Биохимия жидкостей полости рта К Э Герман Зав

Биохимия жидкостей полости рта К. Э. Герман Зав. кафедрой естественных и медико-биологических наук МО МИ 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 НАЗВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЯ Общий белок Муцин 1, 5 – 3, 0 г/л 2, 5 – 2, 7 г/л Лизоцим Мочевая кислота 0, 18 г/ л 0, 03 – 0, 17 моль/л Мочевина Аммиак 1, 4 – 3, 0 моль/л 2, 6 моль/л Холестерин Глюкоза 0, 08 – 0, 39 ммоль/л 0, 62 – 1, 56 ммоль/л Лактат 20 – 40 мг/л

Органические компоненты слюны Органические 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 микроорганизмов Их количество зависит от состояния 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-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 белки Цистатины 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 р. Н 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 к. Да) и муцин-2 (Mr 100 к. Да).

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 к. Да, содержат до 50% углеводных компонентов. Катализируют реакцию гидролиза 1, 4 -гликозидных связей между N-ацетилглюкозамином и Nацетилмурамовой 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. р. Н оптимум действия фермента 4, 5– 5, 2. • Щелочная фосфатаза активна при р. Н 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 – Ig. As, продуцируемый слюнными железами. • Ig. As находится в соединении с S-гликопротеином, который предохраняет его от разрушения ферментами. • Основной функцией секреторного Ig. As в полости рта является подавление прикрепления бактерий на поверхности слизистой оболочки полости рта. • Т. О. Ig. As 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 (Ig. A, Ig. Е, Ig. D, Ig. M, Ig. G и особенно секреторного – Ig. As) - ферментов (лизоцима, супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы, ДНКазы и РНКазы, a - амилаза и др. )

Лейкоциты – источник ферментов, оказывающие защитное действие на ткани пародонта Наиболее характерные ферменты: - кислая фосфатаза (из лизосом лейкоцитов) - различные гликозидазы - протеиназы (катепсины G и D, коллагеназа, эластаза) - миелопероксидаза и др. Миелопероксидаза лейкоцитов катализирует реакцию: H 2 O 2 + Cl− → H 2 O + OCl− Образующийся в реакции гипохлорит OClобладает 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 Ca 2+ 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 НСО 3 - 20 - 60 25 SCN- 0, 5 – 1, 2 0, 1 – 0, 2 Сu 2+ 0, 3 0, 1 I- 0, 1 0, 01 F- 0, 001 – 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 (Са 2+) 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 Са 3(РО 4)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 "химикопаразитическая" 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 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 - Ig. As.

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 р. Н, (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 нитритионов 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 р. Н ниже 5, 6 слюна приобретает деминерализующие свойства. • Понижение р. Н приводит к протонированию фосфатных групп поверхностного слоя мицеллы. • HPO- + Н+ H 2 PO 4– • Уменьшается отрицательный заряд мицелл. • Мицеллы слюны становятся менее устойчивыми, что способствует растворению ядра и вымыванию ионов Ca 2+.

• 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 р. Н происходит, наоборот, депротонирование HPO 42 -, в результате образуются ионы PO 43 -, связывающиеся с ионами кальция и образующие труднорастворимые соли Са 3(PO 4)2. • Образующиеся соли Са 3(PO 4)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 (Ca. HPO 4· 2 H 2 O) составляет 50% всех видов апатитов зубного камня.

Минералы зубного камня • По мере старения брушита состав его меняется, образуются соединения более сложного строения: октокальцийфосфат Ca 8 H 2(РО 4)6· 5 Н 2 О 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 !