Какие химические элементы содержатся в зубах

Химический состав эмали

Первые сведения о химическом составе эмали зубов человека получены в 30-х годах XX века: приблизительно 1% составляет влага и 99% сухой остаток, из которого на долю органического вещества приходится 6%, неорганической субстанции — 93%. Продолжающиеся с тех пор исследования позволили внести лишь небольшие поправки в эти данные.

Толщина эмали зуба неодинакова в различных участках коронки и колеблется от 0,01 мм у шейки зуба до 3,5 мм на жевательной поверхности в области бугров. Эмаль представляет собой кристалл, обладающий значительной твердостью. По данным С. М. Ремизова (1965), твердость эмали достигает 397,6 кг на 1 мм2 образца.

Химический состав эмали зуба, по данным аналитических методик, представлен в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав эмали (в процентах)

По обобщенным современным данным, полученным с помощью более точных методов исследования, включая такие, как электронный микроанализ и др., химический состав эмали следующий:

Вода 3,8%

Органические вещества 1,2%

Неорганические вещества 95,0% из них:
– кальция 37,0%
– фосфора 17,0%

При сопоставлении старых и новых данных о химическом составе эмали зуба обращают на себя внимание некоторые различия в количестве воды (влаги) и органического вещества. Такие «изменения» химического состава в сторону уменьшения содержания органического вещества и увеличения воды обнаружены благодаря тому, что в эмали стали дифференцировать свободную воду, которая испаряется при высушивании зуба, и связанную воду (кристаллическую), которая составляет гидратную оболочку кристаллов апатитов.

Эмаль может терять связанную воду лишь при воздействии на ткань очень высокой температуры (сжигание, при 600—900° С). Из этого следует, что связанную воду принимали ранее за органическую фракцию эмали, поскольку она вместе с органической субстанцией терялась при сжигании. Следовательно, в эмали имеется около 1% влаги (свободной воды), примерно 2—3% воды в составе кристаллов апатитов (связанная вода), 1,2—1,6% органических веществ, а остальное — соли минеральных элементов и микроэлементы.

В эмали обнаружено много других, ранее неизвестных элементов в виде микропримесей. В настоящее время известно около 20 микроэлементов в составе неорганической фракции эмали. Главные из них: фтор, олово, цинк, железо.

С помощью современных методик получены новые данные о распределении кальция, фосфора, магния и микроэлементов в толще эмали. Оказалось, что концентрация минеральных элементов постепенно уменьшается, а концентрация белка увеличивается по направлению от поверхности эмали к эмалеводентинпому соединению. В поверхностном слое эмали содержатся такие элементы, как фтор, цинк, олово, свинец, железо в концентрациях, которые зависят от состава ротовой жидкости. Карбонаты, натрий и магний обнаруживаются в относительно больших концентрациях в глубоких слоях вещества эмали.

Рисунок 1. Распределение фтора в эмали при кариесе в стадии белого пятна: 1 – белое пятно; 2 – интактная эмаль; 3 – эмаль здоровых зубов

Большое внимание в исследованиях химического состава эмали уделяется фтору, колебания содержания которого весьма значительны (от следов до 1%). Получены новые сведения о распределении фтора в слоях эмали (рис. 1).

Brudevold и Gardner (1956) показали, что в наибольших количествах (до 1%) фтор содержится в поверхностных слоях.

Дентин сравнительно меньше обызвествлен, чем эмаль, его микротвердость составляет 58,9 кг/мм2. В минеральной фракции дентина основными компонентами являются кальций и фосфор. Кроме того, в нем содержатся также магний, натрии и многие микроэлементы.

По данным Л. В. Полежаевой (1968), дентин свежеудаленных зубов человека имеет следующий состав:

Влага 0,1%

Органические вещества 27,1%

Кальций 28,4%

Фосфор 15,8%

Магний 0,99%

Природа минеральных соединений твердых тканей зубов

Минеральные вещества представлены в эмали и дентине зуба в виде соединений, образующих кристаллическое апатитоподобное вещество. Методом микрорентгенографии, дифракционными микроанализами было показано, что в эмали имеются несколько видов апатитов, среди которых преобладают гидроксилапатиты. По Bowes и Murray (1936), Н. И. Смоляр, С. М. Бибик (1975), апатиты в эмали находятся в следующем соотношении: гидроксилапатита 75,04%, карбонатапатита 12,06%, хлорапатита 4,4%, фторапатита 0,66%, СаСО3 1,33%, MgCО2 1,62%.

По морфологическим признакам апатиты эмали подразделяют на гидроксилапатиты, октакальций фосфат, брушиты и визлокиты со значительным преобладанием гидроксилапатитов в этом наборе. Сделаны попытки определить химическую формулу гидроксилапатитов эмали.

Различные виды апатитов эмали распределены в ней неравномерно. Так, в поверхностных слоях в относительно больших количествах находят фторапатит, а в глубоких — карбонатапатиты. Г. Н. Пахомов (1968) методом рентгеноструктурного анализа установил, что наиболее минерализован поверхностный слой эмали толщиной до 3 мкм, кристаллическая решетка апатитов в этом участке более плотная по сравнению с глубжележащими слоями. Подтверждение этих данных можно найти в работах Mortimer (1970), Robinson, Hallsworth, Weatherell (1971). Величины параметров кристаллической решетки эмали зубов колеблются в широких пределах, поэтому Г. Н. Пахомов (1977) утверждал, что основное неорганическое вещество эмали зубов человека есть апатитоподобное вещество. Провести строгую дифференциацию различных типов апатитов автору не удалось.

С возрастом возможны изменения в структуре апатитов эмали. Это происходит за счет поступления в нее новых минеральных и других элементов. Особая роль в этом аспекте принадлежит фтору. На возможность образования фторапатитов указывал И. Г. Лукомский (1948).

Brudevold, Gardner, Smith (1956) установили, что с образованием новых фтористых соединений в твердых тканях зуба меняется кристаллическая решетка, повышается ее плотность, уменьшается пространство между кристаллами, снижается проницаемость эмали.

Апатиты в составе дентина зуба имеют характеристики, аналогичные таковым эмали, однако содержание X меньше (в процентах к объему). Основным апатитом дентина является гидроксилапатит — фосфат кальция, кроме того, имеется некоторое количество карбоната кальция, фторида кальция и других соединений. Вследствие меньшего содержания апатитов в дентине твердость его во много раз ниже по сравнению с эмалью. Результаты исследований минерального компонента твердых зубных тканей указывают на принадлежность их к апатитоподобному кристаллическому веществу. В связи с этим следует предполагать, что многие свойства эмали вытекают из самой природы апатитов.

Органический состав эмали и дентина

По современным данным, в эмали зуба содержится небольшое количество органического материала (1,2— 1,6%). Органическая фракция эмали состоит из белков, липидов, углеводов и цитратов. Химический состав белков эмали изучали Losee и Hess (1949), Stack (1954), Eastoe (1963), Tinanoff и соавт. (1976), Chao и соавт. (1976). Белки эмали сформированных постоянных зубов человека подразделяются на нерастворимую в кислотах и ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота) и растворимую фракции. Из них также выделены пептиды и свободные аминокислоты.

В органической части эмали выявлены кислотонерастворимая карбогидратная фракция и кислые мукополисахариды. С помощью газохроматографии в эмали найдены пропионовая и уксусная кислоты, а также комбинированная сульфурная кислота в составе мукоитина сульфата. Ю. Н. Копаев и соавт. (1976) обнаружили активность дыхательных ферментов в твердых тканях зубов.

Несмотря на большие методические трудности в изучении органической фракции эмали из-за малого ее количества и сложности получения образцов, в последние годы предпринят ряд биохимических исследований ее, в частности белков эмали. Аминокислотный состав белков эмали определяли в здоровых зубах человека, удаленных по медицинским показаниям или взятых от трупов. Использованы резцы, клыки, премоляры и моляры. Эмаль фиссур не исследовали, так как белок фиссур, как указывал Pincus, отличается от белка остальных участков эмали.

Зубы после тщательной обработки подвергали лиофильной сушке 6—8 ч, после чего эмаль скалывали кусочками. Измельчение эмали производили в стальной ступке или прессом под давлением до 50 кг/см2. Порошок просеивали через сито с отверстиями 0,4 мм и подвергали флотации.  Было использовано 208,3  г эмали.

Элементарный анализ растворимых белков эмали показал следующий состав: углерода 39,93%, водорода 6,70%, фосфора 1,21%, азота 8,06%. В растворимой в ЭДТА фракции эмали углеводы (полисахариды, гексоза и пентоза) составляют 5,5%, преобладают полисахариды. При хроматографическом исследовании гидролизатов белков эмали установлено, что в них содержится большинство аминокислот, содержащихся в белках: аспарагиновая, глутаминовая, серии, глицин, пролин, оксипролин, аланин, валим, фенилаланин, лейцин, изолейцин, аргинин (табл. 2).

Таблица 2. Аминокислотный состав белка эмали

Путем сравнительного хроматографического исследования нерастворимых белков обнаружено, что аминокислотный состав их отличается от растворимых белков более высоким содержанием глицина, отсутствием треонина и непостоянным наличием аргинина (см. табл. 2). Кроме того, в нерастворимой белковой фракции содержится больше пролина и оксипролина. В нерастворимой фракции белка нормальной эмали найдены асиарагиновая и глутаминовая кислоты, серин, аланин, глицин, фенилаланин, лизин, валин, лейцин, нзолейцин, пролин, оксипролин, аргинин, гистидин.

На растворимый белок эмали оказывают воздействие нротеолитические ферменты. Для трипсина величина гидролиза составляет 0,8%, для химотрипсина — 0,62% и для коллагеназы — 1. 

Действие протеолитических ферментов на нерастворимый белок эмали зубов

После инкубации нерастворимого белка эмали с трипсином и химотрипсином мы определяли N-концевые аминокислоты в образовавшихся пептидах. При действии трипсина на белок эмали обнаружены глицин, дикарбоновые аминокислоты, серин, валин, лейцин, аргинин. При действии химотрипсина на белки эмали на хроматограммах проявлялись пятна дикарбоновых аминокислот, серина, алаинина, треонина, валина, лейцина, глицина, лизина. Получены данные о глубине гидролиза нерастворимого белка эмали протеиназами, выраженные в процентах расщепившихся связей по мнимому компоненту пептидных связей (табл. 3).

Более детально нами исследовано действие коллагеназы на нерастворимый белок эмали интактных зубов. Определяли не только N-концевые, но и С-концевые аминокислоты в пептидах, образовавшихся после реакции белка эмали с коллагеназой. Для сравнения проведено такое же исследование с преколлагеном. выделенным из кожи крыс. Результаты гидролиза нерастворимого белка эмали коллагеназой соответствуют специфичности действия этого фермента: на хроматограмме определения N-концевых аминокислот обнаружены глицин и в меньшем количестве аланип. Эти данные аналогичны тем, которые получены при реакции коллагеназы с преколлагеном.

Таблица 3. Действие протеиназ на нерастворимый белок эмали (N-концевые аминокислоты, освободившиеся при гидролизе, в микрограммах)

При определении С-концевых аминокислот после действия коллагеназы на нерастворимый белок эмали выявлены океипролнн, в меньшем количестве глицин и слабо окрашенное пятно алапина. Глубина гидролиза эмали коллагеназой (по аминному компоненту и пептидной связи) составляет 1%, т. е. несколько выше, чем при гидролизе протеиназами.

В интактной эмали зубов человека найдены свободные аминокислоты: глицин, валин, пролин, оксипролин (табл. 4). Эти аминокислоты получены в результате обработки 128 г порошка эмали карбоаминово-аммиачным буфером.

Таблица 4. Содержание свободных аминокислот в эмали зубов человека

Несмотря на новые данные относительно органического вещества эмали, остается нерешенным вопрос об обновлении белка в эмали зубов человека. Так, в ней обнаружены аминокислоты пролин и оксипролин. На этом основании белок в эмали относят к коллагену и тем самым допускают возможность его обновления. Другие исследователи считают белок эмали кератином, который в течение всей жизни организма не обновляется.

На основании наших данных о содержании пролина, оксипролина, больших количеств глицина и отсутствии цистина в белках эмали, а также учитывая действие протеолнтических ферментов на нерастворимый белок эмали, следует отметить, что белок эмали является сложным и наряду с другими включает белок коллагенового типа.

Органическое вещество эмали содержится главным образом в кутикуле, ламеллах (эмалевых пластинках) и межпризменных пространствах. Отмечены колебания концентрации органического вещества в различных слоях и на разных участках эмали коронки зуба. Так, в области плоских поверхностей зуба в составе эмали меньше белка, чем в волнистых участках зуба. Концентрация органического вещества увеличивается от поверхности эмали по направлению к эмалево-дентинному соединению.

В дентине содержится около 30% органического вещества. Оно состоит из белков, жиров и углеводов — полисахаридов. Аминокислотный состав белка дентина типичен для коллагена (большое количество глицина, пролина, оксипролина и отсутствие серосодержащих аминокислот).

Таким образом, основными компонентами твердых тканей зуба являются минеральные элементы кальций и фосфор, органических веществ в эмали имеется лишь ничтожное количество. Содержание минеральных элементов и в особенности микроэлементов и органических веществ в зубных тканях в норме широко варьирует. Распределение элементов в эмали соответствует степени плотности ее.

Значимость полученных результатов в теоретическом и практическом отношении бесспорно велика. Знание точного химического состава твердых зубных тканей, характера распределения элементов в различных слоях и областях эмали зубов разных индивидуумов способствует раскрытию особенностей патологического процесса.

Е.В. Боровский, П.А. Леус

Опубликовал Константин Моканов