Отложения минеральных солей в костной ткани сосредоточены во внеклеточном матриксе и представлены в основном кристаллами гидроксиапатита.
Общая формула апатитов выглядит так: Если в качестве X выступают гидроксильные ионы, то такой минерал называют гидроксиапатитом (ГАП). Он редко встречается в природе, но в биологических объектах (твердые ткани) составляет около 75% их минеральной фазы. Напротив, фторапатиты, где X — это ионы , очень широко распространены в неживой природе, тогда как в биогенных апатитах на их долю приходится не более 0,7%.
Таблица 11-1
Неколлагеновые белки ВКМ костной ткани
Иониая решетка апатитов очень стабильна, что обусловлено плотностью упаковки ионов, реализуемой силами электростатического притяжения. Эти силы гетерополярны (действуют в любом направлении). Поэтому самый крупный ион — фосфатный — может быть представлен в форме шара, равномерно окруженного ионами Са2+ и X". При этом между рядами фосфат-ионов остаются пространства, в которых рассредоточены гораздо меньшие по размерам Са2+ и X". В целом упаковка частиц в кристалле ГАП представляет собой многослойную гексагональную структуру, где с каждым ионом фосфата соседствуют 12 ионов Са2+ и НО-, из которых 6 лежат в одном слое с фосфатом, а по 3 — в соседних слоях, расположенных выше и ниже. Идеальный кристалл ГАП имеет форму уплощенной гексагональной призмы, размеры которой могут заметно варьировать в разных твердых тканях. В костях почти 90% кристаллов имеет длину не более 45 нм при ширине в среднем 25 нм. Каждый из них покрыт собственной гидратной оболочкой толщиной около 1 нм.
В минеральной фазе твердых тканей идеальную структуру имеют далеко не все кристаллы ГАП. Это обусловлено заменой отдельных ионов кристаллической решетки аналогами из жидкой фазы, сходными по размеру или физико-химическим свойствам. Такие реакции ионного обмена называются изоморфным замещением. Из-за различий в величине ионного радиуса оно в той или иной степени искажает решетку и обычно делает кристаллы менее устойчивыми к различным воздействиям, в том числе механическим. В частности, возможно замещение Са2+ на ионы или 8г2+ [см.
уравнения 11-1 и 11-2].
В геохимических провинциях, отличающихся повышенным содержанием соединений стронция, накопление стронциевых деформаций настолько повышает хрупкость минеральной фазы, что может привести к патологическим переломам костей.
Наиболее вероятны следующие реакции внутрикристаллического обмена ионов:
место Са2+ занимает ион М^, 8г2+, Ыа+, реже - Ва2+, РЬ2+, Мо2+ или ион гидроксо- ния НэО+;
гидроксильный ион обменивается на Р7", СГ, Вг“, У, а иногда - на СО3“ или Н20. Каждая реакция ионного обмена протекает
в три стадии. Начинается процесс с диффузии ионов из окружающей биологической жидкости в гидратный слой кристалла. Эта стадия занимает несколько минут. Затем происходит обмен ионами между гидратной оболочкой и поверхностью кристалла. Для многих ионов эта стадия очень затруднительна. Гораздо легче (в течение нескольких часов) преодолевают ее Са2 МЁ2*, N3", Яг2*, Ва2+, РОГ, СО2", СГ иГ. Наконец, третья стадия - переход ионов с поверхности в глубину ионной решетки — требует от нескольких дней до нескольких месяцев. Реализуется она преимущественно с ионами Са2+,Мв2+, РО^ЛР".
Снижение концентрации Са2+ и/или фосфата в жидкостях тела приводит к усилению реакций изоморфного замещения, увеличивает вероятность образования вакантных ячеек в кристаллической решетке ГАП. Напротив, повышенное поступление Са2+ в организм способствует вытеснению из ионной решетки его антагонистов (в том числе стронция), обеспечивая регенерацию «правильной» структуры кристаллов ГАП.
Внутри кристаллической решетки апатитов и на поверхности кристаллов встречаются в очень малых количествах различные микроэлементы (включая 1,Хп, 81, Си, Со, ве, Аб, Мо, Мп) и ионы других веществ, особенно из числа тех, что загрязняют среду обитания человека (8г, Ва, РЬ, А1, Л и другие).
В целом скорость и масштаб изоморфного замещения зависят не столько от заряда внедряющегося иона, сколько от его размеров (ионный радиус), концентрации и длительности воздействия. Очень большое значение имеют условия микроокружения, в том числе физикохимические параметры, включая pH среды. В частности, достаточно высокий уровень бикарбонатов способствует образованию карбо- натапатита путем замещения фосфат-иона карбонатом (уравнение [11-3]). Среди всех апатитов твердых тканей карбонатапатиты могут составлять до 20%, уступая в этом отношении только гидроксиапатитам (третью позицию занимают хлорапатиты, — немногим более 4%).
Снижение pH среды способствует замещению Са2+ в ГАП протонами или ионом гидро- ксония (уравнения [11-4] и [11-5]). Очень высокие концентрации Н+ вызывают уже не просто замещение ионов Са2+, а кислотное растворение кристаллов ГАП (уравнение [11-6]).
Помимо кристаллов ГАП и его аналогов, минеральная фаза содержит и аморфные соли. Они характеризуются более низким отношением Са:Р и обнаруживаются в небольших количествах, но постоянно, - в основном, на ранних стадиях процесса минерализации. В составе этих отложений встречаются моно-, ди-, три- и тетракальцийфосфаты {обычно в гидратированной форме), дигидрат кальцийпирофосфата, а также кальция гидрокарбонат Са(НС03)2 и магния карбонат М^С03. Преобладают, однако, кислые фосфаты, содержащие ионы НРО^“ - Преимущественно это кальция гидрофосфат в дигидратиой форме [СаНР04-2Н20] и октакаль- цийфосфат (ОКФ) - пентагидрат восьми кальциевого фосфата [СазН2(Р04)б-5Н20]. Все эти начальные отложения выполняют роль легко мобилизуемого резерва ионов кальция и фосфата, используемого при построении кристаллической структуры ГАП, а некоторые (особенно ОКФ) способны спонтанно превра
щаться в гидроксиапатит, выполняя функцию его предшественников.
В целом зрелая, полностью минерализованная кортикальная кость содержит (в весовом отношении) примерно 45% кристаллических минералов, до 28% коллагена, не менее 2% других органических вешеств и 25% воды. По объему минеральная фаза, органические молекулы и вода составляют соответственно 23,37 и 40% кости.
