Biologie pro Obory II

Diskutovat o struktuře a funkci kosti

Existuje několik různých typů kostí v lidské kostry. V této části se dozvíme o tom, jak jsou kosti klasifikovány a jak fungují v našem těle.

Druhy Kostí

Kosti nebo kostní tkáně, je pojivové tkáně, která tvoří kostru. Obsahuje specializované buňky a matrici minerálních solí a kolagenových vláken.

minerálních solí, především hydroxyapatitu, minerálu tvořeny z vápníku, fosfátu. Kalcifikace je proces ukládání minerálních solí na matrici kolagenových vláken, která krystalizuje a vytvrzuje tkáň. Proces kalcifikace probíhá pouze v přítomnosti kolagenových vláken.

kosti lidské kostry jsou klasifikovány podle jejich tvaru: dlouhé kosti, krátké kosti, ploché kosti, sutural kosti, sesamoid kosti a nepravidelné kosti (Obrázek 1).

Obrázek 1. Zobrazeny jsou různé typy kostí: ploché, nepravidelné, dlouhé, krátké, a sesamoid.

Obrázek 2. Dlouhá kost je pokryta kloubní chrupavkou na obou koncích a obsahuje kostní dřeň (na tomto obrázku je znázorněna žlutě) v dutině dřeně.

dlouhé kosti jsou delší než široké a mají hřídel a dva konce. Diafýza nebo centrální hřídel obsahuje kostní dřeň v dutině dřeně. Zaoblené konce, epifýzy, jsou pokryty kloubní chrupavkou a jsou naplněny červenou kostní dření, která produkuje krevní buňky (Obrázek 2). Většina kostí končetin jsou dlouhé kosti-například stehenní kosti, holenní kosti, ulna a poloměr. Výjimky z toho zahrnují patelu a kosti zápěstí a kotníku.

krátké kosti nebo kvádrové kosti jsou kosti, které mají stejnou šířku a délku a dávají jim tvar krychle. Například kosti zápěstí (karpály) a kotníku (tarsaly) jsou krátké kosti (Obrázek 1).

Ploché kosti jsou tenké a relativně široké kosti, které se nacházejí tam, kde rozsáhlé ochraně orgánů, je nutné, nebo tam, kde široké plochy svalu přílohy jsou povinné. Příklady plochých kostí jsou hrudní kost (prsní kost), žebra, lopatky (lopatky) a střecha lebky (Obrázek 1).

nepravidelné kosti jsou kosti se složitými tvary. Tyto kosti mohou mít krátké, ploché, vroubkované nebo vyvýšené povrchy. Příklady nepravidelných kostí jsou obratle, kyčelní kosti a několik kostí lebky.

sesamoidní kosti jsou malé, ploché kosti a jsou tvarovány podobně jako sezamové semeno. Patellae jsou sesamoidní kosti. Sesamoidní kosti se vyvíjejí uvnitř šlach a lze je nalézt v blízkosti kloubů na kolenou, rukou a nohou.

Suturální kosti jsou malé, ploché, nepravidelně tvarované kosti. Mohou se nalézt mezi plochými kostmi lebky. Liší se počtem, tvarem, velikostí a polohou.

kostní tkáň

kosti jsou považovány za orgány, protože obsahují různé typy tkání, jako je krev, pojivová tkáň, nervy a kostní tkáň. Osteocyty, živé buňky kostní tkáně, tvoří minerální matrici kostí. Existují dva typy kostní tkáně: kompaktní a houbovité.

kompaktní kostní tkáň

kompaktní kost (nebo kortikální kost) tvoří tvrdou vnější vrstvu všech kostí a obklopuje medulární dutinu nebo kostní dřeň. Poskytuje ochranu a sílu kostí. Kompaktní kostní tkáň se skládá z jednotek nazývaných osteony nebo Haversiánské systémy. Osteony jsou válcové struktury, které obsahují minerální matrici a živé osteocyty Spojené kanaliculi, které transportují krev. Jsou vyrovnány rovnoběžně s dlouhou osou kosti. Každý osteon se skládá z lamel, což jsou vrstvy kompaktní matrice, které obklopují centrální kanál zvaný Haversianský kanál. Haversianský kanál (osteonický kanál) obsahuje kostní krevní cévy a nervová vlákna (obrázek 3). Osteony v kompaktní kostní tkáni jsou zarovnány ve stejném směru podél linií stresu a pomáhají kosti odolávat ohýbání nebo zlomení. Proto je kompaktní kostní tkáň prominentní v oblastech kosti, na které jsou napětí aplikována pouze v několika směrech.

obrázek 3. Kompaktní kostní tkáň se skládá z osteony, které jsou orientovány paralelně k dlouhé ose kosti, a Haversových kanálků, která obsahuje kostní cévy a nervová vlákna. Vnitřní vrstva kostí se skládá z houbovité kostní tkáně. Malé tmavé ovály v osteonu představují živé osteocyty. (kredit: modifikace práce NCI, NIH)

houbovitá kostní tkáň

zatímco kompaktní kostní tkáň tvoří vnější vrstvu všech kostí, houbovitá kost nebo spongiózní kost tvoří vnitřní vrstvu všech kostí. Houbovitá kostní tkáň neobsahuje osteony, které tvoří kompaktní kostní tkáň. Místo toho se skládá z trabekul, což jsou lamely, které jsou uspořádány jako tyče nebo desky. Červená kostní dřeň se nachází mezi trabuculae. Krevní cévy v této tkáni dodávají živiny osteocytům a odstraňují odpad. Červená kostní dřeň stehenní kosti a vnitřek dalších velkých kostí, jako je ileum, tvoří krevní buňky.

obrázek 4. Trabekuly v houbovité kosti jsou uspořádány tak, že jedna strana kosti nese napětí a druhá odolává stlačení.

houbovitá kost snižuje hustotu kosti a umožňuje kompresi konců dlouhých kostí v důsledku namáhání aplikovaného na kost. Houbovitá kost je prominentní v oblastech kostí, které nejsou silně namáhány nebo kde stresy přicházejí z mnoha směrů. Epifýzy kostí, jako je krk stehenní kosti, jsou vystaveny stresu z mnoha směrů. Představte si, že položíte těžký zarámovaný obrázek na podlahu. Můžete držet jednu stranu obrázku párátkem, pokud je párátko kolmé k podlaze a obrázku. Nyní vyvrtejte otvor a nalepte párátko do zdi, abyste zavěsili obrázek. V tomto případě je funkcí párátka přenášet tlak obrazu směrem dolů na stěnu. Síla na obrázku je přímo dolů k podlaze, ale síla na párátko je jak tahání drátu obrázku dolů, tak spodní část otvoru ve zdi tlačící nahoru. Párátko se odlomí přímo u zdi.

krk stehenní kosti je vodorovný jako párátko ve stěně. Hmotnost těla ji tlačí dolů v blízkosti kloubu, ale vertikální diafýza stehenní kosti ji tlačí na druhý konec. Krk stehenní kosti musí být dostatečně silný, aby přenesl sestupnou sílu tělesné hmotnosti vodorovně na svislou hřídel stehenní kosti (obrázek 4).

typy buněk v kostech

kost se skládá ze čtyř typů buněk: osteoblastů, osteoklastů, osteocytů a osteoprogenitorových buněk. Osteoblasty jsou kostní buňky, které jsou zodpovědné za tvorbu kostí. Osteoblasty syntetizují a vylučují organickou část a anorganickou část extracelulární matrice kostní tkáně a kolagenových vláken. Osteoblasty se v těchto sekrecích zachycují a diferencují se na méně aktivní osteocyty. Osteoklasty jsou velké kostní buňky s až 50 jádry. Odstraňují kostní strukturu uvolněním lysozomálních enzymů a kyselin, které rozpouštějí kostní matrici. Tyto minerály, uvolněné z kostí do krve, pomáhají regulovat koncentrace vápníku v tělních tekutinách. Kost může být také resorbována pro remodelaci, pokud se aplikované napětí změnilo. Osteocyty jsou zralé kostní buňky a jsou hlavními buňkami v kostní pojivové tkáni; tyto buňky se nemohou dělit. Osteocyty udržují normální kostní strukturu recyklací minerálních solí v kostní matrici. Osteoprogenitorové buňky jsou dlaždicové kmenové buňky, které se dělí a produkují dceřiné buňky, které se diferencují na osteoblasty. Osteoprogenitorové buňky jsou důležité při opravě zlomenin.

růst a vývoj kostí

osifikace nebo osteogeneze je proces tvorby kostí osteoblasty. Osifikace se liší od procesu kalcifikace; zatímco kalcifikace probíhá během osifikace kostí, může se vyskytovat také v jiných tkáních. Osifikace začíná přibližně šest týdnů po oplodnění embrya. Před touto dobou se embryonální kostra skládá výhradně z vláknitých membrán a hyalinní chrupavky. Vývoj kosti z vláknitých membrán se nazývá intramembranózní osifikace; vývoj z hyalinní chrupavky se nazývá endochondrální osifikace. Růst kostí pokračuje přibližně do věku 25 let. Kosti mohou růst v tloušťce po celý život, ale po 25 letech, osifikace funguje především při remodelaci a opravě kostí.

Intramembranózní osifikace

Intramembranózní osifikace je proces vývoje kostí z vláknitých membrán. Podílí se na tvorbě plochých kostí lebky, čelisti a klíční kosti. Osifikace začíná, když mezenchymální buňky tvoří šablonu budoucí kosti. Pak se diferencují na osteoblasty v osifikačním centru. Osteoblasty vylučují extracelulární matrici a ukládají vápník, který matrici vytvrzuje. Nemineralizovaná část kosti nebo osteoidu se nadále tvoří kolem krevních cév a tvoří houbovitou kost. Pojivová tkáň v matrici se v plodu diferencuje na červenou kostní dřeň. Houbovitá kost je přestavěna na tenkou vrstvu kompaktní kosti na povrchu houbovité kosti.

endochondrální osifikace

endochondrální osifikace je proces vývoje kostí z hyalinní chrupavky. Všechny kosti těla, s výjimkou plochých kostí lebky, čelisti a klíční kosti, jsou tvořeny endochondrální osifikací.

v dlouhých kostech tvoří chondrocyty šablonu diafýzy hyalinní chrupavky. V reakci na složité vývojové signály se matice začne kalcifikovat. Tato kalcifikace zabraňuje difúzi živin do matrice, což vede k odumírání chondrocytů a otevření dutin v chrupavce diafýzy. Krevní cévy napadají dutiny a osteoblasty a osteoklasty modifikují kalcifikovanou matrici chrupavky na houbovitou kost. Osteoklasty pak rozkládají část houbovité kosti a vytvářejí dřeň nebo medulární dutinu ve středu diafýzy. Hustá, nepravidelná pojivová tkáň tvoří kolem kostí plášť (periosteum). Periosteum pomáhá při připojování kosti k okolním tkáním, šlach a vazům. Kost pokračuje v růstu a prodloužení, jak se buňky chrupavky v epifýzách dělí.

v poslední fázi vývoje prenatální kosti se začnou kalcifikovat centra epifýz. V epifýzách se tvoří sekundární osifikační centra, protože do těchto oblastí vstupují krevní cévy a osteoblasty a přeměňují hyalinní chrupavku na houbovitou kost. Až do dospívání, hyalinní chrupavce přetrvává v epifyzární (růstové ploténky), což je oblast mezi diafýzy a epifýzy, která je zodpovědná za podélně růst dlouhých kostí (Obrázek 5).

obrázek 5. Endochondrální osifikace je proces vývoje kostí z hyalinní chrupavky. Periosteum je pojivová tkáň na vnější straně kosti, která působí jako rozhraní mezi kostí, cévami, šlachy a vazy.

Růst Kostí

Dlouhé kosti i nadále prodlužovat, potenciálně až do dospívání, přes přidání kostní tkáně na epifyzární. Zvětšují se také šířkou prostřednictvím apozičního růstu.

Prodlužování Dlouhých Kostí

Chondrocytů na epifýzy straně epifyzární rozdělit; jedna buňka zůstává nediferencovaný nedaleko epifýzy, a jedna buňka se pohybuje směrem k diafýze. Buňky, které jsou vytlačeny z epifýzy, zrají a jsou zničeny kalcifikací. Tento proces nahrazuje chrupavku kostí na diafyzální straně desky, což vede k prodloužení kosti.

Dlouhé kosti přestanou růst ve věku kolem 18 let u žen a 21 let u mužů v procesu zvaném epifyzární uzavření. Během tohoto procesu se buňky chrupavky přestanou dělit a veškerá chrupavka je nahrazena kostí. Epifýzy desky mizí, takže struktura, která se nazývá epifyzeální linie nebo epifýzy zbytek, a epifýzy a diafýzy pojistky.

zahušťování dlouhých kostí

Apoziční růst je zvýšení průměru kostí přidáním kostní tkáně na povrch kostí. Osteoblasty na povrchu kosti vylučují kostní matrici a osteoklasty na vnitřním povrchu rozkládají kost. Osteoblasty se diferencují na osteocyty. Rovnováha mezi těmito dvěma procesy umožňuje kosti zhoustnout, aniž by byla příliš těžká.

remodelace a oprava kostí

obnova kostí pokračuje po narození do dospělosti. Remodelace kostí je nahrazení staré kostní tkáně novou kostní tkání. Zahrnuje procesy ukládání kostí osteoblasty a kostní resorpce osteoklasty. Normální růst kostí vyžaduje vitamíny D, C A A plus minerály, jako je vápník, fosfor a hořčík. Hormony, jako je parathormon, růstový hormon a kalcitonin, jsou také nezbytné pro správný růst a údržbu kostí.

míra obratu kostí je poměrně vysoká, přičemž každý týden se recykluje pět až sedm procent kostní hmoty. Rozdíly v rychlosti obratu existují v různých oblastech kostry a v různých oblastech kosti. Například kost v hlavě stehenní kosti může být plně nahrazena každých šest měsíců, zatímco kost podél hřídele se mění mnohem pomaleji.

obrázek 6. Poté, co je tato kost nastavena, kalus spojí oba konce dohromady. (kredit: Bill Rhodes)

remodelace kostí umožňuje kostem přizpůsobit se stresům tím, že se stanou silnějšími a silnějšími, když jsou vystaveny stresu. Kosti, které nejsou vystaveny normálnímu stresu, například když je končetina v obsazení, začnou ztrácet hmotu. Prasklou nebo zlomenou kost podstoupí opravu přes čtyři fáze:

1. cévy v zlomené kosti, natržení a krvácení, což má za následek tvorbu sražené krve, nebo hematom, v místě přerušení. Oddělené krevní cévy na zlomených koncích kosti jsou utěsněny procesem srážení a kostní buňky, které jsou zbaveny živin, začínají umírat.
2. během několika dní po zlomenině kapiláry rostou do hematomu a fagocytární buňky začnou odstraňovat mrtvé buňky. Ačkoli fragmenty krevní sraženiny mohou zůstat, fibroblasty a osteoblasty vstupují do oblasti a začínají reformovat kost. Fibroblasty produkují kolagenová vlákna, která spojují zlomené konce kostí a osteoblasty začínají tvořit houbovitou kost. Opravná tkáň mezi zlomenými kostními konci se nazývá fibrokartilaginózní kalus, protože se skládá jak z hyalinu, tak z fibrokartilage (obrázek 6). V tomto bodě se mohou také objevit některé kostní spikuly.
3. fibrokartilaginózní kalus je přeměněn na kostní kalus houbovité kosti. Trvá asi dva měsíce, než se zlomené konce kostí po zlomenině pevně spojí. To je podobné endochondrální tvorbě kosti, protože chrupavka se osifikuje; jsou přítomny osteoblasty, osteoklasty a kostní matrice.
4. kostní kalus je pak remodelován osteoklasty a osteoblasty, přičemž přebytečný materiál na vnější straně kosti a uvnitř medulární dutiny je odstraněn. Kompaktní kost je přidána k vytvoření kostní tkáně, která je podobná původní, neporušené kosti. Tato remodelace může trvat mnoho měsíců a kost může zůstat nerovnoměrná po celá léta.

Zkontrolujte své porozumění

odpovězte na níže uvedené otázky a zjistěte, jak dobře rozumíte tématům uvedeným v předchozí části. Tento krátký kvíz se nezapočítává do vaší známky ve třídě, a můžete to opakovat neomezeně mnohokrát.

pomocí tohoto kvízu zkontrolujte své porozumění a rozhodněte se, zda (1) studovat předchozí část dále nebo (2) Přejít na další část.