Calcified Tissue Research

, Volume 6, Issue 1, pp 81–92 | Cite as

Studies of the mechanism of biological calcification

I. Kinetic properties of thein vitro calcification of collagen-containing matrix
  • R. K. Jethi
  • C. W. Inlow
  • C. L. Wadkins
Original Papers

Abstract

This investigation demonstrates that collagen-containing fibers derived from beef tendon will induce the uptake of calcium and phosphate ions from stable solutions to form a matrix-bound mineral phase that will participate in exchange reactions with45Ca2+ and32P-HPO 4 2 -present in the soluble phase. The rates of exchange and net uptake were found to be increased by increasing the amount of bound mineral. However, at elevated levels of bound mineral the rate of net calcium uptake tends to approach a limiting value, suggesting the involvement of a rate-limiting site or step involving the calcium ion that does not participate in the calcium exchange reaction. These studies also reveal that inhibitors of the overall calcification reaction can be characterized with respect to their differential effects on exchange and net ion uptake. An acidic peptide fraction derived from urine and methylenediphosphonic acid inhibit net calcification as well as both exchange reactions whereas Mg2+ and F inhibit net calcification but do not inhibit the exchange reactions. These results indicate that the exchange reactions are not due to the reversibility of the net calcification reaction but constitute an independent equilibration of mobile ions of the bound mineral phase with those of the soluble phase.

Key words

Calcification Collagen Kinetics Matrix Ions 

Résumé

Ce travail montre que les fibres contenant du collagène, et provenant de tendons de boeuf, induisent le dépôt d'ions calcium et phosphates à partir de solutions stables. Il se forme ainsi une phase minérale, liée à la matrice, qui participe aux réactions d'échange avec45Ca2+ et32P-HPO 4 2 -, présents dans la phase soluble. Les vitesses d'échange et le dépôt au niveau de la matrice augmentent lorsque la quantité de minéral lié est augmentée. Cependant, à des concentrations élevées de minéral lié, la vitesse de dépôt du calcium matriciel tend à approcher une valuer limite, indiquant la présence d'un facteur de limitation, ou d'une étape faisant intervenir l'ion calcium, qui ne participe pas à la réaction d'échange du calcium. Ces études montrent aussi que les inhibiteurs de la réaction générale de calcification peuvent être définies par leurs effects différents sur l'échange et le dépôt de l'ion matriciel. Une fraction peptidique acide, dérivée de l'urine, et l'acide méthylène-diphosphonique inhibent la calcification matriciel ainsi que les deux réactions d'échange, alors que Mg2+ et F inhibent la calcification matricielle, mais n'inhibent pas les réactions d'échange. Les résultats obtenus indiquent que les réactions d'échanges ne sont pas liés à la réversibilité du mécanisme de la calcification matricielle, mais constituent une réaction d'équilibre indépendante d'ions mobiles de la phase minérale liée avec ceux de la phase soluble.

Zusammenfassung

Diese Untersuchung zeigt, daß collagenhaltige, aus Rindersehnen gewonnene Fasern die Aufnahme von Calcium- und Phosphationen aus stabilen Lösungen veranlassen; dadurch entsteht eine an die Matrix gebundene Mineralphase, welche an Austauschreaktionen mit in der löslichen Phase vorliegenden45Ca2+- und32P-HPO 4 2 -Ionen teilnimmt. Es zeigte sich, daß die Geschwindigkeit von Austausch und effektiver Aufnahme bei Erhöhung der gebundenen Mineralmenge zunahm. Ist jedoch viel Mineral gebunden, so hat die effektive Calcium-aufnahmegeschwindigkeit die Tendenz, einen Grenzwert zu erreichen, was die Beteiligung einer geschwindigkeitsbegrenzenden Stelle oder Stufe vermuten läßt, wobei das an der Calcium-austauschreaktion nicht teilnehmende Calciumion einbezogen wird. Diese Untersuchungen zeigen auch, daß Inhibitoren der gesamten Verkalkungsreaktion im Hinblick auf ihre unterschiedlichen Wirkungen auf Austausch und effektive Ionenaufnahme charakterisiert werden können. Eine saure Peptidfraktion aus Urin sowie Methylendiphosphonate hemmen die effektive Verkalkung und zudem beide Austauschreaktionen, während Mg2+ und F wohl die effektive Verkalkung, aber nicht die Austauschreaktionen hemmen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, daß die Austauschreaktionen nicht auf der Reversibilität des effektiven Verkalkungsvorgangs beruhen, sondern daß sie ein unabhängiges Gleichgewicht zwischen mobilen Ionen der gebundenen Mineralphase und der löslichen Phase darstellen.

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Copyright information

© Springer-Verlag 1970

Authors and Affiliations

  • R. K. Jethi
    • 1
  • C. W. Inlow
    • 1
  • C. L. Wadkins
    • 1
  1. 1.Department of BiochemistryThe University of Arkansas School of MedicineLittle RockUSA

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