Biochemistry of Bone Metabolism. Assist. Prof. Tuğçe Demirel-Yalçıner, Faculty of Medicine, Dept. of Medical Biochemistry.

• Kemik yapısı ve kompozisyonunu anlamak.
• Bone remodeling cycle'ı açıklamak.
• Kalsiyum ve fosfat homeostazını tanımlamak.
• Hormonal regülasyonu (PTH, Vitamin D, Calcitonin) anlamak.

• Dişler alveolar bone (alveolar kemik) tarafından desteklenir (dişleri tutar ve stabilize eder).
• Diş stabilitesinin korunması için kemik remodeling şarttır.
• Kemik metabolizması bozulursa → diş desteği zayıflar.

• Diş desteğini sürdürür.
• Periodontal kemik kaybını açıklar.
• Ortodontik diş hareketini mümkün kılar.
• İmplant başarısını belirler.

Kemik, özelleşmiş bir bağ dokusudur (specialized connective tissue).

1. Kas aktivitesi için mekanik destek.
2. Doku ve iç organlara fiziksel koruma.
3. Sistemik mineral homeostazının düzenlenmesi.

Kemik dokusu ayrıca ihtiyaç anında çekilebilen bir "mineral bankası" (mineral bank) görevi görür.

• Organik fazın ana bileşenleri proteinler ve type 1 collagen'dir.
• Bazı kemikler az miktarda type V collagen içerir.
• İmmatür kemik dokusunda proteoglikanlar bulunur.
• Kemik kollajeni, tendon/deri kollajeniyle aynı primer yapıya sahip olsa da daha kompakt, daha az çözünür ve mekanik direnci yüksektir.
• Bu özellikler, lizin ve prolin residülerinin artmış hidroksilasyonu ve lizin residülerinin artmış glikolasyonu ile sağlanır.

• Kemik kollajeni üçlü heliks (triple helical) yapıdadır: iki α1 ve bir α2 zinciri.
• Her zincirde tekrarlayan amino asit dizisi: glisin, prolin, hidroksiprolin.
• Glisin, en küçük amino asit olduğu için heliksin merkezinde yer alır ve sıkı paketlenmeye izin verir.
• Prolin ve hidroksiprolin yapının stabilitesine katkıda bulunur; özellikle hidroksiprolin hidrojen bağıyla heliksi stabilize eder.
• Prolin ve lizinin hidroksilasyonu doğru kollajen oluşumu için şarttır; lizin ayrıca glikozillenir.

• Kompozisyon; anatomik bölge, yaş, beslenme ve hastalık varlığına göre değişir.
• Genel olarak: %60–70 inorganik faz, %5–8 su, kalanı organik matriks.
• Organik matriksin %90'ı kollajen, %8'i kollajen dışı proteinler.
• En önemli inorganik bileşen calcium hydroxyapatite'tir; kemiğe hem güç hem esneklik verir.
• Kristalde fosfat yerine karbonat, hidroksil yerine klorür veya florür geçtiğinde çözünürlük gibi özellikler değişebilir.

Hidroksiapatit kristal yapısı, kollajen-mineral ilişkisi ve kemik matriks organizasyonunu gösteren görseller.

• Osteocalcin
• Osteopontin
• Bone sialoprotein

• 5.8 kDa küçük bir protein.
• Bone γ-carboxyglutamic acid protein (Gla proteini).
• Osteoblast ve osteositlerde sentezlenir.
• Hücre içinde üç glutamat residüsü üzerinden gamma carboxylase enzimiyle karboksillenir.
• Vitamin K bağımlı bir proteindir: gamma-karboksilasyon için K vitamini gerekir; bu, kalsiyuma güçlü bağlanmayı sağlar.

Osteokalsinin γ-karboksilasyonu ve kalsiyum/hidroksiapatite bağlanmasını gösteren şemalar.

Osteopontin: kemik matriksinde hücre adezyonu ve mineralizasyonun düzenlenmesinde rol oynayan, fosforillenmiş bir kollajen dışı glikoprotein. Osteoklastların kemik yüzeyine tutunmasına aracılık eder.

Bone sialoprotein (BSP): mineralizasyon başlangıcında (nükleasyon) ve hücre-matriks etkileşiminde görev alan kollajen dışı bir protein; aynı zamanda bir kemik rezorpsiyon belirteci olarak da kullanılır.

Kemiğin yıkım ve yapımından sorumlu hücreler: osteocytes, osteoblasts, osteoclasts.

• Mezenkimden (mesenchyme) köken alır.
• Matrikse gömülüdür; yeni kemik katmanları ekler.
• Ürettiği osteoid esas olarak type 1 collagen'den oluşur.
• Yapıya kalsiyum fosfat kristalleri eklenmesiyle sert kemik matriksine dönüşür (mineralizasyon).
• Ana rolü: kemik oluşumunda yer alan proteinleri (ECM proteinleri, sitokinler, kollajen, büyüme faktörleri) sentezleyip salgılamak ve ekstrasellüler matriksi mineralizasyonla kemiğe çevirmek.

• Osteoblast matriksi salgıladıktan sonra, LACUNA denen küçük boşlukta osteosite dönüşür.
• Yassılaşmış çekirdekli, sitoplazmik uzantıları olan olgun kemik hücresidir; bölünemez, matriksi korur.
• Lakunalar CANALICULI denen küçük kanallarla birbirine bağlanır.
• Kanaliküllerdeki osteosit uzantıları GAP JUNCTIONS ile birbirine bağlanır.

Osteositin lakuna içindeki yerleşimi, kanaliküler ağ ve gap junction bağlantılarını gösteren histolojik görseller.

Osteoclasts, hematopoietik kök hücrelerden türeyen, dokuya özgü makrofajlardır (tissue-specific macrophages).

Şema: Osteoblastlar RANKL eksprese eder; osteoklast öncülündeki RANK'a bağlanır → diferansiyasyon → osteoklast → aktivasyon → aktif osteoklast. OPG RANKL'ı bloklar. Estradiol (östrojen), RANKL salınımını sınırlar (kemik koruyucu etki).

Osteoklastın kemik yüzeyine tutunması, "ruffled border" oluşumu ve asit + enzim (TRACP, cathepsin K) salgılayarak rezorpsiyon yapmasını gösteren görsel.

Şema: GM-CFU → (M-CSF) → osteoklast öncülü → (IL-6, IL-11, RANKL) → preosteoklast → osteoklast (OPG bloklar). Mezenkimal kök hücre → (IL-1, PTH, Vitamin D3) → preosteoblast → (TNF-α) → osteoblast; Wnt osteoblastı uyarır, Dkk-1 Wnt'i negatif düzenler.

Basitçe: osteoklast tarafından eski/olgun mineralize kemiğin uzaklaştırılması + osteoblast tarafından yeni kemik matriksinin/dokusunun oluşturulması.

• Kemik mimarisini değişen mekanik ihtiyaçlara göre ayarlar.
• Kemik matriksindeki mikrohasarları onarır, eski kemik birikimini önler.
• Plazma kalsiyum homeostazının korunmasında önemlidir.
• Remodeling döngüsünde beş anahtar basamak (five key steps) vardır.

Remodeling döngüsünün adım adım animasyonu (video slaytı): aktivasyon → osteoklastik rezorpsiyon → reversal → osteoblastik formasyon → mineralizasyon.

Mineraller: büyük miktarda kalsiyum ve fosfor; daha az miktarda magnezyum, florür ve manganez gerekir.

Vitaminler:

• Vitamin A → osteoblast aktivitesini uyarır.
• Vitamin C → kollajen sentezi için gerekli.
• Vitamin D → GİS'ten kalsiyum emilimini artırarak kemik yapımına yardım eder.
• Vitamin K ve B12 → kemik proteinlerinin sentezi için gerekli.

Kemik büyümesi ve remodeling'i etkileyen mineral, vitamin ve hormonları özetleyen görsel.

• Östrojen ve testosteron kemik büyümesinde dramatik etkilidir:
  • Ergenlikteki ani "büyüme atağı (growth spurt)"ın nedeni.
  • Kadınlarda pelvis genişlemesi gibi değişiklikleri teşvik eder.
  • Epifiz plaklarında büyümeyi durdurur (kapatır).
• Parathyroid hormone (PTH), calcitriol ve calcitonin remodeling'i etkileyen diğer hormonlardır.

PTH, vücutta kalsiyum regülasyonu için önemli bir hormondur (kemik, böbrek ve dolaylı olarak bağırsak üzerinden plazma Ca²⁺'ı yükseltir).

PTH kemik rezorpsiyonuna neden olur ama osteoklastların bu hormon için reseptörü YOKTUR. Reseptör osteoblast hücresindedir.

PTH'nin osteoblast üzerinden RANKL salınımını artırarak osteoklast aktivasyonuna yol açmasını gösteren şema.

Uzun zincirli çoklu doymamış yağ asitlerinin (long-chain PUFA) kemik hücreleri üzerindeki potansiyel düzenleyici mekanizmalarını gösteren şema.

Tablo: her belirteç için aktivite (formasyon/rezorpsiyon), örnek tipi (S=serum, P=plazma, U=idrar) ve ölçüm yöntemi (ELISA, RIA, HPLC vb.). Örn: deoksipiridinolin (rezorpsiyon, idrar, HPLC); osteokalsin (formasyon, serum, RIA/ELISA).

• Kemik homeostazı iki süreçten oluşur: osteoblastlarca yapım + osteoklastlarca rezorpsiyon.
• Bu denge, osteoblast diferansiyasyonu ile osteoklast aktivasyonu arasındaki etkileşimle düzenlenir.
• Yaş ilerledikçe denge rezorpsiyon (yıkım) lehine kayar → kemik kaybı.

• Gebelikte artan kalsiyum ihtiyacı nedeniyle kemik yıkımı artar.
• Laktasyondaki kadının iskeletinde kalsiyumun hızla geri kazanılması, mekanizması tam anlaşılmamış bir süreçle olur.
• Bazı kadınlar gebelik/laktasyon sonucu kırılganlık kırıkları yaşayabilse de, çoğu kadında bu adaptasyonlar sessizce ve kalıcı olumsuz sonuç olmadan gerçekleşir.

Kemik remodeling'inde miRNA'ların epigenetik düzenleyici rolünü gösteren şema (ileri düzey içerik).

• Osteoporoz, osteopetrosis ve rickets gibi metabolik kemik hastalıkları remodeling sürecini etkiler; dengeyi pozitif (aşırı yapım) veya negatif (aşırı rezorpsiyon) yönde bozar.
• Osteopetrosis: pozitif kemik dengesine yol açar (aşırı yoğun ama kırılgan kemik; osteoklast işlev kaybı).
• Rickets: vitamin D eksikliğinden kaynaklanır → osteoblast öncüllerini inhibe eder, RANKL'ı artırır, OPG'yi azaltır → artmış rezorpsiyon ve turnover.
• Multiple myeloma (plazma hücre kanseri) de remodeling dengesizliğiyle şiddetli kemik yıkımına yol açar.

• En yaygın metabolik kemik bozuklukları osteopeni ve osteoporozdur; ikisi de kemik mineral yoğunluğu (BMD) kaybını tanımlar.
• Osteoporoz tek bir hastalık değil, bir grup durumdur: primer tip 1, primer tip 2 ve sekonder.
• Tip 1 (postmenopozal): en sık; östrojen eksikliği → RANKL ↑, OPG ↓, osteoklast apoptozu ↓.
• Tip 2 (senil / yaşa bağlı): hem erkek hem kadında yaşla görülür.
• Sekonder: ilaç yan etkisi, fiziksel aktivite değişimi veya başka bir hastalığa bağlı.

Sağlıklı kemik ile osteoporotik kemiğin (azalmış trabekül, artmış gözeneklilik) karşılaştırmalı görseli.

Yaşlılarda kemik kırığına bağlı mortaliteyi azaltmak için kemik rejenerasyonu ve onarımını teşvik eden teknikler geliştirilmiştir: allograftlar, gen tedavisi ve hücre temelli tedaviler — hepsi hastalarda test edilmiştir.

• Periodontal hastalık: İnflamasyon → ↑ osteoklast aktivitesi → kemik kaybı.
• Ortodontik diş hareketi: Kontrollü kemik remodeling ile çalışır; osteoklast ve osteoblast dengeli olmalıdır.
• Dental implantlar: Başarılı implant için sağlıklı kemik metabolizması gerekir; kemik yapımı, rezorpsiyonu aşmalıdır.

"Thank you…" — dersin sonu.