисление слюны способствует активации этих ферментов и разрушению структурных молекул соединительной ткани (зуба) и расщеплению муцинов (β - глюкуронидаза), что приводит к развитию гингивита и кариеса.

• Лизоцим - антибактериальный фермент, разрушает стенки бактерий.

Лизоцим – гликозидаза,антибактериальный фермент

Лизоцимы – гликопротеины, молекулярная масса составляет 15-17 кДа, содержат до 50% углеводных компонентов.

Катализируют реакцию гидролиза 1,4-гликозидных связей между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой в гетерополисахаридах клеточных стенок бактерий и в гликозамингликанах.

Фосфатазы ДНКазы и РНКазы

• Кислая фосфатаза оказывает деминерализующие действие на эмаль зуба, активность ее растет при пародонтите и кариесе.

• Катализирует дефосфорилирование белков в кислой среде. рН оптимум действия фермента 4,5– 5,2.

• Щелочная фосфатаза активна при рН 9,6 – 10, гидролизует фосфатсодержащие соединения.

• ДНКазы и РНКазы разрушают нуклеиновые кислоты бактерий и вирусов.

• Обладают противовирусным,

антибактериальным и

противомикробным действием.

Ферменты – антиоксиданты• Большое количество активных форм

кислорода (АФК) оказывает губительное действие на компоненты мембран клеток тканей полости рта.

• Защитным действием обладают ферменты, которые снижают концентрацию свободных радикалов.

- супероксиддисмутаза (СОД) - каталаза - глутатионпероксидаза и др.

Слюнными железами синтезируются биологически активные вещества (БАВ)

слюны: • Фактор роста эпителия (ФРЭ)• Фактор роста нервов (ФРН)• Паротин• Ренин• Каллекреины катализируют образование кининов, которые отвечают за расширение

сосудов полости рта.БАВ слюны обладают эндокринной

функцией и участвуют в регуляции гомеостаза многих органов и тканей

организма.

Фактор роста эпителия (ФРЭ) – полипептид, состоящий из 53

аминокислотных остатков

Мишенями для ФРЭ являются эпителиальные клетки слизистой оболочки полости рта и глотки и др.

Фактор роста эпителия в эпителиальных клетках слизистой оболочки активирует матричные процессы (синтез РНК и белка).

ФРЭ усиливает резорбцию костной ткани и деление одонтобластов, в то же время он угнетает дифференцировку одонтобластов, снижает синтез и созревание коллагенa I типа, а также активность щелочной фосфатазы.

Фактор роста нервов (ФРН) –белок, состоящий из цепей

трех типов – a,β,y

• Синтез и освобождение ФРН регулируется гормонами и нейромедиаторами. Действуя на клетки-мишени увеличивает образование определенных ферментов, ответственных за синтез нуклеотидов и липидов.

• Оказывая мощное противоспалительное действие, фактор роста нервов стимулирует заживление поврежденных тканей ротовой полости.

• ФРН выделяется в слюну, где оказывает свое действие стимулируя митозы фибробластов, синтез нейромедиаторов и др.

Паротин и Ренин

• Паротин - белок с Mr 100 Кд, синтезируется околоушными слюнными железами.

• Паротин способствует минерализации твердых тканей организма, усиливает синтез белка и нуклеиновых кислот в одонтобластах и эпителиальных клетках слюнных желез.

• Ренин – оказывает сосудосуживающие действие.• Участвует в регуляции сосудистого тонуса и

микроциркуляции крови, превращая ангиотензиноген в ангиотензин.

Иммуноглобулины слюны - факторы

специфической защиты • В слюне присутствуют все 5 классов

иммуноглобулинов, а также секреторный – IgAs, продуцируемый слюнными железами.

• IgAs находится в соединении с S-гликопротеином, который предохраняет его от разрушения ферментами.

• Основной функцией секреторного IgAs в полости рта является подавление прикрепления бактерий на поверхности слизистой оболочки полости рта.

• Т.О. IgAs обладает выраженной бактерицидностью, антивирусным и антитоксическим действием.

Защитные свойства слюны

• Защитная функция слюны осуществляется благодаря наличию в ее составе:

- защитных белков (муцинов, ББП, гистатинов, цистатинов, стазеринов, лактофферина и др.)

- лейкоцитов

- иммуноглобулинов (IgA,IgЕ,IgD,IgM,IgG и особенно секреторного – IgAs)

- ферментов (лизоцима, супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, ДНКазы и РНКазы, 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 катализирует

реакцию:H2O2 + Cl− → H2O + OCl−

Образующийся в реакции гипохлорит OCl- обладает в десятки раз более сильным бактерицидным действием, чем пероксид водорода.

Функции белков полости рта

Неорганические вещества слюны в ммоль/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 слюне находится в пределах 0,75 – 3,0 ммоль/л (как в плазме). Кальций может находиться в ионизированной (Са2+) или связанной с белками формах.

• Фосфаты содержатся в слюне в форме свободных ионов гидро- и дигидрофосфата, на долю которых приходится 70 – 95% общего фосфата. Содержание фосфатов в слюне выше, чем в крови.

Мицеллярное строение слюны

• Слюна перенасыщена ионами кальция и фосфата, однако это не приводит к отложению этих минералов на поверхности зуба. Этому препятствует мицеллярное строение слюны.

• Поддержание нерастворимых солей кальция в псевдорастворенном состоянии в составе слюны возможно благодаря формированию коллоидных образований – мицелл.

Строение мицеллы

• Ядром мицелл слюны является нерастворимый фосфат кальция Са3(РО4)2, вокруг которого располагаются заряженные ионы кальция, гидро- и дигидрофосфатов, а также молекулы белков, основными из которых являются муцины и стазерины (на рисунке они изображены кругами и овалами).

Функции некоторых ионов слюны

• Ионы Na + и K+ вместе с с другими ионами определяют осмотическое давление, буферную емкость и устойчивость мицелл слюны.

• Бикарбонаты являются компонентами буферной системы слюны.

• Ионы фтора попадают в слюну из десневой бороздки, фтор ускоряет процессы реминерализации, обладает ингибирующим действием 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 кариеса

состоит в том, что микроорганизмы на поверхности зубов продуцируют органические кислоты, в частности,

молочную, которая растворяет минеральные компоненты зубов.

• Среди других точек зрения можно назвать протеолитическую теорию, согласно которой ферменты

бактерий растворяют органическую матрицу зубов.

Зубной налет является одной из причин развития кариеса и зубного

камня

•Зубной налет – структура, образованная при прилипании к пелликуле зуба бактерий и продуктов их жизнедеятельности, а также компонентов слюны и неорганических веществ.•Основными составляющим зубного налета являются гликопротеины слюны, микроорганизмы, внеклеточные полисахариды, слущенный эпителий слизистой оболочки полости рта.

Образование зубного налета начинается спустя один час после приема пищи: на

приобретенную пелликулу зуба налипают бактерии.

• На начальных стадиях формирования зубного налета в нем преобладают аэробные микроорганизмы, которые разрушают органические молекулы до углекислого газа.

• Белки приобретенной пелликулы зуба, наделенные защитными свойствами, используя различные механизмы - губят микроорганизмы или 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 в процессе уплотнения зубного налета гибнут и на смену им приходят анаэробные микроорганизмы.

2. Результатом анаэробных процессов является закисление рН, (в основном, за счет образования лактата и других органических

кислот), а также накопление продуктов гниения аминокислот: сероводорода,

аммиака, альдегидов, кетонов, фенола, крезола, скатола, которые обладают

неприятным запахом.

3. Растет активность гидролитических ферментов: гликозидаз, которые расщепляют углеводы и протеиназ, гидролизующих пептидные связи в белках. Гликозидазы отщепляют углеводные части от гликопротеинов, что приводит к резкому сокращению растворимости белков и выпадению их в осадок, а в дальнейшем к гидролизу до аминокислот.

4. Образованные аминокислоты активно связывают ионы кальция.

Кроме того, они являются дополнительным субстратом для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов и синтеза ими внеклеточных полисахаридов.

5. Высвободившиеся под действием гликозидаз углеводы, а также остатки

углеводов пищи используются микроорганизмами для синтеза липких

полисахаридов - гликанов: декстрана (из глюкозы) и левана (из фруктозы), которые обеспечивают

склеивание зубного налета, а также являются внеклеточным депо углеводов для

микроорганизмов.

Структурная формула левана, синтезируется из фруктозы и быстро

гидролизуются леваназой.

Структурная формула декстрана, разветвленный полисахарид,

образованный остатками глюкозы

6. Катаболизм аминокислот приводит к подщелачиванию зубного налета за счет

процессов, сопровождающихся образованием аммиака.

Таких как: дезаминирование аминокислот, расщепление мочевины уреазой (источник

лейкоциты), восстановление нитрат- и нитрит-ионов до аммиака под действием

соответствующих редуктаз бактерий. Источником уреазы в полости рта являются микроорганизмы.

7. В результате подщелачивания создаются оптимальные условия для

функционирования щелочной фосфатазы, которая высвобождает

фосфат из органических соединений, что приводит к повышению его

концентрации.

В результате протекания перечисленных выше процессов, в зубном налете могут

реализоваться две диаметрально противоположные ситуации:

1. Формируется кислая среда, в которой происходит деминерализация эмали и развитие кариеса.

2. Формируется щелочная среда и аккумулируются высокие концентрации кальция и фосфатов, то есть создаются условия для выпадения в осадок солей кальция и образования зубного камня.

Формированию кислой среды слюны способствует пища, богатая углеводами

• При снижении рН ниже 5,6 слюна приобретает деминерализующие свойства.

• Понижение рН приводит к протонированию фосфатных групп поверхностного слоя мицеллы.

• HPO- + Н+ H2PO4–

• Уменьшается отрицательный заряд мицелл.

• Мицеллы слюны становятся менее устойчивыми, что способствует растворению ядра и вымыванию ионов Ca2+.

• В кислой среде увеличивается возможность замещения ионов кальция в гидроксиапатитах

эмали на ионы водорода, растет растворимость кристаллов гидроксиапатитов, а также повышается

активность кислой фосфатазы – фермента, способствующего деминерализации.

• Происходит деминерализация эмали и развитие кариеса.

В щелочной среде создаются условия для минерализации зубного налета

• При повышении рН происходит, наоборот, депротонирование HPO4

2-, в результате образуются ионы PO4

3-, связывающиеся с ионами кальция и образующие труднорастворимые соли Са3(PO4)2.

• Образующиеся соли Са3(PO4)2 могут включаться как в состав ядра мицеллы, так и в состав других соединений, образующих зубной камень.

Образование зубного камня

• Факультативные анаэробные бактерии, находящиеся в зубном налете, секретируют конечные продукты обмена азот, аммиак и мочевину.

• Аммиак взаимодействует с фосфатными группами, образуя гидрофосфат – анионы, которые связывают кальция и образуют плохо растворимую соль – брушит, дающую начало формированию зубного камня.

• Минерал брушит (CaHPO4·2H2O) составляет 50% всех видов апатитов зубного камня.

Минералы зубного камня

• По мере старения брушита состав его меняется, образуются соединения более сложного строения: октокальцийфосфат Ca8H2(РО4)6·5Н2О и гидроксиапатиты.

• В небольших количествах в зубном камне присутствуют также карбонатапатит, фторапатит, соли магния (струвит, витлоктит) и другие минералы.

Условиями минерализации зубного налета и образования зубного камня являются:

• Участие кислотообразующих микроорганизмов; • Повышение в слюне ионов кальция и фосфатов,

вызванное снижением устойчивости мицеллы слюны;• Размножение микроорганизмов, продуцирующих аммиак

и мочевину;• Повышение содержания в зубном налете метаболитов,

погибших бактерий, способных удерживать кальций и фосфаты;

• Участие щелочной фосфатазы, которая повышает содержание гидрофосфат – ионов в налете.

Спасибо за внимание !