Einmal aktiviert, bewegen sich Osteoklasten durch Chemotaxis in Bereiche der Mikrofraktur im Knochen. Osteoklasten liegen in kleinen Hohlräumen, den sogenannten Howship-Lakunen, die aus der Verdauung des darunter liegenden Knochens gebildet werden. Die Dichtzone ist die Befestigung der Plasmamembran des Osteoklasten am darunter liegenden Knochen. Dichtzonen werden von Bändern mit spezialisierten Adhäsionsstrukturen begrenzt, die Podosomen genannt werden. Die Bindung an die Knochenmatrix wird durch Integranrezeptoren wie avß3 über das spezifische Aminosäuremotiv Arg-Gly-Asp in Knochenmatrixproteinen wie Osteopontin erleichtert., Der Osteoklast setzt Wasserstoffionen durch die Wirkung von Kohlensäureanhydrase (H2O + CO2 → HCO3− + H+) durch den gekräuselten Rand in die resorptive Höhle frei, säuert und unterstützt die Auflösung der mineralisierten Knochenmatrix in Ca2+, H3PO4, H2CO3, Wasser und andere Substanzen. Es wurde dokumentiert, dass eine Dysfunktion der Carboanhydrase einige Formen von Osteopetrose verursacht. Wasserstoffionen werden durch Protonenpumpen gegen einen hohen Konzentrationsgradienten gepumpt, insbesondere eine einzigartige Vakuolar-ATPase. Dieses Enzym wurde zur Vorbeugung von Osteoporose eingesetzt., Zusätzlich werden mehrere hydrolytische Enzyme, wie Mitglieder der Cathepsin-und Matrix-Metalloprotease-Gruppen (MMP), freigesetzt, um die organischen Komponenten der Matrix zu verdauen. Diese Enzyme werden durch Lysosomen in das Kompartiment freigesetzt. Von diesen hydrolytischen Enzymen ist Cathepsin K am wichtigsten.
Cathepsin K und andere cathepsinsEdit
Cathepsin K ist eine kollagenolytische, papainähnliche Cysteinprotease, die hauptsächlich in Osteoklasten exprimiert und in die resorptive Grube sezerniert wird., Cathepsin K ist die Hauptprotease, die am Abbau von Kollagen vom Typ I und anderen nichtkollagenen Proteinen beteiligt ist. Mutationen im Cathepsin-K-Gen sind mit der Pyknodysostose assoziiert, einer erblichen osteopetrotischen Erkrankung, die durch einen Mangel an funktioneller Cathepsin-K-Expression gekennzeichnet ist. Knockout-Studien von Cathepsin K bei Mäusen führen zu einem osteopetrotischen Phänotyp, der teilweise durch eine erhöhte Expression anderer Proteasen als Cathepsin K und eine verstärkte Osteoklastogenese kompensiert wird.
Cathepsin K hat eine optimale enzymatische Aktivität unter sauren Bedingungen., Es wird als Proenzym mit einem Molekulargewicht von 37kDa synthetisiert und bei Aktivierung durch autokatalytische Spaltung in die reife, aktive Form mit einem Molekulargewicht von ~27kDa umgewandelt.
Bei Polarisation des Osteoklasten über die Resorptionsstelle wird Cathepsin K von der gekräuselten Grenze in die resorptive Grube abgesondert. Cathepsin K transmigriert über die gekräuselte Grenze durch interzelluläre Vesikel und wird dann von der funktionellen sekretorischen Domäne freigesetzt., Innerhalb dieser interzellulären Vesikel baut Cathepsin K zusammen mit reaktiven Sauerstoffspezies, die von IHNEN erzeugt werden, die extrazelluläre Knochenmatrix weiter ab.
Mehrere andere Cathepsine werden in Osteoklasten exprimiert, einschließlich Cathepsine B, C, D, E, G und L. Die Funktion dieser Cystein-und Asparaginproteasen ist im Allgemeinen innerhalb des Knochens unbekannt und sie werden in viel niedrigeren Konzentrationen exprimiert als Cathepsin K.,
Studien an Cathepsin – L-Knockout-Mäusen wurden gemischt, mit einem Bericht über reduzierten Trabekelknochen bei homozygoten und heterozygoten Cathepsin-L-Knockout-Mäusen im Vergleich zu Wildtypen und einem anderen Bericht, in dem keine Skelettanomalien festgestellt wurden.
Matrix-Metalloproteinasedit
Die Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) umfassen eine Familie von mehr als 20 zinkabhängigen Endopeptidasen., Die Rolle von Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) in der Osteoklastenbiologie ist schlecht definiert, aber in anderen Geweben wurden sie mit tumorfördernden Aktivitäten wie der Aktivierung von Wachstumsfaktoren in Verbindung gebracht und sind für die Tumormetastasierung und Angiogenese erforderlich.
MMP9 ist mit der Knochenmikroumgebung assoziiert. Es wird durch Osteoklasten exprimiert und ist bekanntermaßen für die Osteoklastenmigration erforderlich und ist eine starke Gelatinase. Transgene Mäuse ohne MMP-9 entwickeln Defekte in der Knochenentwicklung, der intraossären Angiogenese und der Frakturreparatur.,Es wird angenommen, dass
MMP-13 an der Knochenresorption und an der Osteoklastendifferenzierung beteiligt ist, da Knockout-Mäuse verringerte Osteoklastenzahlen, Osteopetrose und verminderte Knochenresorption zeigten.
MMPs, die durch den Osteoklasten exprimiert werden, umfassen MMP-9, -10, -12 und -14. abgesehen von MMP-9 ist wenig über ihre Relevanz für den Osteoklasten bekannt, jedoch finden sich in der Dichtzone hohe Mengen an MMP-14.
Osteoklastenphysiologieedit
In den 1980er und 90er Jahren wurde die Physiologie typischer Osteoklasten im Detail untersucht., Mit der Isolierung der gekräuselten Grenze wurde der Ionentransport direkt im biochemischen Detail untersucht. Der energieabhängige Säuretransport wurde verifiziert und die postulierte Protonenpumpe gereinigt. Mit der erfolgreichen Kultur von Osteoklasten wurde deutlich, dass sie organisiert sind, um den massiven Transport von Protonen zur Versauerung des Resorptionskompartiments und zur Löslichkeit des Knochenminerals zu unterstützen. Dazu gehören die gekräuselte Grenzkl-Permeabilität zur Kontrolle des Membranpotentials und der basolaterale Cl−/HCO3− Austausch, um den zytosolischen pH-Wert in physiologisch akzeptablen Bereichen aufrechtzuerhalten.,>
Die Wirksamkeit seiner Ionensekretion hängt davon ab, dass der Osteoklast eine effektive Abdichtung um das Resorptionsfach bildet. Die Positionierung dieser „Dichtzone“ scheint durch Integrine vermittelt zu werden, die auf der Osteoklastenoberfläche exprimiert werden. Mit der Versiegelungszone reorganisiert sich der mehrkernige Osteoklast. Die Entwicklung der stark invaginierten gekräuselten Membran, die das Resorptionsfach freilegt, ermöglicht eine massive sekretorische Aktivität., Darüber hinaus ermöglicht es die vesikuläre Tranzytose des mineralischen und abgebauten Kollagens von der gekräuselten Grenze zur freien Membran der Zelle und deren Freisetzung in das extrazelluläre Kompartiment. Diese Aktivität vervollständigt die Knochenresorption, und sowohl die mineralischen Komponenten als auch die Kollagenfragmente werden in den allgemeinen Kreislauf freigesetzt.
Regulierungedit
Osteoklasten werden durch verschiedene Hormone reguliert, einschließlich Parathormon (PTH) aus der Nebenschilddrüse, Calcitonin aus der Schilddrüse und Wachstumsfaktor Interleukin 6 (IL-6)., Dieses letzte Hormon, IL-6, ist einer der Faktoren bei der Erkrankung Osteoporose, die ein Ungleichgewicht zwischen Knochenresorption und Knochenbildung darstellt. Osteoklastenaktivität wird auch durch die Wechselwirkung zweier von Osteoblasten produzierter Moleküle vermittelt, nämlich Osteoprotegerin und RANK-Ligand. Beachten Sie, dass diese Moleküle auch die Differenzierung des Osteoklasten regulieren.