Kemik Doku Biyokimyası ve Fonksiyonları

Kemik Doku Biyokimyası

• İnsan vücudunda 206 adet kemik bulunur.
• Kemiklerin üç temel fonksiyonu vardır: mekanik, koruyucu ve metabolik.

Kemiklerin Fonksiyonları

• Mekanik fonksiyonları arasında kaslara yapısal destek oluşturmak, organizmaya biçim vermek ve vücut ağırlığını taşımak yer alır.
• Koruyucu fonksiyonu, iç organları korumayı içerir.
• Metabolik fonksiyonu, Ca, P, Na ve Mg depoları oluşturmak ve hematopoez (kemik iliği) sağlamaktır.
• Kemik dokusu sürekli yıkılıp yapılan bir dokudur.
• Çocukluk ve ergenlik döneminde yapım, yıkımdan daha fazladır.
• Ergenlik sonrasında 35 yaşına kadar yapım ve yıkım dengededir.
• 35 yaşından sonra ise kemik yıkımı artar.

Kemik Dokusunun Histolojik Yapısı

• Kemik dokusu histolojik olarak iki tiptedir: yumuşak kemik ve lamellar kemik.

Yumuşak Kemik

• Olgunlaşmamış kemiktir.
• Embriyo ve yenidoğanda, iyileşmekte olan kemik kırıklarında ve büyümekte olan kemiklerin metafiz bölgesinde bulunur.
• Kolajen lifleri düzenli bir şekilde dizilmemiştir.
• Osteositler daha fazla bulunur ve düzensiz yerleşim gösterir.

Lamellar Kemik

• Doğumdan 1 ay sonra oluşmaya başlar.
• 4 yaşında normal kemiğin çoğunu oluşturur.
• Kolajen lifleri paralel biçimdedir.
• Osteositler düzgün bir dağılım gösterir.
• Kortikal (kompakt) ve trabeküler (süngerimsi) olmak üzere ikiye ayrılır.

Kortikal Kemik

• İskeletin %80'ini oluşturur.
• Yoğun ve serttir.
• Uzun kemiklerin diyafizinde bulunur.

Trabeküler Kemik

• Sünger ya da bal peteği görünümündedir.
• Uzun kemiklerin metafiz ve epifizinde, omurlar gibi küboid kemiklerde bulunur.
• Kemik yapımı burada gerçekleşir ve kemiği oluşturan hücreleri içerir.
• Trabeküler kemiğin sadece %5-20'si kalsifiye olduğu için kortikal kemikten daha az yoğundur.

Kemik Dokusunun Yapısı

• Kemik, modifiye bir bağ dokusudur.
• Yapısı:
  • %60-70 anorganik (inorganik-mineral) faz
  • %35 organik matriks
  • %5 su
  • Hücreler

Anorganik Faz

• %95 Kalsiyum hidroksiapatit kristalleri [Ca10 (PO4)6 (OH)2]
• Vücuttaki Ca'un %99'u kemiktedir.
• Sodyum, magnezyum, karbonat ve florür içerir.
• Hidroksiapatit, kemiğe sağlamlık ve esneklik sağlar.
• Apatit kristalleri plak biçiminde, 20-80nm uzunluğunda ve 2-5nm kalınlığında küçük kristallerdir.

Organik Faz

• Ekstrasellüler matriksin organik fazı, kemiğin yapısal, biyokimyasal ve mekanik özelliklerini belirler.
• ~%90 kollajen (tip I kolajen), organik matriksin major proteinidir.
• %10'u diğer matriks proteinleri, lipitler, makromoleküllerden oluşur.
• Az miktarda proteoglikanlar, büyüme faktörleri, sitokinler ve interlökinler de bulunur.

Kemikte Bulunan Başlıca Proteinler

• Kollajen tip I tüm kemik proteininin %90'ını oluşturur.
• Kollajen tip V az miktarda bulunur.
• Osteokalsin (Kemik Gla protein) hidroksiapatite bağlanan γ-karboksiglutamat kalıntıları içerir, mineral olgunlaşmasını düzenler.
• Matriks Gla protein (MGP) minerallerin çökmesini düzenler.
• Osteonektin kalsiyum bağlar, mineral-kollajen etkileşimini sağlar.
• Osteopontin hücreleri bağlar, mineral birikimini düzenler.
• Kemik sialoproteini hücreleri bağlar, mineralizasyonu başlatır.
• Agrekan mineralizasyonu inhibe eder.
• Dekorİn kollajende fibrilogenezi düzenler.
• Biglikan mineralizasyonu düzenler.

Kemik Kollajeni

• Kemik matriksinin en önemli yapısal bileşenidir.
• Çoğunluğunu Tip I kollajen oluşturur.
• 2 α₁ ve 1 α₂ zincirinden oluşan üçlü sarmal yapıdadır.
• Kollajen yıkımında piridinyum çapraz bağları piridinolin (Pyd) ve dezoksipiridinolin (Dpd) şeklinde idrarla atılır.
• Osteokalsin (kemik Gla proteini, γkarkbosiglutamat içeren protein) non-kollajen proteinlerin %10-20'sini oluşturur ve osteoblastlar sentezler.
• Sentezde glutamat kalıntıları K vitamini bağımlı posttranslasyonel bir modifikasyonla karboksillendiği için Ca ve mineral bağlar.
• Sentezini D-vit ↑, PTH ve kortikosteroidler azaltır.
• Mineral kristallerinin olgunlaşmasını düzenler.
• Osteonektin osteoblastlar ve trombositler salgılar.
• Hem denatüre kollajeni hem de hidroksiapatiti bağlar.
• Mineral-kollajen etkileşimini sağlar.
• Hidroksiapatite, osteokalsinden 5 kat daha güçlü bir şekilde bağlanabilir.
• Kemik Siyaloproteini (BSP) Fosfoprotein yapıdadır ve %20 siyalik asit içerir, hücre ve Ca bağlayıcı bölge içerir ve mineralizasyonu başlatır.
• Proteoglikanlar kemikte az sayıda bulunur ve büyük bir kısmı kondroitin 4-sülfattır.

Kemik Dokusu Hücreleri

• Kemik yapımı ve yıkımı ile görevli hücreler hematopoetik sistemden kaynaklanır.
  • Osteoblastlar
  • Osteositler
  • Osteoklastlar
  • Osteoprogenitör hücreler: Diğer üçüne de farklılaşabilen mezenkim hücreleridir.

Osteoblastlar

• Pluripotent öncülerinden türer, kemik yapımı ile görevlidir ve özelleşmiş fibroblastlardır.
• Hücre yüzeyinde Parathormon (PTH), D vit ve östrojen reseptörlerine sahiptir.
• Mevcut matriksin yüzeyinde yerleşmiş osteoblastlar kemik matriksini sekrete eder ve üzerine yeni kemik tabakalar ekler.
• Bazı osteoblastlar yüzeyde serbest durumdayken diğerleri kendi sekrete ettikleri matriksin içine yavaş yavaş gömülürler.
• Osteoid adını alan bu yapı başlıca tip 1 kollajenden oluşmaktadır.
• İçine kalsiyum fosfat kristallerinin çökmesiyle hızla sert kemik matriksine dönüşür.
• Tip I kollajen, osteokalsin, osteopontin, osteonektin, proteoglikanlar gibi kollajen dışı proteinler, sitokinler, büyüme faktörleri, prostaglandinler, nötral proteazlar ve alkalen fosfataz (ALP) osteoblastlar tarafından sentezlenen matriks elemanlarıdır.
• PTH kollajen sentezini uyarır.
• Vit D (kalsitriol), ALP, matriks ve kemiğe spesifik proteinlerin sentezini uyarır.
• TGF-β, IGF-1 ve 2 gibi otokrin düzenleyicilerdir.
• Kemik spesifik alkalen fosfataz(ALP), osteokalsin ve kollajen yapım belirteçleri (karboksi ve amino terminal prokollajen uzantı peptitleri) osteoblast fonksiyonunun biyokimyasal belirteçleridir.

Osteositler

• Sert matriks içine gömülen osteoblastlara verilen addır ve kemikte en çok bulunan hücrelerdir, az miktarda matriks sentezlerler.
• Kemik döngüsü sürecinde dinlenme hücreleridir.
• Matriks yapımı ve yıkımda görevli hücrelerin aktivitesini kontrol eder.
• Mekanik yükün algılanarak, kemik rezorbsiyonuna ve/veya oluşumuna yol açan biyokimyasal sinyallere çevrilmesine yol açar.
• Dolaşımdaki Ca ve fosfat homeostazının sağlanmasında görev alır.

Osteoklastlar

• Kemik rezorpsiyonundan (yıkımından) sorumludurlar.
• Çok çekirdekli ve bol mitokondri içeren hücrelerdir.
• Makrofajlar gibi kemik iliğindeki pluripotent hematopoetik kök hücrelerinden kaynaklanırlar.
• Öncülleri monositlerdir, kemik yıkım bölgelerinde toplanır, birleşerek çok çekirdekli osteoklastları oluştururlar.
• Membranda kalsitonin reseptörleri bulunur.
• Osteoblastların salgıladığı bir protein osteoklastların farklılaşması, aktivasyonu ve hayatta kalması için gereklidir: RANK Ligand (RANKL).
• RANKL, prekürsör hücrelerindeki reseptörlere (RANK) bağlanarak osteoklastların oluşumunu başlatır.
• RANK-RANKL sistemi kemik rezorpsiyonundan sorumludur.
• RANKL ile RANK'a bağlanma, osteoprotegerin (OPG) tarafından düzenlenir (RANKL ile yarışarak)
• Osteoblastlar osteoprotegerinterin sentezler, osteoklastların farklılaşmasını ve çoğalmasını engeller ve kemik rezorpsiyonunu engeller.
• Osteoklastlarda tartarata dirençli asit fosfataz ve karbonik anhidraz bulunur.
• Osteoklastların fırça kenarı (apikal kısım) kemik yüzeyine bağlanarak tutunduğu bölgedeki kemiği yıkıma uğratırlar.
• Kemiğin içinde tüneller açarak içine başka hücrelerin yerleşeceği boşluklar oluştururlar.
• Osteoklastlar tarafından bırakılan proton(H+) ortamın asidik olmasına neden olur.
• Katepsin K, MMP-9 kollajenaz, jelatinaz gibi litik enzimler de salgılanır.
• Bunun sonucunda mineral ve kollajen matriks rezorbe olur ve kemik yıkım ürünleri salınır.
• Büyüme sırasında kıkırdağın yerini kemiğin almasını da osteoklastlar gerçekleştirir.

Kemik Mineralizasyonu

• Primer (ilk) çekirdekleşme, kristal büyümesi, önceden oluşmuş kristallerin indüklemesiyle sekonder (ikinci) çekirdekleşme, mineral kristallerinin agregasyonu kemik dokuda mineral çökmesinin aşamalarıdır.
• Kemiğin içindeki hücre dışı alanda, kolajen fibrillerinin biraz uzağında yerleşmiş olan ve plazma membranından kaynaklanan matriks vezikülleri kalsiyum fosfatın çökeceği odakları oluşturur ve kristalizasyon sonucunda vezikül membranı kapanır, hidroksi apatit kristalleri kümeleşir (ilk çekirdekleşme).
• Bu sırada osteoblastlar matriks proteinlerini sekrete eder, proteinler kristallerle birleşir, ilk kalsiyum fosfat kristalleri kollajen üzerinde çöktükten sonra kemiğin dayanıklılığını sağlamak üzere bu yapıya daha çok kristalin eklenmesi gerekir.
• Osteoide eklenen yeni minerallerin bir kısmı ilk çekirdekleşme sırasında, geri kalan mineralin büyük kısmı ise ikinci çekirdekleşme sırasında çökmektedir.
• İkinci(sekonder) çekirdekleşme: Mevcut hidroksiapatit çekirdekleri üzerinde yeni apatit kristalleri birikir ve mineralizasyon, kemik tamamen mineralize olana dek sürer.
• Tamamen mineralize olmuş olgun bir kemik bile ancak %70 oranında mineral içerir ve daima hücreler mineralden ince bir osteoid tabakasıyla ayrılmış olarak bulunur. Mineralizasyon, yeterli kalsiyum ve fosfat varlığına bağımlı olduğundan mineral eksikliğinde kemik içindeki osteoid yüzdesi artar, osteomalazi gelişir.

Kemik Döngüsü (Kemiğin Yeniden Şekillendirilmesi)

• Kemik döngüsü (turnover, remodeling) dinamik ve süreklilik gösteren bir süreçtir; eski ve hasarlı kemiğin yıkımı ile yeni kemiğin yapımı arasında sıkı bir denge vardır ve toplam kemik kütlesinde kayıp yoktur.
• Yetişkin iskeleti her 10 yılda bir yenilenmektedir.
• 3 evreden oluşur:
  • Evre 1: Kemiğin osteoklastlarca rezorpsiyonu (2-4 hafta)
  • Evre 2: Osteoblastlar tarafından kemik matriksinin yapımı ve takiben mineralizasyonu (4-6 ay)
  • Evre 3: Dinlenme fazı
  • Kemik döngüsünü etkileyen birçok faktör vardır.
• Paratiroid hormon (PTH)'dur
• D-vitamini [1,25(OH)₂D₃]
• Kalsitonin
• A ve C-vitamini
• Östrojen ve testosteron steroid hormonlarıdır
• Bazı prostaglandinler ve sitokinler
• Glukokortikoidler (kortizol)
• Tiroid hormonu, insülin, büyüme hormonu (IGF-I)
• Asidoz'dur.

Paratiroid Hormon(PTH)

• Hem kemik oluşumuna hem de rezorpsiyona neden olur ve yüksek dozda rezorpsiyon yapar.
• Direkt olarak osteoblastları ve osteositleri, indirekt olarak osteoklastları uyarır.
• Ca ve P'yi serbestleştirir, osteoblastlarda kolajen sentezini azaltır, öncül hücrelerin osteoblast ve osteoklastlara dönüşmelerini sağlar, kemiğin Ca bağlama kapasitesini düşürür ve kollajenaz aktivitesini artırır.
• Kalsitonin parathormona zıt yönde etki eder ve kemik rezorpsiyonunu azaltır.
• Östrojen osteoklastik aktiviteyi azaltır ve yıkımı azaltır.
• Postmenapozal dönemde östrojen azalır kemik rezorpsiyonu artar ve osteoporoz gelişir.
• Testosteron yapımı artırır.
• Büyüme hormonu(GH), kemik metabolizması üzerine anabolik etkiye sahiptir ve pozitif Ca ve P dengesi sağlar.
• Tiroid hormonu ve insülin benzeri büyüme hormonu (IGF-1) kemik metabolizmasına etkili olan diğer hormonlardır ve yapım ve yıkımı artırırlar.
• Prostaglandinlerin özellikle E serisi lokal kemik rezorpsiyonuna neden olur.
• İnterleukin-1 gibi birkaç sitokin, osteoklastları aktive ederler.

D-vitamini

• Kemik mineralizasyonunu artırır.
• Osteoblastları aktive ederek kemik oluşumunu uyarır.

A-vitamini ve C-vitamini

• Her ikisi de iskelet sisteminin gelişimi ve büyüme için gereklidir.
• C-vit kollajenin sentezi için gereklidir.
• Glukokortikoidler osteoblastları inhibe ederek yapımı azaltır, yüksek dozlarda demineralizasyon yapar ve yıkımı artırır. Steroid tedavisi sırasında osteoporoz görülebilir.

Kemik Belirteçleri

• Kemik belirteçleri, kemik yapımı ve yıkımı hakkında bilgi veren biyokimyasal ölçümlerdir.

Kemik Yapım Belirteçleri

• Kemik spesifik alkalen fosfataz (ALP)
• Osteokalsindir
• Prokollajen tip 1 C-terminal propeptid (P1CP)
• Prokollajen tip 1 N-terminal propeptid (P1NP)'dir.
• Serumda toplam ALP havuzu farklı dokulardan, KC kemik, böbrek, bağırsak ve plasenta kaynaklanır.
• Osteoblast ve osteositlerin membran dış yüzeyinde bulunan ALP aktivitesi pirofosfatı, 2 Pi'a çevirerek matriks mineralizasyonunu sağlar.
• Serum ALP, iskelet dışı dokulardan da kaynaklanabilmesi nedeniyle kemik yapım belirteci olarak sensitif ve spesifik değildir.
• Osteokalsin osteoblastlar tarafından sentezlenir, sentezinde K vitamini etkisiyle moleküllerin spesifik glutamat kalıntılarında gamma karboksilasyon meydana gelir, mineralizasyon fazında salgılanır ve kalsiyum bağlar.
• Sabah erken saatlerde kan düzeyi en yüksektir ve kışın yaza göre düzeyleri daha yüksektir.
• Tip I kolajen kemik dışında deri, kornea, damar gibi dokularda da bulunur.
• Ancak kemik dışındaki diğer dokuların döngüsü daha yavaş olduğundan dolaşımdaki PINP ve PICP düzeyleri kemik yapımını yansıtır.

Kemik Yıkım Belirteçleri

• Hidroksiprolin
• Hidroksilizin-glikozidler
• Piridinolin
• Deoksipiridinolin
• Tip-1 kolajen C-terminal çapraz bağlı telopeptid (ICTP, CTX)
• Tip-1 kolajen N-terminal çapraz bağlı telopeptid (INTP, NTX)
• Asit fosfataz (tartarat dirençli)
• Katepsin K
• Kemik siyaloproteini (BSP)'dir..
• Hidroksiprolin (OH-prolin) prolİnİnin post translasyonal modİfİkasyonu sonucu oluşur, kollajenİn yıkımı sırasında serbestleşerek KC'de metabolİze edİldİkten sonra İdrarla atılır.
• Ancak kemİk dışında dokularda da bulunması, elastİnİn de yıkımında açığa çıkması, dİyetten etkİlenmesİ gİbİ nedenlerden dolayı kemİk yıkımı İçİn spesİfİk değİldİr.
• Hidroksİlİzİn glİkozİdlerİ kollajen sentezİ sırasında posttranslasyonal modİfİkasyon sonucu meydana gelİr, kollajen yıkımı sırasında dolaşıma salınır ve İdrarda ölçümü yapılabİlİr, metabolİze edİlmedİğİ ve dİyetten etkİlenmedİğİ İçİn OH-prolİne göre avantajlıdır.
• Kollajen yapımı sırasında oluşan çapraz bağlar, kemik rezorpsiyonu sırasında proteolitik olarak yıkılarak piridinolin (PYD) ve deoksipiridinolin (DPD) olarak dolaşıma salınır.
• Yenİ sentezlenen kollajenlerİn yıkımından etkİlenmez, sadece olgun çapraz bağlı kollajen yıkımını yansıtır ve İdrar ve serumda ölçülebilir.
• Çapraz Bağlı Telopeptİdler CTX, NTX, α-СТХ, В-СТХ tİp I kolajenİn dİğer yıkım ürünlerİdİrler ve СТХ besİn alımından etkİlenİr sİrkadİen rİtİm gösterİr.
• Katepsİn K osteoklastlarda bulunan lİzozomal bİr sİsteİn proteazdır, Tİp I kollajenİn hem helİkal hem de telopeptİd bölgelerİnİ keser ve aktİf romatoİd artrİt, Paget hastalığı vb durumlarda da artar.
• Asİt fosfataz lİzozomal bİr enzİmdİr, kemİK, prostat, trombosİtler, erİtrosİtler ve dalakta bulunur ve kemİK asİt fosfatazı tartarata dİrençlİdİr.
• KemİK sİyaloproteİnİ (BSP) malİgn kemİK hastalıklarında ve osteoporozda serum düzeylerİ yükselİr ve romatoİd artrİt ve postmenapozda yükseldİğİ bİldİrİlmİştİr.

Kemik ve Kıkırdağı Tutan Bazı Genetik ve Metabolik Hastalıklar

• Osteoporoz: Kemik kütlesinde azalma
• Raşitizm: Çocukta D vitamini eksikliği
• Osteomalazi: Erişkinde D vitamini eksikliği
• Cücelik: GH eksikliği
• Hiperparatiroidizm: Aşırı PTH salgılanması ve Osteitis fibroza'ya sebep olur.
• Osteogenezis imperfekta bu hastalık Tip I kollajen bozukluğudur

Osteoporoz

• kemik döngüsündeki dengenin yıkım yönünde bozulması, kemik kütlesinde azalmaya yol açar. Kemikler kırılgan hale geldiğinden kırık riski de artar ve özellikle kalça kırığıyla kendini gösterir.
• Tanıda radyolojik olarak kemik mineral yoğunluğuna bakılması önerilir.
• Osteogenezis Imperfekta mavi sklera ve kemik kırıkları ile kendini gösteren cam kemik hastalığıdır.
• Raşitizm (RİKETS), kemiklerde eğilme şeklinde kendini gösterir.

Kemik dokusu vücudun temel yapı taşıdır ve mekanik destek, iç organları koruma, metabolik düzenleme gibi çeşitli görevleri vardır. Sürekli yıkım ve yapım süreçleriyle yenilenir. Yaşla birlikte bu süreçlerde değişiklikler görülür.