Biologi For Majors II

Diskuter struktur og funksjon av bein

det finnes flere forskjellige typer bein i det menneskelige skjelettet. I denne delen lærer vi om hvordan bein er klassifisert, og hvordan de fungerer i kroppene våre.

Typer Bein

Ben, Eller osseous vev, Er et bindevev som utgjør endoskelettet. Den inneholder spesialiserte celler og en matrise av mineralsalter og kollagenfibre.

mineralsaltene omfatter primært hydroksyapatitt, et mineral dannet av kalsiumfosfat. Kalkning er prosessen med avsetning av mineralsalter på kollagenfibermatrisen som krystalliserer og herdes vevet. Prosessen med forkalkning skjer bare i nærvær av kollagenfibre.

beinene i det menneskelige skjelettet er klassifisert etter deres form: lange bein, korte bein, flate bein, suturale bein, sesamoidben og uregelmessige bein (Figur 1).

Figur 1. Vist er forskjellige typer bein: flat, uregelmessig, lang, kort og sesamoid.

Figur 2. Det lange benet er dekket av leddbrusk i hver ende og inneholder benmarg (vist i gult i denne illustrasjonen) i marg hulrom.

Lange bein er lengre enn de er brede og har en aksel og to ender. Diaphysis, eller sentral aksel, inneholder benmarg i et marg hulrom. De avrundede ender, epifysene, er dekket med leddbrusk og er fylt med rødt benmarg, som produserer blodceller(Figur 2). De fleste lemmer er lange bein-for eksempel lårbenet, tibia, ulna og radius. Unntak fra dette inkluderer patella og bein av håndleddet og ankelen.

Korte bein, eller kuboide bein, er bein som har samme bredde og lengde, noe som gir dem en kubelignende form. For eksempel er beinene i håndleddet (carpals) og ankelen (tarsals) korte bein (Figur 1).Flate bein Er tynne og relativt brede bein som er funnet der omfattende beskyttelse av organer er nødvendig eller hvor brede overflater av muskelfeste er nødvendig. Eksempler på flate bein er brystbenet( brystbenet), ribber, scapulae (skulderbladene) og taket på skallen (Figur 1).

Uregelmessige bein er bein med komplekse former. Disse beinene kan ha korte, flate, hakkede eller riflede overflater. Eksempler på uregelmessige bein er ryggvirvlene, hofteben og flere skallenbein.Sesamoidbein er små, flate bein og er formet på samme måte som et sesamfrø. Patellae er sesamoid bein. Sesamoid bein utvikler seg i sener og kan bli funnet i nærheten av leddene på knær, hender og føtter.

Suturale bein er små, flate, uregelmessig formede bein. De kan bli funnet mellom de flate beinene på skallen. De varierer i antall, form, størrelse og posisjon.

Benvev

Bein betraktes som organer fordi De inneholder ulike typer vev, som blod, bindevev, nerver og beinvev. Osteocytter, de levende cellene i beinvev, danner mineralmatrisen av bein. Det finnes to typer beinvev: kompakt og svampete.

Kompakt Beinvev

Kompakt bein (eller kortikal bein) danner det harde ytre laget av alle bein og omgir medulærhulen eller benmargen. Det gir beskyttelse og styrke til bein. Kompakt beinvev består av enheter kalt osteoner eller Haversian systemer. Osteoner er sylindriske strukturer som inneholder en mineralmatrise og levende osteocytter forbundet med canaliculi, som transporterer blod. De er justert parallelt med benets lange akse. Hver osteon består av lameller, som er lag av kompakt matrise som omgir en sentral kanal kalt Haversian canal. Den Haversianske kanalen (osteonisk kanal) inneholder beinets blodkar og nervefibre(Figur 3). Osteoner i kompakt beinvev er justert i samme retning langs stresslinjer og hjelper beinet motstå bøyning eller brudd. Derfor er kompakt beinvev fremtredende i områder av bein hvor spenninger påføres i bare noen få retninger.

Figur 3. Kompakt beinvev består av osteoner som er justert parallelt med benets lange akse, og Den Haversianske kanalen som inneholder beinets blodkar og nervefibre. Det indre laget av bein består av svampete beinvev. De små mørke ovaler i osteonen representerer levende osteocytter. (kreditt: modifikasjon av arbeid AV NCI, NIH)

Svampete Benvev

mens kompakt benvev danner det ytre laget av alle bein, svampete ben eller cancellous bein danner det indre laget av alle bein. Svampete beinvev inneholder ikke osteoner som utgjør kompakt beinvev. I stedet består den av trabeculae, som er lameller som er arrangert som stenger eller plater. Rød benmarg er funnet mellom trabuculae. Blodkar i dette vevet leverer næringsstoffer til osteocytter og fjerner avfall. Det røde benmarget i lårbenet og det indre av andre store bein, som ileum, danner blodceller.

Figur 4. Trabeculae i svampete bein er ordnet slik at den ene siden av beinet bærer spenning og den andre tåler kompresjon.

Svampete bein reduserer tettheten av bein og lar endene av lange bein komprimere som følge av spenninger på beinet. Svampete bein er fremtredende i områder av bein som ikke er tungt stresset eller hvor stress kommer fra mange retninger. Epifysene av bein, som lårets hals, er utsatt for stress fra mange retninger. Tenk deg å legge et tungt innrammet bilde flatt på gulvet. Du kan holde opp den ene siden av bildet med en tannpirke hvis tannpirken var vinkelrett på gulvet og bildet. Nå bor et hull og hold tannpirken i veggen for å henge opp bildet. I dette tilfellet er tannpirkens funksjon å overføre nedadgående trykk på bildet til veggen. Kraften på bildet er rett ned til gulvet, men kraften på tannpirken er både bildetråden som trekker ned og bunnen av hullet i veggen skyver opp. Tannpirken vil bryte av rett ved veggen.

lårets hals er horisontal som tannpirken i veggen. Vekten av kroppen skyver den ned nær leddet, men den vertikale diafysen av lårbenet skyver den opp i den andre enden. Lårhalsen må være sterk nok til å overføre kroppsvektens nedadgående kraft horisontalt til lårbenets vertikale aksel(Figur 4).

Celletyper i Bein

Bein består av fire typer celler: osteoblaster, osteoklaster, osteocytter og osteoprogenitorceller. Osteoblaster er beinceller som er ansvarlige for beindannelse. Osteoblaster syntetiserer og utskiller den organiske delen og uorganiske delen av den ekstracellulære matrisen av beinvev og kollagenfibre. Osteoblaster blir fanget i disse sekreter og differensiere til mindre aktive osteocytter. Osteoklaster er store beinceller med opptil 50 kjerner. De fjerner beinstruktur ved å frigjøre lysosomale enzymer og syrer som oppløser den benete matrisen. Disse mineralene, frigjort fra bein i blodet, bidrar til å regulere kalsiumkonsentrasjoner i kroppsvæsker. Bone kan også resorberes for remodeling, hvis de påførte stressene har endret seg. Osteocytter er modne beinceller og er de viktigste cellene i benaktig bindevev; disse cellene kan ikke dele seg. Osteocytter opprettholder normal benstruktur ved å resirkulere mineralsaltene i benmatrisen. Osteoprogenitorceller er squamous stamceller som deler seg for å produsere datterceller som skiller seg i osteoblaster. Osteoprogenitorceller er viktige i reparasjon av brudd.

Benvekst og Utvikling

Ossifikasjon, eller osteogenese, er prosessen med beindannelse av osteoblaster. Ossifikasjon er forskjellig fra prosessen med forkalkning; mens kalsifisering finner sted under ossifisering av bein, kan det også forekomme i andre vev. Ossifikasjon begynner omtrent seks uker etter befruktning i et embryo. Før denne tiden består det embryonale skjelettet helt av fibrøse membraner og hyalinbrusk. Utviklingen av bein fra fibrøse membraner kalles intramembranøs ossifisering; utvikling fra hyalinbrusk kalles endokondral ossifisering. Bone veksten fortsetter til ca alder 25. Bein kan vokse i tykkelse gjennom hele livet, men etter 25 år, ossification fungerer primært i bein remodeling og reparasjon.

Intramembranøs Ossifisering

Intramembranøs ossifisering er prosessen med beinutvikling fra fibrøse membraner. Det er involvert i dannelsen av de flate beinene i skallen, mandibelen og kraglene. Ossifikasjon begynner som mesenkymale celler danner en mal av fremtidig bein. De skiller seg deretter inn i osteoblaster ved ossifikasjonssenteret. Osteoblaster utskiller den ekstracellulære matrisen og avsetter kalsium, som herder matrisen. Den ikke-mineraliserte delen av beinet eller osteoid fortsetter å danne seg rundt blodkar, og danner svampete bein. Bindevev i matrisen skiller seg i rødt benmarg i fosteret. Den svampete bein er omformet til et tynt lag av kompakt bein på overflaten av svampete bein.

Endokondral Ossifisering

Endokondral ossifisering er prosessen med beinutvikling fra hyalinbrusk. Alle kroppens bein, bortsett fra de flate beinene i skallen, mandibelen og kraglene, dannes gjennom endokondral ossifisering.

i lange bein danner kondrocytter en mal av hyalinbrusk diaphysis. Å svare på komplekse utviklingssignaler begynner matrisen å kalsifisere. Denne forkalkning hindrer diffusjon av næringsstoffer i matrisen, noe som resulterer i kondrocytter dør og åpning av hulrom i diafysebrusk. Blodkar invaderer hulrommene, og osteoblaster og osteoklaster modifiserer den forkalkede bruskmatrisen til svampete ben. Osteoklaster bryter deretter ned noen av de svampete beinene for å skape et marg eller medulær hulrom i midten av diafysen. Tett, uregelmessig bindevev danner en skjede (periosteum) rundt beinene. Periosteum hjelper til med å feste beinet til omgivende vev, sener og ledbånd. Benet fortsetter å vokse og forlenge som bruskcellene ved epifysene deler seg.

i den siste fasen av prenatal beinutvikling begynner epifysens sentre å forkalkes. Sekundære ossifiseringssentre dannes i epifysene når blodkar og osteoblaster kommer inn i disse områdene og konverterer hyalinbrusk til svampete bein. Inntil ungdomsårene vedvarer hyalinbrusk på epifyseplaten( vekstplate), som er regionen mellom diafysen og epifysen som er ansvarlig for den langsgående veksten av lange bein (Figur 5).

Figur 5. Endokondral ossifisering er prosessen med beinutvikling fra hyalinbrusk. Periosteum er bindevevet på utsiden av beinet som fungerer som grensesnittet mellom bein, blodårer, sener og ledbånd.

Vekst Av Bein

Lange bein fortsetter å forlenge, potensielt til ungdomsår, gjennom tilsetning av beinvev på epifyseplaten. De øker også i bredde gjennom appositional vekst.

Forlengelse Av Lange Ben

Kondrocytter på epifysens side av epifyseplaten divideres; en celle forblir utifferentiert nær epifysen, og en celle beveger seg mot diafysen. Cellene, som skyves fra epifysen, modnes og blir ødelagt ved forkalkning. Denne prosessen erstatter brusk med bein på diaphysealsiden av platen, noe som resulterer i en forlengelse av beinet.Lange bein slutter å vokse rundt 18 år hos kvinner og 21 år hos menn i en prosess som kalles epiphyseal plate closure. Under denne prosessen slutter bruskceller å dele seg og hele brusk erstattes av bein. Epifyseplaten fades, etterlater en struktur som kalles epifyselinjen eller epifyseresten, og epifysen og diafysen smelter.

Fortykkelse Av Lange Ben

Appositional vekst er økningen i diameteren av bein ved tilsetning av benvev på overflaten av bein. Osteoblaster på beinoverflaten utskiller benmatriks, og osteoklaster på den indre overflaten bryter ned bein. Osteoblastene skiller seg inn i osteocytter. En balanse mellom disse to prosessene gjør at beinet kan tykke seg uten å bli for tungt.

Bone Remodeling og Reparasjon

Bone fornyelse fortsetter etter fødselen i voksen alder. Bone remodeling er erstatning av gammelt beinvev med nytt beinvev. Det innebærer prosesser av beinavsetning av osteoblaster og benresorpsjon av osteoklaster. Normal benvekst krever vitamin D, C og A, pluss mineraler som kalsium, fosfor og magnesium. Hormoner som parathyroidhormon, veksthormon og kalsitonin er også nødvendig for riktig beinvekst og vedlikehold.beinomsetningen er ganske høy, med fem til syv prosent av benmassen blir resirkulert hver uke. Forskjeller i omsetningsrate finnes i ulike områder av skjelettet og i ulike områder av et bein. For eksempel kan beinet i lårets hode erstattes helt hver sjette måned, mens beinet langs akselen endres mye langsommere.

Figur 6. Etter at dette benet er satt, vil en callus strikke de to ender sammen. Bone remodeling gjør at bein kan tilpasse seg stress ved å bli tykkere og sterkere når de blir utsatt for stress. Ben som ikke er utsatt for normalt stress, for eksempel når et lem er i et kast, vil begynne å miste masse. En brukket eller brukket bein gjennomgår reparasjon gjennom fire stadier:

1. Blodkar i brukket bein tåre og blødning, noe som resulterer i dannelsen av levret blod, eller et hematom, på stedet av pause. De avskårne blodkarene i de ødelagte endene av beinet er forseglet av koagulasjonsprosessen, og beinceller som er berøvet næringsstoffer begynner å dø.
2. innen dager etter bruddet vokser kapillærene inn i hematomet, og fagocytiske celler begynner å rydde bort de døde cellene. Selv om fragmenter av blodpropp kan forbli, fibroblaster og osteoblaster inn i området og begynne å reformere bein. Fibroblaster produserer kollagenfibre som forbinder de knuste beinendene, og osteoblaster begynner å danne svampete bein. Reparasjonsvevet mellom de knuste beinendene kalles fibrocartilaginous callus, da den består av både hyalin og fibrocartilage (Figur 6). Noen bein spicules kan også vises på dette punktet.
3. den fibrocartilaginøse callus omdannes til en benaktig callus av svampete bein. Det tar omtrent to måneder for de knuste beinendene å være fast sammen etter brukket. Dette ligner endokondrisk dannelse av bein, ettersom brusk blir ossifisert; osteoblaster, osteoklaster og benmatrise er tilstede.
4. den benete callus blir deretter omformet av osteoklaster og osteoblaster, med overflødig materiale på utsiden av beinet og i medulærhulen blir fjernet. Kompakt bein legges til for å skape beinvev som ligner på det opprinnelige, ubrukte beinet. Denne remodeling kan ta mange måneder, og beinet kan forbli ujevnt i mange år.

Avkalking Av Bein

Spørsmål: Hvilken effekt har fjerning av kalsium og kollagen på beinstruktur?

Bakgrunn: Utfør et litteratursøk på kalsium og kollagens rolle i å opprettholde beinstruktur. Utfør et litteratursøk på sykdommer der beinstruktur er kompromittert.

Hypotese: Utvikle en hypotese som sier spådommer om fleksibilitet, styrke og masse av bein som har hatt kalsium og kollagen komponenter fjernet. Utvikle en hypotese om forsøket på å legge kalsium tilbake til avkalkede bein.

Test hypotesen: Test prediksjonen ved å fjerne kalsium fra kyllingben ved å plassere dem i en krukke eddik i syv dager. Test hypotesen om å legge kalsium tilbake til avkalket bein ved å plassere avkalket kyllingben i en krukke med vann med kalsiumtilskudd tilsatt. Test prediksjonen ved å denaturere kollagenet fra beinene ved å bake dem ved 250°C i tre timer.

Analyser dataene: Lag en tabell som viser endringene i beinfleksibilitet, styrke og masse i de tre forskjellige miljøene.

Rapporter resultatene: under hvilke forhold var beinet mest fleksibelt? Under hvilke forhold var beinet det sterkeste?

Trekke en konklusjon: har resultatene støtte eller tilbakevise hypotesen? Hvordan samsvarer resultatene observert i dette eksperimentet med sykdommer som ødelegger beinvev?

OPPSUMMERT: Benvekst og Utvikling

Ossifisering er prosessen med beindannelse av osteoblaster. Intramembranøs ossifisering er prosessen med beinutvikling fra fibrøse membraner. Endokondral ossifisering er prosessen med beinutvikling fra hyalinbrusk. Lange bein forlenger som kondrocytter deler og utskiller hyalinbrusk. Osteoblaster erstatter brusk med bein. Appositional vekst er økningen i diameteren av bein ved tilsetning av beinvev på overflaten av bein. Bone remodeling innebærer prosesser av bein deponering av osteoblaster og benresorpsjon av osteoklaster. Bone reparasjon skjer i fire trinn og kan ta flere måneder.

Sjekk Din Forståelse

Svar på spørsmålet(e) nedenfor for å se hvor godt du forstår emnene dekket i forrige avsnitt. Denne korte quizen teller ikke mot karakteren din i klassen, og du kan ta den på nytt et ubegrenset antall ganger.

Bruk denne testen for å sjekke din forståelse og avgjøre om du vil (1) studere forrige avsnitt videre eller (2) gå videre til neste avsnitt.