Biologie für Majors II

Diskutieren Sie die Struktur und Funktion von Knochen

Es gibt verschiedene Arten von Knochen im menschlichen Skelett. In diesem Abschnitt erfahren Sie, wie Knochen funktionieren und wie sie in unserem Körper funktionieren.

Knochentypen

Knochen oder Knochengewebe ist ein Bindegewebe, das das Endoskelett bildet. Es enthält spezialisierte Zellen und eine Matrix aus Mineralsalzen und Kollagenfasern.

Zu den Mineralsalzen gehört vor allem Hydroxylapatit, ein Mineral, das aus Calciumphosphat gebildet wird. Verkalkung ist der Prozess der Ablagerung von Mineralsalzen auf der Kollagenfasermatrix, die das Gewebe kristallisiert und aushärtet. Der Prozess der Verkalkung tritt nur in Gegenwart von Kollagenfasern auf.

Die Knochen des menschlichen Skeletts werden nach ihrer Form klassifiziert: lange Knochen, kurze Knochen, flache Knochen, Nahtknochen, Sesambeinknochen und unregelmäßige Knochen (Abbildung 1).

Abbildung 1. Gezeigt werden verschiedene Arten von Knochen: flach, unregelmäßig, lang, kurz und sesamoid.

Abbildung 2. Der lange Knochen ist an beiden Enden von Gelenkknorpel bedeckt und enthält Knochenmark (in dieser Abbildung gelb dargestellt) in der Markhöhle.

Lange Knochen sind länger als breit und haben einen Schaft und zwei Enden. Die Diaphyse oder der zentrale Schaft enthält Knochenmark in einer Markhöhle. Die abgerundeten Enden, die Epiphysen, sind mit Gelenkknorpel bedeckt und mit rotem Knochenmark gefüllt, das Blutzellen produziert (Abbildung 2). Die meisten Extremitätenknochen sind lange Knochen – zum Beispiel Femur, Tibia, Ulna und Radius. Ausnahmen sind die Patella und die Knochen des Handgelenks und des Knöchels.Kurze Knochen oder quaderförmige Knochen sind Knochen, die die gleiche Breite und Länge haben und ihnen eine würfelartige Form geben. Zum Beispiel sind die Knochen des Handgelenks (Handwurzelknochen) und des Knöchels (Fußwurzelknochen) kurze Knochen (Abbildung 1).Flache Knochen sind dünne und relativ breite Knochen, die dort gefunden werden, wo ein umfassender Schutz der Organe erforderlich ist oder wo breite Oberflächen der Muskelanhaftung erforderlich sind. Beispiele für flache Knochen sind das Brustbein (Brustbein), Rippen, Schulterblätter (Schulterblätter) und das Schädeldach (Abbildung 1).

Unregelmäßige Knochen sind Knochen mit komplexen Formen. Diese Knochen können kurze, flache, gekerbte oder geriffelte Oberflächen haben. Beispiele für unregelmäßige Knochen sind die Wirbel, Hüftknochen und mehrere Schädelknochen.

Sesambeinknochen sind kleine, flache Knochen und haben eine ähnliche Form wie Sesamsamen. Die Patellen sind Sesamknochen. Sesambeinknochen entwickeln sich in Sehnen und können in der Nähe von Gelenken an Knien, Händen und Füßen gefunden werden.

Nahtknochen sind kleine, flache, unregelmäßig geformte Knochen. Sie können zwischen den flachen Knochen des Schädels gefunden werden. Sie variieren in Anzahl, Form, Größe und Position.

Knochengewebe

Knochen gelten als Organe, da sie verschiedene Arten von Gewebe wie Blut, Bindegewebe, Nerven und Knochengewebe enthalten. Osteozyten, die lebenden Zellen des Knochengewebes, bilden die Mineralmatrix der Knochen. Es gibt zwei Arten von Knochengewebe: kompakt und schwammig.

Kompaktes Knochengewebe

Kompakter Knochen (oder kortikaler Knochen) bildet die harte äußere Schicht aller Knochen und umgibt die Markhöhle oder das Knochenmark. Es bietet Schutz und Stärke für Knochen. Kompaktes Knochengewebe besteht aus Einheiten, die Osteone oder Haverssche Systeme genannt werden. Osteone sind zylindrische Strukturen, die eine Mineralmatrix und lebende Osteozyten enthalten, die durch Canaliculi verbunden sind, die Blut transportieren. Sie sind parallel zur langen Achse des Knochens ausgerichtet. Jedes Osteon besteht aus Lamellen, bei denen es sich um Schichten kompakter Matrix handelt, die einen zentralen Kanal umgeben, der als Haversscher Kanal bezeichnet wird. Der Haverssche Kanal (osteonischer Kanal) enthält die Blutgefäße und Nervenfasern des Knochens (Abbildung 3). Osteone in kompaktem Knochengewebe sind entlang von Spannungslinien in die gleiche Richtung ausgerichtet und helfen dem Knochen, sich zu verbiegen oder zu brechen. Daher ist kompaktes Knochengewebe in Bereichen des Knochens prominent, an denen Spannungen in nur wenigen Richtungen angelegt werden.

Abbildung 3. Kompaktes Knochengewebe besteht aus Osteonen, die parallel zur langen Achse des Knochens ausgerichtet sind, und dem Haversschen Kanal, der die Blutgefäße und Nervenfasern des Knochens enthält. Die innere Knochenschicht besteht aus schwammigem Knochengewebe. Die kleinen dunklen Ovale im Osteon repräsentieren die lebenden Osteozyten. (credit: Modifikation der Arbeit von NCI, NIH)

Spongiöses Knochengewebe

Während kompaktes Knochengewebe die äußere Schicht aller Knochen bildet, bildet spongiöser Knochen oder spongiöser Knochen die innere Schicht aller Knochen. Spongiöses Knochengewebe enthält keine Osteone, die kompaktes Knochengewebe bilden. Stattdessen besteht es aus Trabekeln, bei denen es sich um Lamellen handelt, die als Stäbe oder Platten angeordnet sind. Rotes Knochenmark befindet sich zwischen den Trabuculae. Blutgefäße in diesem Gewebe liefern Nährstoffe an Osteozyten und entfernen Abfall. Das rote Knochenmark des Femurs und das Innere anderer großer Knochen wie des Ileums bilden Blutzellen.

Abbildung 4. Trabekel in spongiösem Knochen sind so angeordnet, dass eine Seite des Knochens Spannung trägt und die andere Kompression standhält.

Spongiöser Knochen reduziert die Knochendichte und ermöglicht es den Enden langer Knochen, sich infolge von Spannungen, die auf den Knochen ausgeübt werden, zu komprimieren. Spongiöser Knochen ist in Bereichen von Knochen prominent, die nicht stark beansprucht sind oder wo Spannungen aus vielen Richtungen ankommen. Die Epiphysen von Knochen, wie der Femurhals, sind aus vielen Richtungen beansprucht. Stellen Sie sich vor, Sie legen ein schweres gerahmtes Bild flach auf den Boden. Sie können eine Seite des Bildes mit einem Zahnstocher hochhalten, wenn der Zahnstocher senkrecht zum Boden und zum Bild steht. Bohren Sie nun ein Loch und stecken Sie den Zahnstocher in die Wand, um das Bild aufzuhängen. In diesem Fall besteht die Funktion des Zahnstochers darin, den Abwärtsdruck des Bildes auf die Wand zu übertragen. Die kraft auf die bild ist gerade unten auf den boden, aber die kraft auf die zahnstocher ist sowohl die bild draht ziehen unten und der boden der loch in der wand nach oben drücken. Der Zahnstocher bricht direkt an der Wand ab.

Der Femurhals ist horizontal wie der Zahnstocher in der Wand. Das Gewicht des Körpers drückt es in der Nähe des Gelenks nach unten, aber die vertikale Diaphyse des Femurs drückt es am anderen Ende nach oben. Der Femurhals muss stark genug sein, um die Abwärtskraft des Körpergewichts horizontal auf den vertikalen Femurschaft zu übertragen (Abbildung 4).

Zelltypen in Knochen

Knochen besteht aus vier Arten von Zellen: Osteoblasten, Osteoklasten, Osteozyten und Osteoprogenitorzellen. Osteoblasten sind Knochenzellen, die für die Knochenbildung verantwortlich sind. Osteoblasten synthetisieren und sezernieren den organischen und anorganischen Teil der extrazellulären Matrix von Knochengewebe und Kollagenfasern. Osteoblasten werden in diesen Sekreten eingeschlossen und differenzieren sich zu weniger aktiven Osteozyten. Osteoklasten sind große Knochenzellen mit bis zu 50 Kernen. Sie entfernen die Knochenstruktur, indem sie lysosomale Enzyme und Säuren freisetzen, die die Knochenmatrix auflösen. Diese Mineralien, die aus den Knochen in das Blut freigesetzt werden, helfen, die Kalziumkonzentration in Körperflüssigkeiten zu regulieren. Knochen kann auch zum Umbau resorbiert werden, wenn sich die angelegten Spannungen geändert haben. Osteozyten sind reife Knochenzellen und die Hauptzellen im knöchernen Bindegewebe; Diese Zellen können sich nicht teilen. Osteozyten erhalten eine normale Knochenstruktur, indem sie die Mineralsalze in der Knochenmatrix recyceln. Osteoprogenitorzellen sind plattenepitheliale Stammzellen, die sich teilen, um Tochterzellen zu produzieren, die sich zu Osteoblasten differenzieren. Osteoprogenitorzellen sind wichtig für die Reparatur von Frakturen.

Knochenwachstum und -entwicklung

Ossifikation oder Osteogenese ist der Prozess der Knochenbildung durch Osteoblasten. Ossifikation unterscheidet sich vom Prozess der Verkalkung; während die Verkalkung während der Verknöcherung von Knochen stattfindet, kann sie auch in anderen Geweben auftreten. Die Ossifikation beginnt etwa sechs Wochen nach der Befruchtung eines Embryos. Vor dieser Zeit besteht das embryonale Skelett vollständig aus Fasermembranen und Hyalinknorpel. Die Entwicklung von Knochen aus Fasermembranen wird als intramembranöse Ossifikation bezeichnet, die Entwicklung aus hyalinem Knorpel wird als endochondrale Ossifikation bezeichnet. Das Knochenwachstum dauert bis etwa zum 25. Knochen können im Laufe des Lebens an Dicke zunehmen, aber nach dem 25. Lebensjahr wirkt die Ossifikation hauptsächlich beim Knochenumbau und der Knochenreparatur.

Intramembranöse Ossifikation

Intramembranöse Ossifikation ist der Prozess der Knochenentwicklung aus fibrösen Membranen. Es ist an der Bildung der flachen Schädelknochen, des Unterkiefers und der Schlüsselbeine beteiligt. Die Ossifikation beginnt, wenn Mesenchymzellen eine Schablone des zukünftigen Knochens bilden. Sie differenzieren sich dann im Ossifikationszentrum zu Osteoblasten. Osteoblasten sezernieren die extrazelluläre Matrix und lagern Kalzium ab, wodurch die Matrix aushärtet. Der nicht mineralisierte Teil des Knochens oder Osteoids bildet sich weiterhin um die Blutgefäße und bildet schwammigen Knochen. Bindegewebe in der Matrix differenziert sich im Fötus in rotes Knochenmark. Der schwammige Knochen wird zu einer dünnen Schicht kompakten Knochens auf der Oberfläche des schwammigen Knochens umgebaut.

Endochondrale Ossifikation

Endochondrale Ossifikation ist der Prozess der Knochenentwicklung aus hyalinem Knorpel. Alle Knochen des Körpers, mit Ausnahme der flachen Knochen des Schädels, des Unterkiefers und der Schlüsselbeine, werden durch endochondrale Ossifikation gebildet.

In langen Knochen bilden Chondrozyten eine Schablone der hyalinen Knorpeldiaphyse. Als Reaktion auf komplexe Entwicklungssignale beginnt die Matrix zu verkalken. Diese Verkalkung verhindert die Diffusion von Nährstoffen in die Matrix, was zum Absterben von Chondrozyten und zur Öffnung von Hohlräumen im Diaphysenknorpel führt. Blutgefäße dringen in die Hohlräume ein, und Osteoblasten und Osteoklasten modifizieren die verkalkte Knorpelmatrix in schwammigen Knochen. Osteoklasten brechen dann einen Teil des schwammigen Knochens ab, um eine Mark- oder Markhöhle in der Mitte der Diaphyse zu bilden. Dichtes, unregelmäßiges Bindegewebe bildet eine Hülle (Periost) um die Knochen. Das Periost hilft bei der Befestigung des Knochens an umgebenden Geweben, Sehnen und Bändern. Der Knochen wächst weiter und verlängert sich, wenn sich die Knorpelzellen an den Epiphysen teilen.

Im letzten Stadium der pränatalen Knochenentwicklung beginnen die Epiphysenzentren zu verkalken. Sekundäre Ossifikationszentren bilden sich in den Epiphysen, wenn Blutgefäße und Osteoblasten in diese Bereiche eindringen und Hyalinknorpel in schwammigen Knochen umwandeln. Bis zur Adoleszenz verbleibt hyaliner Knorpel an der Epiphysenplatte (Wachstumsplatte), der Region zwischen Diaphyse und Epiphyse, die für das Längswachstum langer Knochen verantwortlich ist (Abbildung 5).

Abbildung 5. Endochondrale Ossifikation ist der Prozess der Knochenentwicklung aus hyalinem Knorpel. Das Periost ist das Bindegewebe an der Außenseite des Knochens, das als Schnittstelle zwischen Knochen, Blutgefäßen, Sehnen und Bändern dient.

Knochenwachstum

Lange Knochen verlängern sich weiter, möglicherweise bis zur Adoleszenz, durch Zugabe von Knochengewebe an der Epiphysenplatte. Sie nehmen auch durch appositionelles Wachstum an Breite zu.

Verlängerung langer Knochen

Chondrozyten auf der Epiphysenseite der Epiphysenplatte teilen sich; Eine Zelle bleibt in der Nähe der Epiphyse undifferenziert und eine Zelle bewegt sich in Richtung Diaphyse. Die Zellen, die aus der Epiphyse geschoben werden, reifen und werden durch Verkalkung zerstört. Dieser Prozess ersetzt Knorpel durch Knochen auf der diaphysären Seite der Platte, was zu einer Verlängerung des Knochens führt.Lange Knochen hören im Alter von etwa 18 Jahren bei Frauen und im Alter von 21 Jahren bei Männern in einem Prozess namens Epiphysenplattenverschluss auf zu wachsen. Während dieses Prozesses hören Knorpelzellen auf sich zu teilen und der gesamte Knorpel wird durch Knochen ersetzt. Die Epiphysenplatte verblasst und hinterlässt eine Struktur, die als Epiphysenlinie oder Epiphysenrest bezeichnet wird, und die Epiphyse und die Diaphyse verschmelzen.

Verdickung langer Knochen

Appositionelles Wachstum ist die Vergrößerung des Knochendurchmessers durch Zugabe von Knochengewebe an der Knochenoberfläche. Osteoblasten an der Knochenoberfläche sezernieren Knochenmatrix und Osteoklasten an der inneren Oberfläche bauen Knochen ab. Die Osteoblasten differenzieren sich zu Osteozyten. Ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Prozessen ermöglicht es dem Knochen, sich zu verdicken, ohne zu schwer zu werden.

Knochenumbau und -reparatur

Die Knochenerneuerung setzt sich nach der Geburt bis ins Erwachsenenalter fort. Knochenumbau ist der Ersatz von altem Knochengewebe durch neues Knochengewebe. Es beinhaltet die Prozesse der Knochenablagerung durch Osteoblasten und Knochenresorption durch Osteoklasten. Normales Knochenwachstum erfordert die Vitamine D, C und A sowie Mineralien wie Kalzium, Phosphor und Magnesium. Hormone wie Nebenschilddrüsenhormon, Wachstumshormon und Calcitonin sind auch für das richtige Knochenwachstum und die Aufrechterhaltung erforderlich.

Die Knochenumsatzraten sind recht hoch, wobei jede Woche fünf bis sieben Prozent der Knochenmasse recycelt werden. Unterschiede in der Fluktuationsrate bestehen in verschiedenen Bereichen des Skeletts und in verschiedenen Bereichen eines Knochens. Zum Beispiel kann der Knochen im Femurkopf alle sechs Monate vollständig ersetzt werden, während der Knochen entlang des Schafts viel langsamer verändert wird.

Abbildung 6. Nachdem dieser Knochen gesetzt ist, wird ein Kallus die beiden Enden zusammen stricken. (credit: Bill Rhodes)

Durch den Knochenumbau können sich Knochen an Belastungen anpassen, indem sie bei Belastung dicker und stärker werden. Knochen, die keiner normalen Belastung ausgesetzt sind, z. B. wenn sich ein Glied in einem Gipsverband befindet, verlieren an Masse. Ein gebrochener oder gebrochener Knochen wird in vier Phasen repariert:

1. Blutgefäße im gebrochenen Knochen reißen und bluten, was zur Bildung von geronnenem Blut oder einem Hämatom an der Stelle des Bruchs führt. Die abgetrennten Blutgefäße an den gebrochenen Enden des Knochens werden durch den Gerinnungsprozess versiegelt, und Knochenzellen, denen Nährstoffe entzogen sind, beginnen zu sterben.
2. Innerhalb weniger Tage nach der Fraktur wachsen Kapillaren in das Hämatom hinein und Phagozytenzellen beginnen, die abgestorbenen Zellen zu entfernen. Obwohl Fragmente des Blutgerinnsels verbleiben können, dringen Fibroblasten und Osteoblasten in den Bereich ein und beginnen, Knochen zu reformieren. Fibroblasten produzieren Kollagenfasern, die die gebrochenen Knochenenden verbinden, und Osteoblasten beginnen, schwammigen Knochen zu bilden. Das Reparaturgewebe zwischen den gebrochenen Knochenenden wird als fibrocartilaginöser Kallus bezeichnet, da es sowohl aus Hyalin als auch aus Fibrocartilage besteht (Abbildung 6). An dieser Stelle können auch einige Knochenspitzen auftreten.
3. Der fibrokartilaginöse Kallus wird in einen knöchernen Kallus aus schwammigem Knochen umgewandelt. Es dauert etwa zwei Monate, bis die gebrochenen Knochenenden nach der Fraktur fest miteinander verbunden sind. Dies ähnelt der endochondralen Knochenbildung, da Knorpel verknöchert wird; Osteoblasten, Osteoklasten und Knochenmatrix sind vorhanden.
4. Der knöcherne Kallus wird dann durch Osteoklasten und Osteoblasten umgestaltet, wobei überschüssiges Material an der Außenseite des Knochens und in der Markhöhle entfernt wird. Kompakter Knochen wird hinzugefügt, um Knochengewebe zu erzeugen, das dem ursprünglichen, ungebrochenen Knochen ähnelt. Dieser Umbau kann viele Monate dauern, und der Knochen kann jahrelang uneben bleiben.

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