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Die Plaquebildung beginnt mit dem Pellikel, einer azellulären Proteinschicht aus Speichelbestandteilen auf der Zahnoberfläche. Darauf lagern sich zunächst grampositive Primärbesiedler an, gefolgt von einer zunehmend anaeroben und gramnegativen Sekundärflora. Die Reifung verläuft über Koaggregation und Bildung einer schützenden extrazellulären Matrix.

Die Hämostase gliedert sich in die primäre (thrombozytäre) und die sekundäre (plasmatische) Blutgerinnung sowie das auflösende Fibrinolysesystem. Die primäre Hämostase führt durch Adhäsion, Aktivierung und Aggregation der Thrombozyten zur Bildung eines provisorischen Thrombozytenpfropfs (Weißer Thrombus). Die sekundäre Hämostase verknüpft das intrinsische und extrinsische System über eine Proteasekaskade zur Aktivierung von Thrombin (Faktor IIa), das Fibrinogen zu Fibrin polymerisiert (Roter Thrombus). Vitamin K ist essenziell für die gamma-Glutamylcarboxylierung der Faktoren II, VII, IX und X.

Entzündungsmediatoren sind biochemische Botenstoffe, welche die vaskulären und zellulären Reaktionen einer Entzündung initiieren, aufrechterhalten und regulieren. Sie entstammen entweder dem Plasma (z. B. Komplementsystem, Kinin-System) oder werden lokal von Zellen ausgeschüttet (z. B. Histamin, Prostaglandine, Leukotriene, Zytokine). In der Parodontitis und Pulpitis steuern Prostaglandin E2 (PGE2) sowie IL-1, IL-6 und TNF-alpha die Gewebedestruktion und die Osteoklastenaktivierung. Ihre Wirkung führt zu Vasodilatation, erhöhter Gefäßpermeabilität, Chemotaxis und Schmerzsensibilisierung.

Sexualhormone beeinflussen die Gefäßpermeabilität und die Zusammensetzung der subgingivalen Flora. Erhöhte Östrogen- und Progesteronspiegel verstärken die Entzündungsreaktion des Zahnfleischs auf vorhandene Plaque. Der Biofilm bleibt jedoch die notwendige Voraussetzung, die Hormone wirken lediglich modulierend.

Hydroxylapatit mit der Summenformel Ca10(PO4)6(OH)2 ist das primäre anorganische Mineral in Zahnschmelz, Dentin, Zement und Knochen. Es kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem und Substitutionen im Gitter verändern seine physikalischen und chemischen Eigenschaften. Der Einbau von Carbonat erhöht die Säurelöslichkeit, während die Substitution der Hydroxid-Ionen durch Fluorid zu stabilerem Fluorapatit führt. Im Zahnschmelz liegt Hydroxylapatit zu etwa 95 Gewichtsprozent vor.

Die Mundhöhle verfügt über mechanische, humorale und zelluläre Abwehrmechanismen. Zur unspezifischen Abwehr zählen Epithelbarriere, Speichelfluss sowie antimikrobielle Proteine wie Lysozym und Laktoferrin. Die spezifische Abwehr wird vor allem durch sekretorisches Immunglobulin A und im Sulkus durch Immunzellen der Sulkusflüssigkeit getragen.

Die Kaufunktion beschreibt das kraniofaziale Zusammenspiel von Kaumuskulatur, Kiefergelenk, Zähnen und Zunge zur Zerkleinerung der Nahrung. Die Kaukraft wird durch die Kontraktion der Kauschließer (M. masseter, M. temporalis, M. pterygoideus medialis) erzeugt und über den Zahnhalteapparat retrograd in den Knochen abgeleitet. Die Steuerung erfolgt neurophysiologisch über das kraniale Kauzentrum in der Formatio reticularis unter Einbindung des N. trigeminus. Desmodontale Mechanorezeptoren ermöglichen eine feine Feedback-Steuerung zur Adaptation der Muskelkraft.

Der Knochenstoffwechsel ist ein dynamischer Prozess aus Knochenaufbau durch Osteoblasten und Knochenabbau durch Osteoklasten. Das Signalweg-Trio RANKL, RANK und Osteoprotegerin (OPG) reguliert maßgeblich die Osteoklastendifferenzierung. RANKL wird von Osteoblasten und Osteozyten exprimiert, bindet an den RANK-Rezeptor auf Osteoklastenvorläuferzellen und induziert deren Fusion und Aktivierung. OPG fungiert als löslicher Decoy-Rezeptor, der RANKL bindet und somit den Knochenabbau hemmt.

Kariogene Bakterien verstoffwechseln niedermolekulare Kohlenhydrate zu organischen Säuren, vor allem Milchsäure. Saccharose nimmt eine Sonderstellung ein, da sie zusätzlich als Substrat für extrazelluläre Glukane dient, die die Haftung des Biofilms verbessern. Entscheidend für das Kariesrisiko ist die Frequenz der Zufuhr, nicht allein die Gesamtmenge.

Kollagen ist das häufigste Strukturprotein des menschlichen Körpers und bildet die organische Matrix von Dentin, Zement, Parodontalligament und Knochen. Die Grundbausteine sind Tropokollagen-Moleküle, die aus einer Tripelhelix von drei Alpha-Ketten bestehen mit der charakteristischen Aminosäuresequenz Glycin-X-Y. Vitamin C ist als Kofaktor der Prolyl- und Lysylhydroxylase essenziell für die Hydroxylierung und damit für die thermische Stabilität der Helix. Die kovalente Quervernetzung im Extrazellularraum erfolgt durch die Lysyloxidase.

Matrixmetalloproteinasen sind zinkabhängige Enzyme, die Bestandteile der extrazellulären Matrix wie Kollagen abbauen. Sie sind an physiologischem Gewebeumbau ebenso beteiligt wie an pathologischer Gewebedestruktion. Ihre Aktivität wird durch Gewebeinhibitoren, die TIMPs, gegenreguliert.

Das Mikrobiom der Mundhöhle umfasst die Gesamtheit aller Mikroorganismen (Bakterien, Archaeen, Pilze, Viren), die die verschiedenen oralen Habitate besiedeln. Über 700 Bakterienarten leben im komplexen Gleichgewicht eines Biofilms, wobei Streptococcus-Arten oft den Pionieraufwuchs auf dem Zahnschmelz bilden. Eine ökologische Verschiebung dieser Mikrobiota (Dysbiose) durch Milieuänderungen führt zur Selektion pathogener Keime. So begünstigt ein azides Milieu azidogene Säurebildner wie Streptococcus mutans (Karies), während ein anaerobes, proteinreiches Milieu Porphyromonas gingivalis (Parodontitis) fördert.

Die Skelettmuskelkontraktion beruht auf dem Ineinandergleiten von Aktin- und Myosinfilamenten. Nach Erregung der Muskelfaser wird Kalzium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum freigesetzt und gibt die Bindungsstellen am Aktin frei. Der Querbrückenzyklus verbraucht ATP sowohl für den Kraftschlag als auch für das Lösen der Bindung.

Das Aktionspotenzial entsteht durch eine schnelle Depolarisation der Nervenmembran infolge des Einstroms von Natriumionen durch spannungsabhängige Kanäle. Anschließend führt der Kaliumausstrom zur Repolarisation. In myelinisierten Fasern springt die Erregung saltatorisch von Schnürring zu Schnürring, was die Leitgeschwindigkeit stark erhöht.

Die Stephan-Kurve beschreibt den zeitlichen Verlauf des pH-Werts in der dentalen Plaque nach der Zufuhr von fermentierbaren Kohlenhydraten. Nach dem Glukosekontakt fällt der Plaque-pH innerhalb von 2 bis 5 Minuten rasch unter den kritischen Wert von 5,5 ab. Ursache ist die Verstoffwechselung der Zucker durch azidogene Bakterien zu organischen Säuren wie Milchsäure. Die Erholungsphase zurück zum Ruhe-pH dauert typischerweise 30 bis 60 Minuten und wird maßgeblich von der Pufferkapazität des Speichels bestimmt.

Die Demineralisation beschreibt den Verlust von Mineralstoffen wie Calcium und Phosphat aus der Zahnhartsubstanz durch säurebedingte Herauslösung von Hydroxylapatit. Remineralisation ist der umgekehrte Prozess, bei dem sich gelöste Mineralionen mithilfe von Speichel und Fluorid wieder in das Kristallgitter einlagern. Das Gleichgewicht zwischen beiden Prozessen bestimmt dynamisch die Integrität des Zahnschmelzes. Unterschreitet der pH-Wert der Plaque den kritischen Wert von ca. 5,5, überwiegt die Demineralisation.

Puffersysteme halten den pH-Wert bei Zufuhr von Säuren oder Basen weitgehend konstant. Im Speichel sind vor allem das Bikarbonat-, das Phosphat- und das Proteinpuffersystem wirksam. Die Pufferkapazität steigt mit der Speichelfließrate, weil der Bikarbonatgehalt bei stimuliertem Speichel zunimmt.

Die Schmerzphysiologie der Pulpa basiert auf der Innervation durch myelinisierte A-Delta-Fasern und unmyelinisierte C-Fasern. Reize auf das Dentin führen nach der hydrodynamischen Theorie von Brännström zu Flüssigkeitsverschiebungen in den Dentintubuli, welche die Nervenfasern im Plexus von Raschkow mechanisch erregen. Während A-Delta-Fasern für den hellen, lokalisierten Erstschmerz verantwortlich sind, vermitteln C-Fasern den dumpfen, ausstrahlenden Spätschmerz bei fortgeschrittener Entzündung. Die hohe Gewebedruckentwicklung in der starren Pulpahöhle verstärkt das Schmerzgeschehen bei einer Pulpitis exponentiell.

Speichel ist ein exokrines Sekret, das von den großen und kleinen Speicheldrüsen der Mundhöhle gebildet wird und zu etwa 99 % aus Wasser besteht. Zu den organischen Bestandteilen gehören Proteine wie Alpha-Amylase, Muzine, Immunglobulin A (IgA), Lysozym und Lactoferrin. Die anorganischen Bestandteile umfassen Bicarbonat, Phosphat, Calcium, Fluorid sowie Natrium- und Kaliumionen, die als Puffer und zur Remineralisation dienen. Die primäre Sekretion im Azinus ist isoton und wird im Ausführungsgangsystem durch Reabsorption von Na+ und Cl- hypoton modifiziert.

Vitamin C ist Kofaktor der Prolyl- und Lysylhydroxylasen, die Prolin und Lysin im Kollagenmolekül hydroxylieren. Diese Hydroxylierung ist Voraussetzung für die Stabilität der Kollagentripelhelix. Bei Mangel entsteht instabiles Kollagen, was sich klinisch als Skorbut manifestiert.

Der Kalziumhaushalt wird hormonell durch Calcitriol (1,25-Dihydroxycholecalciferol), Parathormon (PTH) und Calcitonin feinreguliert. Vitamin D3 entsteht in der Haut durch UV-B-Strahlung oder wird enteral aufgenommen und in Leber (25-Hydroxylierung) sowie Niere (1-alpha-Hydroxylierung) zur aktiven Wirkform Calcitriol umgewandelt. Calcitriol steigert die intestinale Ca2+- und Phosphatabsorption und fördert gemeinsam mit PTH den Knochenumbau zur Aufrechterhaltung der Serumkalziumkonzentration. Eine Imbalance beeinträchtigt die Mineralisation von Zahnhartsubstanzen und Alveolarknochen.