KEMİK BİYOKİMYASIKEMİK BİYOKİMYASIKEMİK BİYOKİMYASIKEMİK BİYOKİMYASI

Prof. Dr. Hülya AKSOYProf. Dr. Hülya AKSOY

• İskelet sisteminin görevleri• Kemik dokusunun içeriği

– Hücresel elemanlar – Ekstraselüler matriks

• İnorganik tuzlar• Proteinler• Proteoglikanlar

• Kemik, omurgalı iskeletini oluşturan, büyük ölçüde kalsifiye olmuş bağ dokusudur.

İskelet sisteminin başlıca görevleri:• 1. Vücudun hareketi için yapısal

destek• 2. İç organları korumak• 3. Kan hücrelerinin üretimi• 4. Mineral deposu (özellikle

kalsiyum ve fosfat)

Kemiğin yapısında• Hücresel elemanlar ve • Ekstraselüler matriks olmak üzere

iki farklı histolojik bölüm saptanır.

Hücresel elemanlar1. Kemik iliği elemanları ve 2. Kemik matriksi ile ilişkili

osteositler, osteoblastlar ve osteoklastlardan oluşur.

Ekstraselüler matriks• İnorganik tuzlar: Başlıca kalsiyum ve fosfor• Proteinler: Başlıca kollajen• Proteoglikanlar İnorganik tuzlar: Başlıca

kalsiyum ve fosfor• Proteinler: Başlıca kollajen• Proteoglikanlar• Çok az miktarda lipid ve su içerir. Maturitesini

tamamlamış kemikte hemen hemen su bulunmamaktadır.

a) İnorganik Matriks:%19-26 Kalsiyum%9-12 fosfat%2-4 karbonat içerir. Ayrıca vücut sitratının %70,•       Magnezyumun %60ı•       Sodyumun da %50 si kemik

dokusunda bulunur.•        Az miktarda flor iyonu içerir.

Kalsiyum fosfatın Çökmesi:

• Kalsiyum fosfat (Ca3(PO4)2 )suda çözünmez.

• Reaksiyon denklemi şu şekilde yazılabilir:

    MA M+ + A-

         • K= [M+] x[A-]• [MA]

Ksp: [M+]x[A-]

• [M+]x[A-], Ksp yi geçerse çökelme başlamaktadır.

Ksp; az çözünen bir tuzun doymuş çözeltisinde sıcaklık sabit iken iyonlarının konsantrasyonlarının (derişimlerinin) çarpımına eşittir.

• Buna göre M+ veya A- herhangi birinin veya her ikisinin konsantrasyonlarında artış çökelmeye sebep olacaktır.

        

Kalsiyum fosfat için denge

• 3Ca+2 + 2PO4-3 Ca3(PO4)2 ve

çözünürlük ürünü sabiti:

• Ksp= [Ca+2]3 [PO4-3]2

Bu değer pH ya bağımlıdır ve pH: 7 de 25 tir.

Kemik kristallerinin genel formülü Ca10(PO4)6(X)2 şeklinde yazılabilir.

X: OH- ise hidroksi apatit,

X: F-ise floro apatit olarak isimlendirilir.

Kristallerin çoğuCa10(PO4)6(OH)2 yapısındadır.

• Bu inorganik materyaller kemik volümünün ¼ ünü oluşturur. Geri kalanı organik matrikstir.

Organik ve inorganik fazlar arasında dansite farkından dolayı

çözünmeyen mineraller kemik ağırlığının yarısını oluşturur.

KEMİK DOKUSU PROTEİNLERİ

1. Kollajen, • Vücutta en bol bulunan proteindir. • Üçlü heliks yapıdadır. • Her bir polipeptid zinciri alfa heliks

benzeri yapıdadır. • Kollajenin en az 19 farklı tipi bulunur.

Vücuttaki kollajenin % 90’ ı tip I kollajendir.

• Kollajenin aminoasit sıralaması GLİSİN-X-Y şeklindedir.

• X-Y lerin 1/3 ünü ise pirolin ve hidroksipirolin oluşturur.

• Tip I kollajende zincirin karboksil ucuna yakın yerde sadece 1 veya 2 adet 3-hidroksipirolin rezidüsü bulunur.

• Geri kalan hidroksipiroliller 4-hidroksipirolin şeklindedir.

• Lizin rezidülerinin bazıları da hidroksillenmiş haldedir.

• Hidroksilizillere O-glikozidik bağla galaktoz veya galaktoz-glukoz bağlanır.

• Ayrıca lizin rezidülerinin bazıları oksidatif deaminasyona uğrar ve aldehit grupları oluşur.

• Bu aldehit grupları ile diğer zincirde bulunan lizil artıkları ile reaksiyona girerek çapraz bağ oluştururlar.

1. Pirolil ve lizil rezidülerinin hidroksilasyonu2. Hidroksi lizil rezidülerinin glikozilasyonu3. Prokollajen polipeptitlerinin triple heliks

oluşturmalarıBu modifikasyonlar hücre içinde gerçekleşir

Kollajen sentez sonrası molekül içinde bazı değişikliklere uğrayarak

matur kollajen oluşur.

4. Prokollajenin kollajene dönüşümü5. Fibrillerin bir araya gelmesi6. Bazı lizil ve hidroksilizil rezidülerinin ε-

amino gruplarının oksidatif deaminasyonuBu modifikasyonlar ise hücre dışında

gerçeklesir.

• Kemikteki proteinlerin %90-95 ini tip I kollajen oluşturur. Az miktarda da tip V kollajen bulunur.

• Skorbut hastalığı diyeter C vitamini eksikliği sonucu görülür. Sebep; kollajen sentezi sırasında hidroksilasyonun yeterli olmamasıdır. Bunun sonucunda;

–         kanamaya eğilim–         Diş kaybı–         Deri altı ve eklemlerde kanama–         Kemiklerde mukavemetin azalması–         Enfeksiyonlar görülür.

Askorbik asitin bu reaksiyondaki rolü hidroksilaz enziminin kofaktörü olan demirin redükte formda (Fe+2) tutulumunu sağlamaktır.

Kollajen molekülleri osteoblastlarca sentezlendikten sonra ekstraselüler ortama salınır.

Kemiğin mineral bileşenleri ise çevredeki sıvı ortamdan sağlanmaktadır. Çevrede fazla miktarda bulunan kalsiyum ve fosfat iyonlarının birleşmesi ile çökelme yani kristalizasyon başlar.

• Kemik oluşumu sadece osteoblastların çevresinde olmaktadır.

• Kalsifikasyon olurken kemik hücrelerindeki proteazlar aracılığı ile ortamda bulunan proteoglikanlar yıkılır.

• Kristalizasyon arttıkça, kristaller kemikte bulunan proteoglikanlar ve suyun yerini alır.

• Kollajen ve glukozaminoglikan molekülleri vücutta bir çok bölgede bir arada bulunur ancak mineralizasyon sadece kemikte olur.

Sebep1. Yukarıda da bahsedildiği gibi Ca ve P

iyonlarının ortamdaki konsantrasyonlarının artması halinde çökelme başlamakta idi.

2. Ayrıca elektron mikroskopla yapılan çalışmalarda kemik mineral kristal oluşumunun kollajen fibrilleri arasındaki hollerde başladığı gözlenmiştir. Bu holler kemik ve diş gibi mineralize olan dokularda, tendon gibi mineralize olamayanlara göre daha geniştir.

2. GLA PROTEİNLER

• γ Kaboksi glutamik asit içeren proteinlerdir.

• Posttranslasyonel modifikasyon sırasında K vitaminine bağımlıdır.

• Bu proteinler Ca bağlar• Muhtemelen mineralize dokuda

regülator görevi vardır. • Hidroksiapatite affinitesi fazladır

• Bu proteinler :–         Osteokalsin (Bone gla protein)–         Matriks gla protein

Osteokalsin

• Kemikte kollajen dışında en fazla bulunan 49 aminoasitli bir proteindir

• Osteoblastlarda sentezlenir• Ca bağlayan proteindir• 1,25 dihidroksi vitamin D,

osteokalsin sentezini stimüle eder

• 3 adet glutamil artığı bulundurur

γ-karboksilasyona uğramış Osteokalsin

Osteoblast

γ-Carboxylase

Vitamin K

Osteocalcin Precursor Mature Osteocalcin

Ca++ Ca++ Ca++

• Kemik yapımı sırasındaki osteokalsinin %30’u dolaşıma salınır.

Matriks Gla Protein 5 adet glutamil artığı bulunduran bir

proteindir• Sadece kemikte değil aynı zamanda

damar düz kaslarında, kalp, böbrek ve akciğer gibi birçok yumuşak dokuda bulunmaktadır.

• Kemikte zamanından önce kalsifikasyonun önlenmesinde fonksiyonu olan proteinlerdir

• Diğer organ ve dokularda ise kalsiyumu bağlayarak kalsifikasyon olmasını önlemektedir.

3. Proteoglikanlar• Kemik yapısında ağırlığı 70 kDa-150

kDa arasında değişen proteoglikanlar da yer almaktadır

• Kemik dokusunda en fazla bulunan proteoglikan Kondroitin-4-sülfat tır.

• Ancak maturitesini tamamlamış kemikte çok az proteoglikan bulunur

4. Osteonektin, Osteopontin, asidik fosfoproteinler, bone morphogenic protein (BMP), osteoprotegerin gibi proteinler

Bu proteinlerin bir kısmı kemiğe spesifiktir. Konsantrasyonları az olmasına karşılık bazıları önemli görevler üstlenmişlerdir.

-BMP ektopik kemik büyümesini stimüle eder

-Osteoprotegerin osteoklastogenezi inhibe eder.

-Asidik fosfoproteinler: Bu proteinler de aspartat ve glutamat rezidülerince zengindir. Bone sialoprotein bu sınıftaki proteinlerdendir. Kalsifikasyonda önemli olduğu düşünülmektedir.

Lipitler• Kalsifiye olmuş dokular ekstraselüler

matriksinde lipid bulundurur (trigliserit, kolesterol ve fosfolipit)

 

CTxNTx

N-TELOPEPTIDEREGION HELICAL REGION

C-TELOPEPTIDEREGION

Pyr Dpd

Origin of Collagen Cross Links

Watts, N. B. Clin Chem 1999 45:1359-68, with permission.

Kemik Yapım Markerleri1. Osteokalsin2. Alkalen fosfataz3. Amino ve karboksi terminal

prokollajen 1

Kemik Yıkım Markerleri1. Hidroksi pirolin2. Hidroksi pirolin ve hidroksi lizin

çapraz bağ konsantrasyonu (Pyridinolin, deoksi pyridinolin)

3. N terminal telopeptit4. C terminal telopeptit5. Kemiğe spesifik asit fosfataz

Yaralanılan kaynaklar:

• 1. Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE. Tietz Textbook of Clinical Chemistry and Molecular Diagnosis. 4. Baskı, 2006.

• Murray RK, Granner DK, Rodwell VW. Harper’s Biochemistry, 27. Baskı, 2009.

• 2. Prof. Dr. Taner Onat, Prof. Dr. Kaya Emerk, Doç. Dr. Eser Y. Sözmen. İnsan Biyokimyası, 2002.