Hochschulausbildung auf Ungarisch, Englisch und Deutsch
Kapitel 1. 1. Orale Biologie
1.1. Test – Bildung des Zahnkeims; die Entwicklung (antwort)
1. Welche Zellphenotyp ist notwendig für Zahnbildung:
A. epithelial B. mesenchymal
C. sowohl epithelial als auch mesenchymal D. keine von denen
2. Zuerst mineralisierter Struktur/Komponente im Laufe der Zahnentwicklung?
A. Prädentin B. Mantel-Dentin C. Intertubulär Dentin D. Peritubulär Dentin
3. Die neben den Preodontoblasten stehenden Zellen von dem Schmelzorgan?
A. innere Schmelzepithel B. äussere Schmelzepithel C. Papilla
D. Follikeln
E. sekretiöse Ameloblasten
2. 1.2. Grundbestand (Fibren und Extracellular Matrix)
des Hartgewebe – Gabor Varga
spezialisierten Zellen (Osteoblasten, Zementoblasten, Odontoblasten, Ameloblasten). Diese Proteinreiche Grundsubstanz spielt eine wichtige Rolle in der Mineralisierung. Von der Menge hier ist der Hauptbestandteil des Bindegewebes das Kollagen. Obwohl es bei der Gestaltung der Grundstruktur wichtig ist, spielt es keine direkte Rolle bei der Bildung der ersten Kristalle. Die nicht-kollagenen Proteine (Glykoproteine, Phosphoproteine, γ-Karboxilglutamat enthaltende Proteine, Proteoglykane, Serumproteine) sind in viel kleineren Mengen vorhanden, aber sie initiieren, helfen oder hemmen die Mineralisierung.
Abbildung 1.14. Illustration 1. – Komponenten der Grundsubstanz von Hartgewebe
Die Zusammensetzung der Bindegewebe, der die überwiegende Menge der mineralisierten Gewebe gibt, und des Schmelzes, das ein epitheliales Sekret ist, unterscheiden sich deutlich. Letzteres wird detailliert bei der Amelogenese diskutiert.
Abbildung 1.15. Illustration 2. – Das wichtigste Proteinkomponenten der Knochen und Dentin
Der Name Kollagen bezeichnet nicht ein genau bestimmtes Molekül, sondern eher eine Familie von Proteinen.
Kollagen Typ I. ist in den mineralisierten Geweben dominant. Drei linksgängige Proteinhelix formen zusammen eine rechtsgängige Triplehelix.
Abbildung 1.16. Illustration 3. – Kollagen – Geflecht von drei Peptidketten
Alle Kollegene enthalten eine Triplehelix. Verschiedene Typen von Kollagenen befinden sich in verschiedenen Geweben.
Abbildung 1.17. Illustration 4.
Das Kollagen wird in der Form von einem wasserlöslichen Präkursor Prokollagen produziert.
Bei der Transformation von Prokollagen zu Kollagen werden die C- und N-terminale Regionen im extrazellulären Raum abgespaltet. Das Kollagen besteht aus drei unabhängigen Polypeptidketten, den sogenannten α-Ketten, die einzeln aus 1056 Aminosäuren bestehen. Jede α-Kette hat eine links drehende Helixstruktur, diese drehen sich umeinander zu einer rechts drehenden Superhelix. Die Aminosäuresequenz dieser Ketten zeigt eine charakteristische Periodizität mit der Wiederholung von Glycin-X-Y Tripeptiden, wo X und Y verschiedene Aminosäuren sind. In der X-Position ist häufig Prolin, in der Y-Position Lysin. In dieser Weise wiederholen sich in den α-Ketten 338 Gly-X-Y Triplette. Die Länge der Triple-Helix ist 297 nm.
Glycin ist die kleinste Aminosäure, die genau in den verfügbaren Raum passt. Prolin und Hydroxyprolin sind im Gegensatz zu anderen Aminosäuren nur zu eingeschränkter Drehung fähig und erhöhen damit die Stabilität der Triple-Helix-Struktur. Die Kollagen-Moleküle sind in fibrillären Fasern angeordnet mit periodischen Kreuzstreifen.
Abbildung 1.18. Illustration 5. – Die Struktur von Procollagen
Die Kollagen-Ketten werden auf dem rauen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert und danach durch Hydroxylierung und Glykosylierung posttranslational Modifiziert. Dies ist essentiell für die Faltung der Triple-Helix und wird von spezifischen Enzymen katalysiert. Prolin- und Lysin-hydroxylase enthalten Eisen (Fe2+) und nutzen molekularen Sauerstoff. Askorbinsäure (Vitamin C) ist ein wesentlicher Faktor in der Funktion beider Enzyme. Dies erklärt die Symptome der Vitamin-C-Mangelkrankheit Skorbut. Die abnormale Sequenz des Polypeptids verursacht die Erbkrankheit Osteogenesis imperfecta.
Die Transformation von Prokollagen zu Kollagen geschieht im Raum zwischen den Bindegewebszellen, mit spezifischen proteolytischen Enzymen und der Vernetzung des Kollagens wird es unlöslich.
Abbildung 1.19. Illustration 6. – Collagen-Biosynthese
Abbildung 1.20. Illustration 7. – Hydroxylierung während der Collagen-Biosynthese
Abbildung 1.21. Illustration 8. – Die Bildung von Collagen Triple-Helix-Struktur
Die Langlebigkeit des Kollagens ist sehr wichtig. Die meisten proteolytischen Enzyme können das vernetzte und unlösliche Kollagen nicht abbauen, dies erfordert spezifische Metalloproteasen, die Kollagenasen. Diese Enzyme können die Peptidbindungen aller drei Ketten gleichzeitig spalten.
Abbildung 1.22. Illustration 9. – Die enzymatische Spaltung von Collagen – Säugertier
Collagenasen
Die Nicht-Kollagen Proteine können mit der Oberfläche der Hydroxylapatit-Kristalle eine Wechselwirkung erstellen und so den Prozess der Mineralisierung beeinflussen. Es gibt viele Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Proteinen, die wir jetzt diskutieren werden.
Aufgrund der vielfachen negativen Ladung ist die Struktur der Biomineralisierungs-Proteine ungeordnet, sogar ausgeprägter als bei den Transkriptionsfaktoren. Diese ungeordnete und flexible Struktur kann wegen den extrem schnellen Protein-Konformationsänderungen in der schnellen Entwicklung von Interaktionen eine Rolle spielen.
Abbildung 1.23. Illustration 10. – Die Interaktion zwischen den freien Ionen und Hydroxyapatit-Kristalle
Abbildung 1.24. Illustration 11. – Häufigkeit der Entropie in Aminosäurenketten von
Proteine mit unterschiedliche biologische Funktionen
Die Mehrheit der Bindegewebsproteine ist ein Glykoprotein mit einer oder mehreren Kohlenhydrat-Gruppen, typischerweise Sialinsäure. Sialoproteine sind sehr säurehaltig, ca. 20% ihres Gewichts sind diese Kohlenhydrate. Die wichtigsten Mitglieder dieser Gruppe sind Sialoprotein I (Osteopontin) und Sialoprotein II, das auch erhebliche Mengen an Phosphat enthält.
Abbildung 1.25. Illustration 12. – Sialinsäure, die Hauptkomponente der Sialoproteine
In den Peptidketten führt die Modifizierung von Glutamin zur entstehung von γ-Karboxi-Glutaminsäure (Gla).
Diese enzymatische Reaktion erfordert Vitamin K und Bicarbonat. Die Gla-Gruppen wirken als Kalzium-Bindungsstellen. Diese sind Osteocalcin (OC), Knochen-Gla-Protein (bone Gla-Protein, BGP) und Matrix-Gla-Protein (MGP). Bei Vitamin-K Mangel in Tieren werden Matrix-Gla-Proteine nicht karboxiliert und ihr Einbau deutlich reduziert. In diesem Fall sind jedoch keine dramatischen Veränderungen in der Knochenstruktur, nur kleinere Änderungen in der Epiphyse. Dies führte zu der Erkenntnis, dass sie die Kalzifizierung tatsächlich hemmen oder modulieren und in vitro die Bildung von Hydroxylapatit-Kristallen verlangsamen.
Abbildung 1.26. Illustration 13. – Die Struktur der Proteoglykane
Proteoglykane sind Konjugate, die aus Proteinen und Aminoglükanen entstehen. Glukose-Aminoglükane sind zwei verschiedenen, sich wiederholenden Einheiten von Zucker. Eine Einheit ist Hexoseamin (D-Glucosamin oder Galactosamin), die sulfatiert sein kann, die andere ist Glucuronsäure oder Galaktose. Sie tragen zu der gelartigen Konsistenz der Matrix bei und verlangsamen die Mineralisierung mit ihrer Kalziumbindungskapazität. Proteoglycane werden in nicht-mineralisierten Bindegeweben akkumuliert, ihre Menge wird während der Mineralisierung deutlich reduziert.
Abbildung 1.27. Illustration 14. – Die Bildung von γ-Carboxy-Glutaminsäure
In den Phosphoproteinen binden Phosphatgruppen kovalent zu der Proteinkette in Form von Phosphothreonin oder Phosphoserin. Die Affinität der Phosphationen gegenüber Ca2+-Ionen ist sehr stark, das in der Matrix gebundene Phosphat spielt eine entscheidende Rolle bei der Initiierung der Mineralisierung und ist außerdem Phosphatdonor in diesem Prozess.
Die zwei häufigsten Phosphoproteine im Knochen sind Osteopontin und Osteonectin. Das Phosphoprotein im Dentin ist Dentin-Sialophosphoprotein (DSPP, auch Phosphoforin genannt), die nur Phosphoserin enthält.
Abbildung 1.28. Illustration 15. – Die wichtigsten Aminosäuren der Phosphoproteine
von Hartgewebe
Aus Knochen und Dentin können Plasmaproteine wie Albumin und α2HS-Glykoprotein extrahiert werden.
Ihre Bedeutung ist jedoch nicht bekannt. Die inerten Kollagene spielen keine direkte Rolle bei der Mineralisierung. Diese Nicht-Kollagen-Proteine funktionieren in erster Linie als Strukturelemente und Initiatoren der Mineralisierung, die dessen Fortschritt hilfen oder hemmen. Allerdings können viele andere, in kleinen Mengen vorhandene Peptide oder Proteine als Transkriptions- und Differenzierungsfaktor wirken, und so die Motilität von Zellen regulieren oder als Enzym in Prozessen einbezogen sein.