Biologie voor Majors II

bespreek de structuur en functie van botten

Er zijn verschillende soorten botten in het menselijk skelet. In deze sectie, zullen we leren over hoe botten een geclassificeerd, en hoe ze functioneren in ons lichaam.

Bottypen

bot, of botweefsel, is een bindweefsel dat het endoskelet vormt. Het bevat gespecialiseerde cellen en een matrix van minerale zouten en collageenvezels.

de minerale zouten omvatten voornamelijk hydroxyapatiet, een mineraal gevormd uit calciumfosfaat. Calcificatie is het proces van afzetting van minerale zouten op de collageenvezel matrix die kristalliseert en verhardt het weefsel. Het proces van calcificatie vindt alleen plaats in de aanwezigheid van collageenvezels.

de beenderen van het menselijk skelet worden ingedeeld naar hun vorm: lange beenderen, korte beenderen, platte beenderen, hechtbeenderen, sesamoïde beenderen en onregelmatige beenderen (figuur 1).

figuur 1. Getoond worden verschillende soorten botten: plat, onregelmatig, lang, kort, en sesamoïde.

Figuur 2. Het lange bot is bedekt met gewrichtskraakbeen aan beide uiteinden en bevat beenmerg (in geel weergegeven in deze afbeelding) in de merg holte.

lange beenderen zijn langer dan breed en hebben een schacht en twee uiteinden. De diafyse, of centrale schacht, bevat beenmerg in een beenmergholte. De afgeronde uiteinden, de epifysen, zijn bedekt met gewrichtskraakbeen en zijn gevuld met rood beenmerg, dat bloedcellen produceert (Figuur 2). De meeste botten van de ledematen zijn lange botten-bijvoorbeeld het dijbeen, scheenbeen, ellepijp en radius. Uitzonderingen hierop zijn de patella en de botten van de pols en enkel.

korte botten, of cuboïdale botten, zijn botten met dezelfde breedte en lengte, waardoor ze een kubusachtige vorm hebben. Bijvoorbeeld, de botten van de pols (carpals) en enkel (tarsals) zijn korte botten (figuur 1).

platte botten zijn dunne en relatief brede botten die worden gevonden waar uitgebreide bescherming van organen vereist is of waar brede oppervlakken van spieraanhechting vereist zijn. Voorbeelden van platte botten zijn het borstbeen( borstbeen), ribben, schouderbladen (schouderbladen) en het dak van de schedel (figuur 1).

onregelmatige botten zijn botten met complexe vormen. Deze botten kunnen korte, platte, gekerfd of geribbelde oppervlakken hebben. Voorbeelden van onregelmatige botten zijn de wervels, heupbeenderen en verschillende schedelbeenderen.

Sesambotten zijn kleine, platte botten en hebben de vorm van een sesamzaad. De patellae zijn sesamoïde botten. Sesamoïde botten ontwikkelen zich in pezen en kunnen worden gevonden in de buurt van gewrichten op de knieën, handen, en voeten.

Hechtbeenderen zijn kleine, platte, onregelmatig gevormde botten. Ze kunnen worden gevonden tussen de platte botten van de schedel. Ze variëren in aantal, vorm, grootte en positie.

botweefsel

botten worden beschouwd als organen omdat ze verschillende soorten weefsel bevatten, zoals bloed, bindweefsel, zenuwen en botweefsel. Osteocyten, de levende cellen van botweefsel, vormen de minerale matrix van botten. Er zijn twee soorten botweefsel: compact en sponsachtig.

Compact botweefsel

Compact bot (of corticaal bot) vormt de harde buitenste laag van alle botten en omringt de medullaire holte of het beenmerg. Het biedt bescherming en kracht aan botten. Compact botweefsel bestaat uit eenheden die osteons of Haversiaanse systemen worden genoemd. Osteons zijn cilindrische structuren die een minerale matrix bevatten en levende osteocyten verbonden door canaliculi, die bloed transporteren. Ze zijn evenwijdig aan de lange as van het bot uitgelijnd. Elke osteon bestaat uit lamellen, dat zijn lagen van compacte matrix die een centraal kanaal genaamd Het Haversiaanse kanaal omringen. Het Haversiaanse kanaal (osteonisch kanaal) bevat de bloedvaten van het bot en zenuwvezels (Figuur 3). Osteons in compact botweefsel zijn uitgelijnd in dezelfde richting langs lijnen van stress en helpen het bot te weerstaan buigen of breken. Daarom is compact botweefsel prominent in gebieden van bot waar spanningen worden toegepast in slechts een paar richtingen.

Figuur 3. Compact botweefsel bestaat uit osteons die parallel aan de lange as van het bot zijn uitgelijnd, en het Haversiaanse kanaal dat de bloedvaten en zenuwvezels van het bot bevat. De binnenlaag van botten bestaat uit sponsachtig botweefsel. De kleine donkere ovalen in de osteon vertegenwoordigen de levende osteocyten. (credit: modification of work by NCI, NIH)

sponsachtig botweefsel

terwijl compact botweefsel de buitenste laag van alle botten vormt, sponsachtig bot of afgestorven bot vormt de binnenste laag van alle botten. Sponzig botweefsel bevat geen osteons die compact botweefsel vormen. In plaats daarvan bestaat het uit trabeculae, die lamellen zijn die zijn gerangschikt als staven of platen. Rood beenmerg wordt gevonden tussen de trabuculae. Bloedvaten in dit weefsel leveren voedingsstoffen aan osteocyten en verwijderen afval. Het rode beenmerg van het dijbeen en het binnenste van andere grote botten, zoals het ileum, vormt bloedcellen.

Figuur 4. Trabeculae in sponzig bot zijn zo gerangschikt dat de ene kant van het bot spanning draagt en de andere bestand is tegen compressie.

sponsachtig bot vermindert de botdichtheid en laat de uiteinden van lange botten samendrukken als gevolg van spanningen op het bot. Sponzig bot is prominent in gebieden van botten die niet zwaar gestrest of waar spanningen komen uit vele richtingen. De epifysen van botten, zoals de hals van het dijbeen, zijn onderhevig aan stress uit vele richtingen. Stel je voor het leggen van een zware ingelijste foto plat op de vloer. Je kon één kant van de foto omhoog houden met een tandenstoker als de tandenstoker loodrecht op de vloer en de foto stond. Boor nu een gat en steek de tandenstoker in de muur om de foto op te hangen. In dit geval is de functie van de tandenstoker om de neerwaartse druk van het beeld naar de muur over te brengen. De kracht op de foto is recht naar beneden naar de vloer, maar de kracht op de tandenstoker is zowel de afbeelding draad naar beneden te trekken en de onderkant van het gat in de muur omhoog te duwen. De tandenstoker breekt af bij de muur.

de hals van het dijbeen is horizontaal zoals de tandenstoker in de wand. Het gewicht van het lichaam duwt het naar beneden in de buurt van het gewricht, maar de verticale diafyse van het dijbeen duwt het naar boven aan de andere kant. De hals van het femur moet sterk genoeg zijn om de neerwaartse kracht van het lichaamsgewicht horizontaal over te brengen naar de verticale schacht van het femur (Figuur 4).

celtypen in botten

bot bestaat uit vier typen cellen: osteoblasten, osteoclasten, osteocyten en osteoprogenitorcellen. Osteoblasten zijn botcellen die verantwoordelijk zijn voor botvorming. Osteoblasten synthetiseren en scheiden het organische deel en anorganische deel van de extracellulaire matrijs van beenweefsel, en collageenvezels af. Osteoblasten worden gevangen in deze afscheidingen en onderscheiden zich in minder actieve osteocyten. Osteoclasten zijn grote beencellen met maximaal 50 kernen. Ze verwijderen botstructuur door lysosomale enzymen en zuren vrij te geven die de benige matrix oplossen. Deze mineralen, vrijgegeven uit botten in het bloed, helpen reguleren calcium concentraties in lichaamsvloeistoffen. Bot kan ook worden geresorbeerd voor remodellering, als de toegepaste spanningen zijn veranderd. Osteocyten zijn Rijpe botcellen en zijn de belangrijkste cellen in benig bindweefsel; deze cellen kunnen zich niet delen. Osteocyten behouden een normale botstructuur door de minerale zouten in de benige matrix te recyclen. Osteoprogenitorcellen zijn plaveiselcellen die zich verdelen om dochtercellen te produceren die zich onderscheiden in osteoblasten. Osteoprogenitorcellen zijn belangrijk voor het herstel van fracturen.

botgroei en-ontwikkeling

ossificatie, of osteogenese, is het proces van botvorming door osteoblasten. Ossificatie verschilt van het verkalkingsproces; terwijl calcificatie plaatsvindt tijdens de ossificatie van botten, kan het ook voorkomen in andere weefsels. De ossificatie begint ongeveer zes weken na bevruchting in een embryo. Voor deze tijd bestaat het embryonale skelet volledig uit vezelige membranen en hyalien kraakbeen. De ontwikkeling van bot uit vezelige membranen wordt intramembraneuze ossificatie genoemd; ontwikkeling uit hyalien kraakbeen wordt endochondrale ossificatie genoemd. De botgroei gaat door tot ongeveer de leeftijd van 25 jaar. Botten kunnen groeien in dikte gedurende het leven, maar na Leeftijd 25, ossificatie functies voornamelijk in bot remodellering en reparatie.

Intramembraneuze ossificatie

Intramembraneuze ossificatie is het proces van botontwikkeling uit vezelachtige membranen. Het is betrokken bij de vorming van de platte botten van de schedel, de onderkaak en de sleutelbeenderen. Ossificatie begint als mesenchymale cellen vormen een sjabloon van het toekomstige bot. Zij onderscheiden zich dan in osteoblasten in het centrum van de ossificatie. Osteoblasten scheiden de extracellulaire matrijs af en deponeren calcium, dat de matrijs verhardt. Het niet-gemineraliseerde gedeelte van het bot of osteoïde blijft vormen rond bloedvaten, vorming sponsachtig bot. Bindweefsel in de matrix onderscheidt zich in rood beenmerg in de foetus. Het sponzige bot wordt omgevormd tot een dunne laag compact bot op het oppervlak van het sponzige bot.

endochondrale ossificatie

endochondrale ossificatie is het proces van botontwikkeling uit hyalien kraakbeen. Alle botten van het lichaam, met uitzondering van de platte botten van de schedel, onderkaak en sleutelbeenderen, worden gevormd door endochondrale ossificatie.

bij lange botten vormen chondrocyten een sjabloon van de hyaliene kraakbeendiafyse. Reageren op complexe ontwikkelingssignalen, de matrix begint te verkalken. Deze verkalking voorkomt diffusie van voedingsstoffen in de matrix, wat resulteert in het sterven van chondrocyten en het openen van holtes in het kraakbeen van de diafyse. De bloedvaten dringen de holten binnen, en de osteoblasten en de osteoclasten veranderen de verkalkte kraakbeenmatrijs in sponzig been. Osteoclasten breken dan een deel van het sponzige been af om een merg, of medullaire, holte in het centrum van de diafyse te creëren. Dicht, onregelmatig bindweefsel vormt een schede (periosteum) rond de botten. Het periosteum helpt bij het bevestigen van het bot aan omliggende weefsels, pezen en ligamenten. Het bot blijft groeien en rekken als de kraakbeencellen bij de epifysen zich delen.

In het laatste stadium van prenatale botontwikkeling beginnen de centra van de epifysen te verkalken. Secundaire ossificatiecentra vormen zich in de epifysen als bloedvaten en osteoblasten deze gebieden binnengaan en hyalien kraakbeen omzetten in sponsachtig bot. Tot de adolescentie blijft hyalien kraakbeen aanwezig op de epifysaire plaat( groeiplaat), het gebied tussen de diafyse en epifyse dat verantwoordelijk is voor de lengtegroei van lange botten (Figuur 5).

Figuur 5. Endochondrale ossificatie is het proces van botontwikkeling uit hyalien kraakbeen. Het periosteum is het bindweefsel aan de buitenkant van het bot dat fungeert als de interface tussen bot, bloedvaten, pezen en ligamenten.

groei van bot

lange botten blijven verlengen, mogelijk tot de adolescentie, door de toevoeging van botweefsel aan de epifysaire plaat. Ze vergroten ook in breedte door appositionele groei.

verlenging van lange botten

chondrocyten aan de epifysaire kant van de epifysaire plaatdelen; één cel blijft ongedifferentieerd in de buurt van de epifyse, en één cel beweegt naar de diafyse. De cellen, die van de epifyse worden geduwd, rijpen en worden vernietigd door verkalking. Dit proces vervangt kraakbeen door bot aan de diafysaire kant van de plaat, wat resulteert in een verlenging van het bot.

lange botten stoppen met groeien rond de leeftijd van 18 bij vrouwen en de leeftijd van 21 bij mannen in een proces dat epifysaire plaat sluiting wordt genoemd. Tijdens dit proces stoppen kraakbeencellen met delen en wordt al het kraakbeen vervangen door bot. De epifysaire plaat vervaagt, waardoor een structuur genaamd de epifysaire lijn of epifysaire restant, en de epifysis en diafysis zekering.

verdikking van lange botten

Appositionele groei is de toename van de diameter van botten door toevoeging van benig weefsel aan het oppervlak van botten. Osteoblasten op het botoppervlak scheiden botmatrix af en osteoclasten op het binnenoppervlak breken bot af. De osteoblasten onderscheiden zich in osteocytes. Een balans tussen deze twee processen zorgt ervoor dat het bot dikker wordt zonder te zwaar te worden.

botremodellering en-herstel

Botvernieuwing gaat door na de geboorte tot in de volwassenheid. Botremodellering is de vervanging van oud botweefsel door nieuw botweefsel. Het gaat om de processen van botafzetting door osteoblasten en botresorptie door osteoclasten. Normale botgroei vereist vitamine D, C en A, Plus mineralen zoals calcium, fosfor en magnesium. Hormonen zoals bijschildklierhormoon, groeihormoon en calcitonine zijn ook nodig voor een goede botgroei en onderhoud.

bot turnover rates zijn vrij hoog, met vijf tot zeven procent van de botmassa wordt elke week gerecycleerd. Verschillen in omloopsnelheid bestaan in verschillende gebieden van het skelet en in verschillende gebieden van een bot. Zo kan het bot in de kop van het dijbeen om de zes maanden volledig worden vervangen, terwijl het bot langs de schacht veel langzamer wordt veranderd.

Figuur 6. Nadat dit bot is gezet, zal een eelt de twee uiteinden aan elkaar breien. (credit: Bill Rhodes)

botremodellering zorgt ervoor dat botten zich kunnen aanpassen aan stress doordat ze dikker en sterker worden wanneer ze aan stress worden blootgesteld. Botten die niet onderhevig zijn aan normale stress, bijvoorbeeld wanneer een ledemaat in een cast zit, beginnen massa te verliezen. Een gebroken of gebroken bot ondergaat herstel in vier stadia:

1. bloedvaten in het gebroken bot scheur en bloeding, resulterend in de vorming van gestold bloed, of een hematoom, op de plaats van de breuk. De afgehakte bloedvaten aan de gebroken uiteinden van het bot worden verzegeld door het stollingsproces, en botcellen die verstoken zijn van voedingsstoffen beginnen te sterven.
2. binnen enkele dagen na de fractuur groeien haarvaten tot het hematoom, en fagocytaire cellen beginnen de dode cellen te verwijderen. Hoewel fragmenten van het bloedstolsel kunnen blijven, komen fibroblasten en osteoblasten het gebied binnen en beginnen het bot te hervormen. Fibroblasten produceren collageenvezels die de gebroken boteinden verbinden, en osteoblasten beginnen sponzig bot te vormen. Het herstelweefsel tussen de gebroken botuiteinden wordt de fibrocartilagineuze eelt genoemd, omdat het bestaat uit zowel hyalien als fibrocartilage (Figuur 6). Sommige botspicules kunnen ook op dit punt verschijnen.
3. de fibrocartilagineuze eelt wordt omgezet in een benige eelt van sponsachtig bot. Het duurt ongeveer twee maanden voordat de gebroken botuiteinden stevig met elkaar verbonden zijn na de breuk. Dit is gelijkaardig aan de endochondrale vorming van been, aangezien kraakbeen wordt verbeend; osteoblasten, osteoclasten, en beenmatrijs zijn aanwezig.
4. de benige eelt wordt vervolgens hersteld door osteoclasten en osteoblasten, waarbij overtollig materiaal aan de buitenkant van het bot en in de medullaire holte wordt verwijderd. Compact bot wordt toegevoegd om botweefsel te maken dat lijkt op het oorspronkelijke, ongebroken bot. Dit remodelleren kan vele maanden duren, en het bot kan jaren ongelijk blijven.

Controleer wat u begrijpt

beantwoord de vraag(en) hieronder om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie werden behandeld. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het opnieuw een onbeperkt aantal keer.

Gebruik deze quiz om uw begrip te controleren en te beslissen of (1) de vorige sectie verder te bestuderen of (2) verder te gaan naar de volgende sectie.