KEMİK DOKUSU

Prof. Dr. Yıldız DİNÇER

CTF Biyokimya Anabilim Dalı

• Kemik yaşayan bir dokudur• Kemik dokusunun görevleri:• Yapısal fonksiyon (iskelet yapısı)• Vücut boşluklarındaki yumşak dokuların • korunması• Hareket esnasında kas kasılmasının bir • bölümden diğerine aktarılması, eklemlerin • desteklenmesi• Hormonal kontrol altındaki iyon deposu

Kemik dinamik bir dokudur• Vücut iskelet sisteminde kalsiyum, fosfor diğer

dokulardakine göre çok daha fazla bulunmaktadır• Kemik kalsiyum ve fosfat iyonları plazmadaki kalsiyum

ve fosfat iyonları ile dinamik bir denge içindedir• Kemik dokusunda kalsiyum ve fosfor sürekli biçimde

depolanmakta ve salıverilmekte olup bu olay hormonlar tarafından düzenlenmektedir

• Kemik sürekli yıkılıp-yapılan bir dokudur• Kemik dönüşümü üzerinde kalıtsal faktörler ve çevresel

faktörler de etkilidir. Genellikle;• *Çocukluk ve ergenlikte yapım yıkımdan fazladır• *Ergenlik sonrası 35 yaş civarına kadar yapım- yıkım

dengededir. Bu yaştan sonra yıkım gitgide artar

Kemik dokusunun yapısı

• Kemik bir organik matriks içine yerleşmiş minerallerden oluşur

• Organik yapıda;• Tip I kollajen,çok az miktarda tip V kollajen,

mukopolisakkaridler, kemik proteinleri• İnorganik yapıda;• Kalsiyum, fosfor, sodyum, magnezyum,

klorür ve florür iyonları tuzları özel kristal yapıda

• bulunur

İnorganik yapı

• Kemik dokusunun mineral kısmında en fazla miktarda kalsiyum ve fosfat; daha az olarak magnezyum, sodyum ve potasyum bulunur

• Kemik dokusunda yer alan kalsiyum ve fosfat dışındaki diğer mineraller karbonat, florid, hidroksit ve sitrat bileşikleri şeklindedir

• Kemikte yer alan kalsiyumun büyük bir kısmı hidroksiapatit kristalleri Ca10(PO4)6 (OH)2

şeklindedir

• Çubuk veya disk görünümünde olan kristallerin yoğunluğu 3.0 kadardır

• Vücutta bulunan;

• Mg2+ iyonlarının %60 kadarı

• Na+ iyonlarının %50 kadarı

• Sitratın %70 kadarı

• ve K+ iyonlarının küçük bir bölümü kemik dokusunda bulunur

• Kemiklerde hidroksiapatit kristal ağ yapısında yer alan kalsiyum iyonu diğer iki değerlikli iyonlar ile yer değiştirebilmekte ve fosfat ile hidroksil anyonları dışında kalan anyonlar küçük kristallerin meydana getirdiği geniş alanlarda adsorbe edilmektedir

• Kemik ve diş yapısına florid iyonunun katılması kristal ve amorf kalsiyum fosfat oranını arttırarak dokunun sertleşmesini sağlamaktadır

• Kemikte bu mineral tuzlarının oluşumu kalsifikasyon olarak tanımlanır

• Kalsifikasyon büyüme ve kemiklerin hasar görmesi sonrasında onarımında büyük önem taşır

• Hasarlı kemik dokusundan salınan çeşitli büyüme faktörleri organik matriks sentezini uyarırlar

Kemik dokusunda organik matriks

• Ağırlıklı olarak tip I kollajen, mukopolisakkaridler, osteokalsin, osteonektin, kemik siyaloproteini, kartilaj matriks proteininden oluşur. Çok az miktarda kolesterol ve trigliserid de bulunur

• Tip I kollajen: Dayanıklı, lif şeklindeki yapısal proteindir. Tip I kollajen tendon ve deride de bulunur ancak kemikteki tip I kollajenin yoğunluğu ve mekanik gücü daha fazla, çözünürlüğü daha düşüktür

• Osteokalsin:Vitamin K bağımlı 49 amino asit içeren protein. Üzerinde bulunan gama karboksi glutamat kalıntıları aracılığı ile kalsiyumu bağlar

• Osteonektin:Mineral bağlayıcı bir asit glikoproteindir. Kollajen ve mineral bağlayabilen bölgeleri vardır. Hidroksiapatit yapısına osteokalsinden 5 kat daha güçlü bir şekilde bağlanır

• Kemik siyaloproteini: %20 sialik asit içeren asidik bir fosfoproteindir. Hücre ve kalsiyum bağlayıcı bölge içerir.

• Mukopolisakkaridler: Kemikte çok sayıda proteoglikan bulunur. Bunların büyük bir kısmını kondroidin 4-sülfat oluşturur

Kemik hücreleri

• Kemiklerde osteoblastlar, osteoklastlar, osteositler ve osteoprogenitör hücreler bulunur

• Kemiğin dış kısmında bone lining cell olarak adlandırılan ve kemik yüzeyini saran, mineral homeostazisini kısa süreli olarak düzenleyen hücreler yer alır

• 1. Osteoblastlar• Kemik oluşumundan sorumlu, tek çekirdekli

hücrelerdir. Bol endoplazmik retikulum, golgi ve kollajen vezikülleri içerirler

• Osteoblastlar; • A)Organik matriksi sentezlerler• B)Mineralizasyonu sağlarlar• C)Kemik rezorbsiyonunda anahtar rol oynarlar.

(Osteoklastların uyarılması osteoblastler aracılığı ile olur)

• Hücre yüzeyinde parathormon, D-vitamini ve östrojen reseptörleri bulunur

• Plazma membranında alkali fosfataz enzimi yer alır• Alkali fosfataz fosfat esterlerini hidrolizleyerek

kemik mineralizasyonunu düzenler• Alkali fosfataz aktivitesi ile serbestleşen fosfat

iyonları (PO4)3 Ca+2 ile çözünürlüğü çok az olan dayanıklı tuzlar oluştururlar

• Osteoblastlar oluşturdukları organik matriks tarafından çevrilir ve bu aşamada osteosit adını alırlar. Osteositler kemik döngüsü sürecinde dinlenme hücreleridir.

• Olgunlaşma sırasında organik matriks çözünmeyen fibriler bir ağ tabakası oluşturur. Çevredeki interstisyel sıvıdan alınan kalsiyum ve fosforun çökelmesiyle mineralizasyon oluşur

• Organik matrikste bulunan mukopolisakkaridler mineralizasyonun artması ile lizozomal enzimlerce parçalanır

• Mineraller mukopolisakkaridler ve su ile yer değiştirir. Yoğun ve tam mineralize bir kemikte su bulunmaz

• 2. Osteoklastlar• Kemik rezorbsiyonundan sorumlu çok nükleuslu

hücrelerdir. Bol mitokondri içerirler. Rezorbsiyonda kilit rol oynayan tiftikli bir kenara sahip, apikal bir zar bölgesi olan membran içerir.

Osteoklastlar kemik iliğinde granulosit-makrofaj koloni oluşturan uniteden (G-M CFU) kaynaklanırlar

• ATP bağımlı bir H+ translokaz ile protonlar hücre dışına çıkarılır ve bu bölgede pH düşer. Böylece hidroksiapatit kristallerinin çözünürlüğü artar, rezorbsiyon başlar. Plazmaya Ca+2 ve fosfor salınır

• Osteoklast membranında kalsitonin reseptörleri bulunur. PTH ve D-vit reseptörleri bulunmaz

• Osteoklastlar tartara dirençli asit fosfataz ve karbonik anhidraz içerir

Kemik metabolizmasını etkileyen faktörler

• Paratiroid hormon• D-vitamini• Kalsitonin• A-vitamini, C-vitamini• Östrojen, testosteron• Bazı prostaglandinler ve sitokinler • Glukokortikoidler• Tiroid hormonu, insülin, büyme hormonu, IGF-I• Asidoz

Paratiroid hormon

• Serum kalsiyum düzeyi azaldığında salınarak, serum kalsiyum düzeyini ayarlar

• Bunu;• 1.Kemiklerden kana kalsiyum geçişini sağlayarak• 2.Böbreklerden kalsiyum geri emilimini arttırarak• 3.Barsaktan kalsiyum emilimini arttırark

gerçekleştirir

D-vitamini

• İntestinal kalsiyum absorbsiyonunu arttırır

• Kemik mineralizasyonunu arttırır

• Osteoblastları aktive ederek kemik oluşumunu uyarır

Kalsitonin

• Kemiklerde osteoklast sayısı ve aktivitesini azaltır

• Kemiklerde rezorbsiyonu kısıtlayarak kemikten kalsiyum ve fosfor kaybını önler, serum kalsiyum ve fosfor düzeyini azaltır

• Kalsitonin böbreklerde kalsiyum ve fosforun tübüler geri emilimini azaltır

A-vitamini ve C-vitamini

• Bu vitaminlerin her ikisi de iskelet sisteminin gelişme ve büyümesi için gereklidir. Ancak hipervitaminoz A osteoklastik aktiviteyi arttırmaktadır

• C-vitamini kemik organik matriksinde yer alan kollajenin sentezi için gereklidir

• (lizil ve prolil kalıntılarının hidroksilasyonu sırasında kofaktördür). C-vit eksikliğinde kollajen yapısı bozulacağından hatalı kalsifikasyon oluşur

Östrojen ve testosteron

• Ergenlikte kemik gelişimini hızlandırırlar

• Östrojen osteoklastik aktiviteyi azaltır. Postmenapozal dönemde kadınlarda artan osteoporoz, östrojen üretiminin önemli ölçüde azalmış olmasının bir sonucudur

Bazı prostaglandinler ve sitokinler

• PGI2, PGE2

• TNF-α, TNF-β ve IL-1

• osteoklastik aktiviteyi uyarırlar

Tiroid hormonu, insülin, büyme hormonu, IGF-I

• Bu hormonların hepsi normal iskelet gelişimi için gereklidir

• İskelet sisteminin gelişimi ve metabolizmasını düzenlerler

• Ancak hipertiroidi durumunda osteoklastik aktivite artmaktadır

Asidoz

• Osteoklastik aktiviteyi uyarır

Glukokortikoidler

• Fizyolojik dozlarda glukokortikoidler prostaglandin aracılı mekanizmayı baskılayarak rezorbsiyonu inhibe ederler

• Yüksek dozlarda ise demineralizasyon yaparlar, barsaktan kalsiyum emilimini, osteoblast fonksiyonunu ve D-vitamininin aktif ürünlere dönüşümünü inhibe ederler

• Osteoporoz: Kemik kütlesinde azalma

• Osteomalazi:D-vit eksikliği veya direnci nedeniyle kemik mineralizasyonunda azalma (bebeklerde raşitizm)

Kemik yapım belirteçleri

• 1. Serum alkali fosfataz aktivitesi• 2. Serum osteokalsin düzeyi• 3.Prokollajen tip I C ve N terminal uzatma peptidleri

1. Alkali fosfataz (ALP)

• Kemik oluşumu sırasında osteoblastik aktiviteyi gösteren ALP’ın üç farklı genden kaynaklanan plasental, karsinoplasental, intestinal ve hepatik-renal/iskelet olmak üzere dört adet izoenzimi bulunmaktadır

• Serumdaki ALP’nin esas kaynağı karaciğer ve kemiktir

• Kemik, karaciğer ve böbrek izoenzimleri aynı genin ürünü olmalarına rağmen, dokuya spesifik posttranslasyonel glikolizasyon farklılıkları nedeniyle ayrı fizyokimyasal özellikler gösterirler

• Kemik Alkalen fosfatazı (B-ALP) osteoblastlar tarafından yapılır. B-ALP kemik döngüsünün yapım aşamasında çok yüksek konsantrasyonlarda üretilmekte, genel kemik yapım etkinliği hakkında iyi bir fikir vermektedir

• Yarı ömrü 1-2 gün olan ALP, Osteokalsine göre daha kullanışlı bir parametredir

• Serumda total alkalen fosfataz aktivitesi Paget hastalığı gibi bazı metabolik kemik hastalıklarında artar, osteoporozda genellikle normaldir, hiperparatiroidizmde artar

2. Osteokalsin

• Osteoblastlarca sentezlenir ve kemiğin ekstrasellüler matriksine girer, çok az bir kısmı dolaşıma geçer

• 1,25 vitamin D3 tarafından sentezi uyarılır. Üç adet glutamik asit kalıntısı içerir. K vitaminine bağlı olarak gama-karboksilasyona uğrar ve kalsiyum bağlama yeteneği kazanır

• Hidroksiapatite karşı yüksek aktivitesi vardır ve kemikte hidroksiapatit kristalleriyle birleşik olduğu düşünülmektedir. Yarı ömrü oldukça kısadır ve böbrek tarafından dolaşımdan uzaklaştırılır

• Vücut kemik yıkımı sırasında osteokalsin parçalanır ve molekülün % 70’i dolaşıma girer. Dolaşımdaki osteokalsin kemik yapımı sırasında yeni sentezlenmiş veya yıkım sırasında ortama verilmiş olabilir. Bu nedenle osteokalsinin osteoblast aktivitesi belirteci olup olmadığı zaman zaman tartışılmaktadır

• Ancak genel olarak osteblast aktivitesi göstergesi olarak kabul edilmektedir

• Serum osteokalsin düzeyi hiperparatiroidizm, hipertiroidizm, kırıklar, akromegali, renal osteodistirofi ve renal yetmezliklerde artar

• Hipoparatiroidizm, hipotiroidizm, büyüme hormonu yetersizliğinde azalır

3.Prokollajen tip I C terminal uzatma peptidleri

• Prokollajen tip I, kollajenin öncü proteini olarak sentezlenir ve ve organik matriksin % 90'dan fazlasını oluşturur

• N ve C terminalde heliks olmayıp kısmen globüler bölgeler içermektedir

• Prokollajenin bu uç bölümleri (PINP ve PICP), prokollajenler hücreden serbestleştikten sonra spesifik peptidazlar tarafından kırılır. PICP ve PINP matriksin yapısına katılmayıp, extrasellüler matrikse verilmektedir

• Plazma total ALP aktivitesi ile serum PICP konsantrasyonu arasında iyi bir korelasyon olduğu gözlenmiştir.

• Ayrıca doku düzeyinde histomorfometri ile yapılan çalışmalarda serum PICP ve kemik yapımı arasında da iyi bir korelasyon saptanmıştır

Kemik yıkım belirteçleri

• Kemik yıkımı osteoklastlar tarafından gerçekleştirilmekle birlikte osteoblastlarda bu işlemde rol oynar:

• *Osteoblast kollajenazları ile kollajenin yüzey tabakası parçalanır

• *Osteoklastlar o bölgeye hareket eder• *Osteoblastlardan aktivatör maddeler

salınır ve osteoklastlar bu maddeler tarafından aktive edilir

• Kemik yıkım belirteçleri:

• 1. İdrar hidroksipirolini

• 2. İdrar hidroksilizin glikozidleri

• 3. İdrar piridinolin ve deoksipiridinolin

• 4. Tip-I kollajen çapraz bağlı telopeptitleri C-terminal (ICTP) ve N-terminal (INTP)

• 5. Asit fosfataz

• 6. Kemik sialoproteini (rutin kullanımları yoktur)

1. İdrar hidroksipirolini

• Hidroksiprolin, vücutta tüm kollajende bulunan temel aminoasittir. Kollajenin aminoasit içeriğinin % 13'ünü kapsar.

• Pirolinden posttanslasyonel hidroksilasyonla meydana gelir. Hidroksipirolin içeren peptitler kemik ve diğer dokulardan kollajenin prolitik yıkımıyla idrara verilir.

• İdrarla atılan hidroksipirolin toplamın  % 10’u kadardır. Geri kalan hidroksiprolinin yaklaşık % 90’ı karaciğerde metabolize edilir. Ayrıca hidroksipirolin Tip-I kollajenin sentezinden de açığa çıkar. İdrar hidroksipirolini diyetteki kollajenden etkilenir.

• Kemik yıkımının göstergesi olarak kullanılmasına rağmen hassas değildir. Karaciğerde hızla metabolize edilmesi, orijininin sadece kemik kollajeni olmaması, C 1q komplement ve diyetten etkilenmesi nedeniyle iyi bir belirteç olarak kabul edilmemektedir

• Ancak Paget hastalığı, osteoproz, metastaz yapmış kanser olaylarında idrar hidroksiprolini yaygın olarak kullanılan bir parametredir

2. İdrar hidroksilizin glikozidleri

• Kollajende hidroksiklizin kalıntıları, hidroksiproline göre daha azdır Hidroksilizin kalıntılarının tamamına yakını Galaktozil-hidroksilizine glikozillenir ve bu partiküler formu Tip-I kollajende boldur

• Kemik rezorbsiyonu olduğunda açığa çıkan hidroksilizin glikozidlerinin tamamına yakını idrarla atılır ve diyetten etkilenmez.

• Diyetten etkilenmediği için kemik kollajen yıkım hızını hidroksiproline göre daha doğru olarak gösterir

3. İdrar piridinolin ve deoksipiridinolin düzeyi

• Deoksipyridolin, iki hidroksilizin ve bir lizin kalıntısının kondansasyonuyla, komşu alfa zincirlerinde meydana gelir ve olgun kollajen fibrilleri yıkıldığı zaman açığa çıkar.

• Pyridolin ise üç hidroksilizin kalıntısından meydana gelir.

• Dpd sadece kemiğe özgüdür, ancak Pyd kemik dışında kıkırdak, tendon, ligament ve kan damarlarında da bulunmaktadır.

• Pyd ve D-Pyd'nin her ikisi de deri kollajeninde bulunmaz ve idrarla atılımları diyet kollajeninden etkilenmez 

• Kollajen matriks yıkıldığı zaman çapraz bağlı bileşenlerin her iki tipi de sirkülasyona katılır ve idrarla atılır

• İdrarla atılan Pyd ve Dpd’nin % 40’ı serbest, % 60’ı peptitde bağlıdır.

• Atılımları diürinal varyasyon gösterir, gece maksimumdur. Osteoproz, paget, hiper-paratiroidizmde idrardaki konsantrasyonları artmaktadır

4. Tip-I kollajen çapraz bağlı telopeptitleria) C-terminal (ICTP)

• ICTP’nin yapısı üç polipeptid zincirinin trivalen çapraz bağlarla bağlanmasıyla oluşmuştur.

• ICTP fragmanı kollajenin benzer iki a-1 zincirinin C-terminal telopeptitleriyle komşu kollajen molekülünün helikal bölgesine bağlıdır

• Tip-I kollajenin yıkımından sonra serumda ICTP seviyesi yükselir.

• ICTP’nin serumdaki konsantrasyonu osteomalasi ve hiperparatiroidizimde olduğu üzere metabolik kemik rahatsızlıklarında kemik yıkımının oranlarıyla oldukça iyi uyum göstermektedir

• Ayrıca romatoid artirit, multiple myloma, karsinom kaynaklı kemik metaztazlarında da yükselmektedir

• ICTP belirteçı bazı patolojik durumlarda kollajen yıkımının göstergesi olarak kullanılabilir. Ancak menopoz öncesi durum, östrojen tedavisi gibi durumlarda fizyolojik kemik emilimindeki değişikliklerin ölçülmesinde uygun değildir

Tip-I kollajen çapraz bağlı telopeptitleri

b)N-Terminal (INTP)

• Tip-I kollajenin helikal sitesinde bulunan iki N telopeptidinin bir tanesinden INTP neopeptidi çıkar

• İdrardan ekstrat edilen bu iki peptit hala pyridolin artıklarına bağlıdır.

• İdrarda; INTP, kemik yıkımı için spesifik ve hassas bir göstergedir

• Tip-I kollajen azalmasını INTP ve diğer belirteçler yansıtır ancak INTP diğerlerine göre daha spesifiktir. Çünkü kemikte osteoklast aktivasyonu sonucu yıkılan Tip-ı kollajenden, spesifik INTP çapraz bağları önemli miktarda açığa çıkmaktadır

• INTP, son zamanlarda basta osteoporoz olmak üzere geniş bir kemik hastalığı grubunda kemik yıkım oranım saptayan, diğerlerine göre daha hassas ve spesifik bir testtir

• Ancak INTP, osteoporoz için diagnostik bir test olarak kullanılmaz. Herhangi bir tedaviye başlamadan önce bazal değer olarak alınır ve daha sonra tedavinin takip ve değerlendirilmesinde kullanılır

5. Tartara dirençli asit fosfataz

• Aktif kemik yıkımı esnasında osteoklastlardan salgılanan bir enzimdir. Asit fosfatazın 6 adet izoenziminden bir tanesidir, osteoklastlarda büyük miktarlarda bulunur ve kemik rezorpsiyonunda salgılanır

• Kemik yıkımı fazla olan kişilerde artış gösterdiği saptanmıştır. Ancak enzimin aktivitesi kan elemanlarından olduğu kadar birçok dokudan da kaynaklanabilmektedir bu nedenle yemik yıkımını değerlendirmede kullanımı sınırlıdır

6.Kemik sialoproteini

• Osteoblastlar tarafından sentezlenmektedir ve kemiğin kollajen olmayan organik matriksinin önemli bir bileşenidir

• Sialoprotein düzeyleri kemik rezorpsiyonu ile ilişkili uyumlu sonuçlar vermektedir. Osteoporozda yükselmektedir