Kemik Doku Biyokimyası PDF

KEMİK DOKU BİYOKİMYASI Prof.Dr. Aynur Kırbaş  İnsanda 206 adet kemik bulunmaktadır. Kemiklerin Fonksiyonları: 1. Mekanik 2. Koruyucu 3. Metabolik  Mekanik fonksiyon (hareket) Kasların tutunacağı yapısal desteği oluşturur Organizmaya biçim verir Vücut ağırlığını taşır...

KEMİK DOKU BİYOKİMYASI Prof.Dr. Aynur Kırbaş  İnsanda 206 adet kemik bulunmaktadır. Kemiklerin Fonksiyonları: 1. Mekanik 2. Koruyucu 3. Metabolik  Mekanik fonksiyon (hareket) Kasların tutunacağı yapısal desteği oluşturur Organizmaya biçim verir Vücut ağırlığını taşır  Koruyucu fonksiyon İç organları korur  Metabolik fonksiyon Ca, P, Na ve Mg deposu Hematopoez (Kemik iliği) Kemik sürekli yıkılıp-yapılan bir dokudur  Çocukluk ve ergenlikte yapım yıkımdan fazladır.  Ergenlik sonrası 35 yaşlarına kadar yapım- yıkım dengededir.  Bu yaştan sonra yıkım artar.  Kemik Dokunun Histolojik Yapısı: Kemik dokusu histolojik olarak iki tiptedir:  Yumuşak kemik  Lamellar kemik  Yumuşak kemik Lamellar kemik Olgunlaşmamış kemiktir. Doğumdan 1 ay sonra oluşmaya Embriyo ve yenidoğanda, başlar iyileşmekte olan kemik 4 yaşında normal kemiğin çoğunu kırıklarında, büyümekte olan oluşturur. kemiklerin metafiz bölgesinde Kolajen lifleri paralel biçimdedir. bulunur. Osteositler düzgün bir dağılım Kolajen lifleri belli bir düzende gösterir. dizilmemiş Osteositler daha fazla bulunur ve düzensiz yerleşim gösterir. Lamellar kemik 1. Kortikal (kompakt) kemik 2. Trabeküler (süngerimsi) kemik Kortikal kemik: İskeletin %80’ini oluşturur Yoğun ve sert Uzun kemiklerin diyafizinde bulunur Trabeküler (süngerimsi) kemik: Sünger ya da bal peteği görünümünde Uzun kemiklerin metafiz ve epifizinde Omurlar gibi küboid kemiklerde Kemik yapımı burada gerçekleşir(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. 1. Anorganik (inorganik-mineral) faz (%60-70) 2. Organik matriks (%35) 3. %5 su 4. Hücreler  1) Anorganik Faz % 95 Kalsiyum hidroksiapatit kristalleri [Ca10 (PO4)6 (OH)2] (vücuttaki Ca'un %99 kemikte) Sodyum Magnezyum Karbonat ve florür  Hidroksiapatit kemiğe sağlamlık ve esneklik sağlar. Apatit kristalleri plak biçiminde, 20- 80nm uzunluğunda , 2-5nm kalınlığında küçük kristallerdir. [Ca10 (PO4)6 (OH)2] Hidroksiapatit kristalleri  2) Organik Faz: Ekstrasellüler matriksin organik fazı kemiğin yapısal, biyokimyasal ve mekanik özelliklerini belirler. ~ %90 kollajen (%80-90'ını tip I kolajen, organik matriksin major proteini) ~%10 diğer matriks proteinleri, lipitler, makromoleküller Az miktarlarda proteoglikanlar, büyüme faktörleri, sitokinler ve interlökinler de bulunur 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, γ-karboksiglutamat içeren protein) Non-kollajen proteinlerin %10-20'sini oluşturur. Osteoblastlar sentezler. Sentezde glutamat kalıntıları K vit. bağımlı posttranslasyonel bir modifikasyonla karboksillendiği için Ca ve mineral bağlar. Sentezini D-vit ↑, PTH ve kortikosteroidler ↓ 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. Mineralizasyonu başlatır. Proteoglikanlar Kemikte az sayıda proteoglikan bulunur. Büyük bir kısmı kondroitin 4-sülfat 3) Kemik Dokusu Hücreleri  Kemik yapımı ve yıkımı ile görevli hücreler hematopoetik sistemden kaynaklanırlar a) Osteoblastlar b) Osteositler c) Osteoklastlar d) Osteoprogenitör hücreler Diğer üçüne de farklılaşabilen mezenkim hücreleridir. a) Osteoblastlar Pluripotent öncülerinden türer. Kemik yapımı ile görevli hücrelerdir. Özelleşmiş fibroblastlardır. MSC: mezenkimal kök hücre 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.  Osteoblastlar tarafından sentezlenen matriks elemanları Tip I kollajen Osteokalsin, osteopontin, osteonektin, proteoglikanlar gibi kollajen dışı proteinler Sitokinler, büyüme faktörleri, prostaglandinler, nötral proteazlar ve alkalen fosfataz (ALP) Osteoblastların Fonksiyonlarının Düzenlenmesi PTH, kollajen sentezini uyarır. Vit D (kalsitriol), ALP, matriks ve kemiğe spesifik proteinlerin sentezini uyarır. TGF-β, IGF-1 ve 2 gibi otokrin düzenleyiciler Osteoblast Fonksiyonunun Biyokimyasal Belirteçleri Kemik spesifik alkalen fosfataz(ALP) Osteokalsin Kollajen yapım belirteçleri (karboksi ve amino terminal prokollajen uzantı peptitleri)  b) Osteositler Sert matriks içine gömülen osteoblast osteosit adını alır. Kemikte en çok bulunan hücredir. Az miktarda matriks sentezlerler. Osteositlerin fonksiyonları: 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.  c) 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.  Osteoklastların farklılaşması, aktivasyonu ve hayatta kalması, osteoblastların salgıladığı bir protein gerektirir RANK Ligand (RANKL) RANKL, prekürsör hücrelerindeki reseptörlere (RANK) bağlanarak osteoklastların oluşumunu başlatır. RANK-RANKL sistemi kemik rezorpsiyonundan sorumludur. RANK: Receptor activator of nuclear factor κ B  RANKL ile RANK'a bağlanma, osteoprotegerin (OPG) tarafından düzenlenir (RANKL ile yarışarak) Osteoprotegerin Osteoblastlar sentezler. Osteoklastların farklılaşmasını ve çoğalmasını engeller. 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 kemik yıkımı: 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 Kemik dokuda mineral çökmesi Primer (ilk) çekirdekleşme Kristal büyümesi Önceden oluşmuş kristallerin indüklemesiyle sekonder (ikinci) çekirdekleşme, Mineral kristallerinin agregasyonu Kemikte kalsifiye olmamış organik matriks (osteoid) mineralizasyonu: Kemiğin içindeki hücre dışı alanda, kolajen fibrillerinin biraz uzağında yerleşmiş olan ve plazma membranından kaynaklanan matriks vezikülleri kalsiyum fosfatın çökeceği odakları oluşturur. Kristalizasyon sonucunda vezikül membranı kapanır, hidroksi apatit kristalleri kümeleşir (ilk çekirdekleşme). Bu sırada osteoblastlar matriks proteinlerini sekrete eder, proteinler kristallerle birleşir. İlk 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. 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. Toplam kemik kütlesinde kayıp yoktur. Yetişkin iskeleti her 10 yılda bir yenilenmektedir.  3 EVRE den oluşur 1. Evre: Kemiğin osteoklastlarca rezorpsiyonu 2-4 hafta 2. Evre: Osteoblastlar tarafından kemik matriksinin yapımı ve takiben mineralizasyonu 4-6 ay 3.Evre: Dinlenme fazıdır. Kemik döngüsünü etkileyen faktörler? Paratiroid hormon (PTH) D-vitamini [1,25(OH)2D3] Kalsitonin A ve C-vitamini Östrojen, testosteron Bazı prostaglandinler ve sitokinler Glukokortikoidler (kortizol) Tiroid hormonu, insülin, büyüme hormonu, IGF-I Asidoz Paratiroid Hormon (PTH)  Hem kemik oluşumuna hem de rezorpsiyona neden olur. Yüksek dozda rezorpsiyon yapar. Direkt olarak osteoblastları ve osteositleri, indirekt olarak osteoklastları uyarır. Ca ve P serbestleştirir. Osteoblastlarda kolajen sentezini ↓ Öncül hücrelerin osteoblast ve osteoklastlara dönüşmelerini sağlar. Kemiğin Ca bağlama kapasitesini düşürür. Kollajenaz aktivitesini ↑ Kalsitonin Parathormona zıt yönde etki eder. Kemik rezorpsiyonunu azaltır. Östrojen: Osteoklastik aktiviteyi azaltırYıkımı azaltır. Postmenapozal dönemde östrojen ↓ →kemik rezorpsiyonu ↑→ Osteoporoz Testosteron Yapımı artırır.  Büyüme hormonu(GH), kemik metabolizması üzerine anabolik etkiye sahiptir. Pozitif Ca ve P dengesi sağlar.  Kemik metabolizmasına etkili olan diğer hormonlar arasında tiroid hormonu, insülin benzeri büyüme hormonu (IGF-1) bulunur. 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 ↑ Osteoblastları aktive ederek kemik oluşumunu uyarır. A-vitamini ve C-vitamini Her ikisi de iskelet sisteminin gelişme ve büyümesi için gereklidir. C-vit kollajenin sentezi için gereklidir. Glukokortikoidler Osteoblastları inhibe ederler. Yapımı azaltır. Yüksek dozlarda demineralizasyon yaparlar. Yıkımı artırır. Steroid tedavisi sırasında osteoporoz görülebilir. Kemik Belirteçleri Kemik Yapım Belirteçleri 1. Kemik spesifik alkalen fosfataz (ALP) 2. Osteokalsin 3. Prokollajen tip 1 C-terminal propeptid (P1CP) 4. Prokollajen tip 1 N-terminal propeptid (P1NP)  Alkalen fosfataz (Kemik ALP) Serumda toplam ALP havuzu farklı dokulardan kaynaklanan izoformlardan meydana gelir: KC, kemik, böbrek, bağırsak ve plasenta. 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. TNAP: Tissue Nonspecific Alkaline Phosphatase  Osteokalsin Osteoblastlar tarafından sentezlenir. Sentezinde K vitamini etkisiyle moleküllerin spesifik glutamat kalıntılarında gamma karboksilasyon meydana gelir. Mineralizasyon fazında salgılanır. Kalsiyum bağlar. Sabah erken saatlerde kan düzeyi en yüksektir. Kışın yaza göre düzeyleri daha yüksektir.  Prokollajen Tip I propeptidler (PINP, PICP) 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 1. Hidroksiprolin 2. Hidroksilizin-glikozidler 3. Piridinolin 4. Deoksipiridinolin 5. Tip-1 kolajen C-terminal çapraz bağlı telopeptid (ICTP, CTX) 6. Tip-1 kolajen N-terminal çapraz bağlı telopeptid (INTP, NTX) 7. Asit fosfataz (tartarat dirençli) 8. Katepsin K 9. Kemik siyaloproteini (BSP) Hidroksiprolin (OH-prolin) Prolininin post translasyonal modifikasyonu sonucu oluşur. Kollajenin yıkımı sırasında serbestleşerek KC’de metabolize edildikten sonra idrarla atılır. Ancak kemik dışında dokularda da bulunması, elastinin de yıkımında açığa çıkması, diyetten etkilenmesi gibi nedenlerden dolayı kemik yıkımı için spesifik değildir. Hidroksilizin glikozidleri Kollajen sentezi sırasında posttranslasyonal modifikasyon sonucu meydana gelir. Kollajen yıkımı sırasında dolaşıma salınır ve idrarda ölçümü yapılabilir. Metabolize edilmediği ve diyetten etkilenmediği için OH-proline göre avantajlıdır. Piridinolin ve Deoksipiridinolin Kollajen yapımı sırasında oluşan çapraz bağlar, kemik rezorpsiyonu sırasında proteolitik olarak yıkılarak piridinolin (PYD) ve deoksipiridinolin (DPD) olarak dolaşıma salınır. Yeni sentezlenen kollajenlerin yıkımından etkilenmez, sadece olgun çapraz bağlı kollajen yıkımını yansıtır. İdrar ve serumda ölçülebilir. Çapraz Bağlı Telopeptidler; CTX, NTX, α-CTX, β-CTX Tip I kolajenin diğer yıkım ürünleridirler. CTX besin alımından etkilenir. Sirkadien ritim gösterir. Katepsin K Osteoklastlarda bulunan lizozomal bir sistein proteazdır. Tip I kollajenin hem helikal hem de telopeptid bölgelerini keser. Aktif romatoid artrit, Paget hastalığı vb durumlarda da artar. Asit fosfataz Lizozomal bir enzimdir. Kemik, prostat, trombositler, eritrositler ve dalakta bulunur. Kemik asit fosfatazı tartarata dirençlidir. Kemik sialoprotein (BSP) Malign kemik hastalıklarında ve osteoporozda serum düzeyleri yükselir. Romatoid artrit ve postmenapozda yükseldiği bildirilmiştir.  Kemik ve Kıkırdağı Tutan Bazı Genetik ve Metabolik Hastalıklar Osteoporoz: Kemik kütlesinde azalma Raşitizm: Çocukta D vit. eksik Osteomalazi: Erişkinde D vit. eksik Cücelik: GH eksikliği Hiperparatiroidizm Aşırı PTH salgılanması Osteitis fibroza Osteogenezis imperfekta: Tip I kollajen bozukluğu Osteoporoz Kemik döngüsündeki dengenin yıkım yönünde bozulması, kemik kütlesinde azalmaya yol açar. Bu duruma osteoporoz denir. Kemikler kırılgan hale geldiğinden kırık riski de artar. Özellikle kalça kırığıyla kendini gösterir. Tanısı Tanıda radyolojik olarak kemik mineral yoğunluğuna bakılması önerilir. Mavi sklera Kemik kırıkları Cam kemik hastalığı (osteogenesis imperfecta) RAŞİTİZM (RİKETS)