Урок 28. Будова і функції опорно-рухової системи. Будова кісток

Від моменту народження і до глибокої старості наше тіло виконує рухи. Людина може виконувати різноманітні та складні рухи. Згадайте витончені піруети балерини, неймовірно складні акробатичні трюки гімнастів. Але всі наші щоденні рухи не є такими вже й простими. Кістки і м’язи працюють разом, узгоджено та синхронно. Щоб зробити бодай крок, ми повинні залучити десятки м’язів і кісток. Тому давайте розберемося, як побудована опорно-рухова система нашого організму.

Ключові слова: опорно-рухова система, хрящ, кістки (довгі, трубчасті, плоскі, короткі, змішані), остеон, остеоцити, остеобласти, остеокласти, хондроцити.

Рух тіла — функція м’язів, але він є неможливим без опори — кісток. Саме вони зумовлюють характер рухів.

Кістки ж можуть рухатися тільки завдяки скороченню м’язів, що прикріплюються до них. Разом з тим, м’язи зі зв’язками утримують кістки в певному положенні. Отже, опорно-рухова система складається з «пасивного» скелета і «активної» м’язової частини. Тому і розглянемо ці дві складові одного процесу — кістки та м’язи.

Опорно-рухова система людини виконує такі функції — механічні — захист, форма, рух, та біологічні — кровотворення, теплоутворення, депонування, обміну речовин. Кожну з цих функцій ми розглянемо, вивчаючи окремі частини опорно-рухового апарату.

Склад кісток та їхній ріст. Кожна кістка людини являє собою складний орган. Вона займає певне місце в тілі, має свою форму і будову, виконує властиву тільки їй функцію. В утворенні кістки беруть участь усі тканини, але переважає кісткова.

Клітини, що утворюють кістку, — це остеобласти. Коли вони переходять у неактивний стан, їх називають остеоцитами. Разом з міжклітинною речовиною вони входять до складу кісткових пластинок. 5-20 концентрично розміщених кісткових пластинок об’єднуються в остеони. Вони нагадують собою вставлені один в одного циліндри. У центрі остеону міститься отвір — канал остеону. Через нього проходять судини та нерви. Між сусідніми остеонами розміщені вставні кісткові пластинки. Отже, основною структурною одиницею кісткової тканини є остеон (мал. 62).

Найбільша кількість остеобластів розташована в окісті — тонкій, але щільній сполучнотканинній пластинці, що знаходиться на поверхні кістки й містить багато кровоносних і лімфатичних судин, нервових закінчень. Окістя забезпечує живлення кістки і ріст її в товщину.

Мал. 62. Остеон: 1 – кісткова пластинка; 2 – остеоцити; 3 – канал остеону

Жива кістка людини у віці 25-40 років містить органічні речовини — 12,5% білків (колаген, осеїн), 15,7% жирів та неорганічні — 21,8% (переважно кальцій ортофосфат) і 50% води. Органічні речовини надають кісткам пружності, а неорганічні — міцності. Поєднання цих речовин у кістковій тканині надає їй високих механічних якостей, її міцність можна порівняти з міцністю металу. У дітей у кістках більше органічних речовин, тому вони більш пластичні, гнучкі, у зв’язку з чим скелет легко деформується. У людей похилого віку більше неорганічних речовин і їх кістки є крихкими й можуть ламатися.

Довести це ми можемо, провівши прості досліди. Спочатку видалимо з кістки солі. Для цього її достатньо потримати добу в слабкій кислоті. Солі розчиняться в ній, кістка стане як гумова трубка, і за бажання її можна зав’язати вузлом. Для видалення органічних речовин потрібно взяти іншу кістку і просмажити її на закритому вогні. Після цього вона стане такою крихкою, що при легкому дотику паличкою розсиплеться порошком.

Кістки ростуть до 25 років. Але це не означає, що кісткова тканина не оновлюється. За допомогою спеціалізованих клітин остеокластів відбувається руйнування старих кісткових клітин, а остеобласти окістя утворюють нові клітини.

Кісткова тканина заміщує хрящову ще в скелеті ембріона. Сама хрящова тканина побудована з хондроцитів і міжклітинної речовини. Хрящі не мають кровоносних судин, тому їх живлення здійснюється за рахунок клітин зовнішнього шару — охрястя. Розрізняють три типи хрящів: гіаліновий, волокнистий, еластичний. Найбільше поширений тип це гіаліновий хрящ. Він здатний витримувати великі навантаження і гасити різку механічну дію. Тому ним вкриті суглобові поверхні кісток. У довжину кістка росте саме за рахунок цього хряща. Волокнистий хрящ має багато колагенових волокон, що надають йому міцності і гнучкості. Він утворює міжхребцеві диски і входить до складу сухожилків. Еластичний хрящ містить багато еластинових волокон, з нього утворюються зовнішнє вухо, надгортанник, хрящі гортані.

Будова кістки. В організмі людини налічують понад 220 кісток. За формою кістки бувають довгими. Це більшість кісток кінцівок (стегнова, плечова та ін.). Короткі — це кісточки зап’ястків, передплесен. Плоскі, або широкі, — (лопатка, груднина, кістки черепа). Змішані кістки мають елементи коротких і плоских кісток (хребці, потилична, скронева). Довга кістка має всередині порожнину, тому її називають трубчастою. Така кістка складається зі стержня — діафіза, на кінцях якого знаходяться розширення — епіфізи (головки) (мал. 63). Діафіз складається з компактної речовини, утвореної остеонами. Епіфізи утворені губчастою речовиною. Вона складається з кісткових пластинок, що розташовані в тих напрямках, у яких на кістку діють навантаження. Між пластинками знаходиться червоний кістковий мозок, у якому утворюються формені елементи крові. У порожнині розташований жовтий кістковий мозок, що є жировою тканиною і виконує запасаючу функцію.

Мал. 63. Будова кістки: 1 – епіфізи; 2 – діафіз; 3 – окістя; 4 – компактна кісткова тканина; 5 – губчаста кісткова тканина; 6 – остеони; 7 – жовтий кістковий мозок

Така будова кісток цілком відповідає принципу будівельної механіки — за найменшої витрати матеріалу і значної легкості забезпечити максимальну міцність споруди. Це підтверджується тим, що розміщення трубчастих систем і основних кісткових балок відповідає напрямку дії сил стискання, розтягування і скручування. Однією з умов розвитку кісток є робота. Якщо відсутні навантаження, то кістка атрофується.

• 1. Обґрунтуйте біологічне значення опорно-рухової системи.
• 2. Схарактеризуйте хімічний склад кістки, визначте його біологічне значення.
• 3. Поясніть взаємозв’язок анатомічної будови кістки з її фізіологічними функціями.
• 4. За рахунок чого кістка росте у довжину?
• 5. За рахунок чого кістка росте у товщину?

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ!

• Червоний кістковий мозок людини важить близько 2600 г, а за 70 років життя виробляє 650 кг еритроцитів і 1000 кг лейкоцитів.

• Скелет людини повністю оновлюється кожні 180 днів, тобто за рік двічі відбувається заміна кісткової тканини.

• Розташування перекладин Ейфелевої башти (висота — 300 м, маса — 9 000 000 кг) відповідає будові губчастої речовини головок трубчастих кісток, що надає їм легкості та міцності. Інженер Ж. Ейфель використав ці закони конструкції у своїй споруді.

• Кістки здатні витримувати розтягнення подібно до чавуну, а за опором на стискання вони вдвічі переважають граніт.

6.3: Структура кісток

Кісткова тканина (кісткова тканина) сильно відрізняється від інших тканин в організмі. Кістка тверда, і багато її функцій залежать від цієї характерної твердості. Пізніші обговорення в цьому розділі покаже, що кістка також динамічна тим, що її форма пристосовується до врахування напружень. Цей розділ спочатку вивчить грубу анатомію кістки, а потім перейти до її гістології.

Валова анатомія кістки

Будова довгої кістки дозволяє найкраще візуалізувати всі частини кістки (рис. \(\PageIndex\) ). Довга кістка має дві частини: діафіз і епіфіз. Діафіз – це трубчастий вал, який проходить між проксимальним і дистальним кінцями кістки. Порожниста область в діафізі називається мозкової порожниною, яка заповнена жовтим мозком. Стінки діафіза складаються з щільної і твердої компактної кістки.

Малюнок \(\PageIndex\) : Анатомія довгої кістки.Типова довга кістка показує грубі анатомічні характеристики кістки.

Більш широкий відділ на кожному кінці кістки називається епіфізом (множина = епіфізи), який заповнений губчастою кісткою. Червоний мозок заповнює простори в губчастої кістки. Кожен епіфіз відповідає діафізу при метафізі, вузькій ділянці, яка містить епіфізарну пластинку (ростову пластину), шар гіалінового (прозорого) хряща у зростаючій кістці. Коли кістка перестає рости в ранньому дорослому віці (приблизно 18-21 рік), хрящ замінюється кістковою тканиною і епіфізарна пластинка стає епіфізарної лінією.

Медуллярна порожнина має делікатну мембранозну оболонку, яка називається ендостеум (кінець – = «всередині»; oste- = «кістка»), де відбувається зростання, відновлення та ремоделювання кісток. Зовнішня поверхня кістки покрита фіброзною оболонкою, яка називається окістя (peri – = «навколо» або «навколишнє»). Окістя містить кровоносні судини, нерви та лімфатичні судини, які живлять компактну кістку. Сухожилля і зв’язки також прикріплюються до кісток у окістя. Окістя охоплює всю зовнішню поверхню, за винятком випадків, коли епіфізи зустрічаються з іншими кістками, утворюючи суглоби (рис. \(\PageIndex\) ). У цій області епіфізи покриті суглобовим хрящем, тонким шаром хряща, який зменшує тертя і виконує роль амортизатора.

Малюнок \(\PageIndex\) : Окістя і Ендостеум. Окістя утворює зовнішню поверхню кістки, а ендостеум вирівнює мозкову порожнину.

Плоскі кістки, як і у черепної коробки, складаються з шару диплою (губчаста кістка), вистелена з обох боків шаром компактної кістки (рис. \(\Pageindex\) ). Два шари компактної кістки та внутрішня губчаста кістка працюють разом, щоб захистити внутрішні органи. Якщо зовнішній шар черепної кістки переломився, мозок все ще захищений неушкодженим внутрішнім шаром.

Малюнок \(\PageIndex\) : Анатомія плоскої кістки. Цей поперечний переріз плоскої кістки показує губчасту кістку (диплою), вистелену з обох боків шаром компактної кістки.

Маркування кісток

Поверхневі особливості кісток значно різняться в залежності від функції і розташування в організмі. Таблиця \(\PageIndex\) описує розмітки кісток, які проілюстровані на (рис. \(\PageIndex\) ). Існує три загальні класи розміток кісток: (1) артикуляції, (2) проекції та (3) отвори. Як випливає з назви, артикуляція – це місце, де дві кісткові поверхні збираються разом (articulus = «суглоб»). Ці поверхні, як правило, відповідають одна одній, наприклад, одна округлена, а інша чашечка, щоб полегшити функцію артикуляції. Проекція – це область кістки, яка виступає над поверхнею кістки. Це місця кріплення сухожиль і зв’язок. Взагалі, їх розмір і форма є вказівкою на сили, що чиниться через кріплення до кістки. Отвір – це отвір або борозенка в кістці, що дозволяє кровоносним судинам і нервам увійти в кістку. Як і у випадку з іншими маркуваннями, їх розмір і форма відображають розмір судин і нервів, які проникають в кістку в цих точках.

Таблиця \(\PageIndex\)

Малюнок \(\PageIndex<4>\) : Особливості кісток.Особливості поверхні кісток залежать від їх функції, розташування, прикріплення зв’язок і сухожиль або проникнення судин і нервів.

Кісткові клітини і тканини

Кістка містить відносно невелику кількість клітин, закріплених в матриці колагенових волокон, які забезпечують поверхню для прилипання неорганічних кристалів солі. Ці кристали солі утворюються, коли фосфат кальцію і карбонат кальцію об’єднуються, щоб створити гідроксиапатит, який включає в себе інші неорганічні солі, такі як гідроксид магнію, фтор і сульфат, коли він кристалізується, або кальцифікується, на колагенових волокні. Кристали гідроксиапатиту надають кісткам їх твердість і міцність, в той час як волокна колагену надають їм гнучкість, щоб вони не були крихкими.

Хоча кісткові клітини складають невелику кількість кісткового об’єму, вони мають вирішальне значення для функції кісток. У кістковій тканині знаходяться чотири типи клітин: остеобласти, остеоцити, остеогенні клітини та остеокласти (рис. \(\PageIndex\) ).

Малюнок \(\PageIndex\) : Кісткові клітини. Чотири типи клітин знаходяться в кістковій тканині. Остеогенні клітини недиференційовані і розвиваються в остеобласти. Коли остеобласти потрапляють в пастку всередині кальцинованого матриксу, їх структура і функції змінюються, і вони стають остеоцитами. Остеокласти розвиваються з моноцитів і макрофагів і відрізняються за зовнішнім виглядом від інших кісткових клітин.

Остеобласт – це кісткова клітина, відповідальна за формування нової кістки і знаходиться у зростаючих ділянках кістки, включаючи окістя та ендостеум. Остеобласті, які не діляться, синтезують і виділяють колагеновий матрикс і солі кальцію. Коли секретується матрикс, що оточує остеобласт, кальцинується, остеобласт потрапляє в пастку всередині нього; в результаті він змінюється в структурі і стає остеоцитам, первинною клітиною зрілої кістки і найбільш поширеним типом кісткової клітини. Кожен остеоцит розташований в просторі, званому лакуною і оточений кістковою тканиною. Остеоцити підтримують мінеральну концентрацію матриксу за допомогою секреції ферментів. Як і остеобласти, остеоцити не мають мітотичної активності. Вони можуть спілкуватися один з одним і отримувати поживні речовини за допомогою довгих цитоплазматичних процесів, які простягаються через каналікули (сингулярні = каналікулюс), канали всередині кісткового матриксу.

Якщо остеобласти і остеоцити нездатні до мітозу, то як вони заповнюються, коли старі гинуть? Відповідь полягає у властивостях третьої категорії кісткових клітин – остеогенної клітини. Ці остеогенні клітини недиференційовані з високою мітотичною активністю, і вони є єдиними кістковими клітинами, які діляться. Незрілі остеогенні клітини виявляються в глибоких шарах окістя і мозку. Вони диференціюються і розвиваються в остеобласти.

Динамічний характер кістки означає, що постійно формується нова тканина, а стара, травмована або непотрібна кістка розчиняється для відновлення або для виділення кальцію. Клітиною, відповідальною за резорбцію кістки, або руйнування, є остеокласт. Вони зустрічаються на кісткових поверхнях, багатоядерні і походять з моноцитів і макрофагів, двох типів лейкоцитів, а не з остеогенних клітин. Остеокласти постійно руйнують стару кістку, тоді як остеобласти постійно утворюють нову кістку. Постійний баланс між остеобластами та остеокластами відповідає за постійне, але тонке переформування кістки. Таблиця \(\PageIndex\) розглядає кісткові клітини, їх функції та розташування.

Таблиця \(\PageIndex\)

Компактна і губчаста кістка

Відмінності між компактною та губчастою кісткою найкраще досліджувати за допомогою їх гістології. Більшість кісток містять компактну і губчасту кісткову тканину, але їх розподіл і концентрація змінюються залежно від загальної функції кістки. Компактна кістка щільна, щоб витримувати стискаючі сили, тоді як губчаста (губчаста) кістка має відкриті простори і підтримує зрушення в розподілі ваги.

Компактна кістка

Компактна кістка є більш щільною, міцною з двох видів кісткової тканини (рис. \(\PageIndex\) ). Його можна виявити під окістям і в діафізах довгих кісток, де він забезпечує підтримку і захист.

Малюнок \(\PageIndex\) : Діаграма компактної кістки. (а) Цей вид поперечного перерізу компактної кістки показує основну структурну одиницю – остеон. (б) На цій мікрофотографії остеона чітко видно концентричні ламелі та центральні канали. ЛМ × 40. (Мікрофотографія, надана регентами Медичної школи Університету Мічигану © 2012)

Мікроскопічна структурна одиниця компактної кістки називається остеон, або Хаверсіанская система. Кожен остеон складається з концентричних кілець кальцифікованої матриці, званої ламелями (сингулярні = ламелі). По центру кожного остеона проходить центральний канал, або Хаверсіанський канал, який містить кровоносні судини, нерви та лімфатичні судини. Ці судини і нерви відгалужуються під прямим кутом через перфораційний канал, також відомий як канали Фолькмана, щоб поширюватися на окістя і ендостеум.

Остеоцити розташовані всередині просторів, званих лакунами (сингулярні = лакуни), знаходяться на кордоні сусідніх ламелей. Як описано раніше, каналікули з’єднуються з каналікулами інших лакун і в кінцевому підсумку з центральним каналом. Ця система дозволяє транспортувати поживні речовини до остеоцитів та видаляти з них відходи.

Губчаста (губчаста) кістка

Як і компактна кістка, губчаста кістка, також відома як губчаста кістка, містить остеоцити, розміщені в лакуни, але вони не розташовані в концентричних колах. Натомість лакуни та остеоцити знаходяться в решітчастої мережі матричних шипів, які називаються трабекулами (сингулярні = трабекула) (рис. \(\PageIndex\) ). Трабекули можуть здатися випадковою мережею, але кожна трабекула утворюється уздовж ліній напруги, щоб забезпечити міцність кістки. Простіри трабекульованої мережі забезпечують рівновагу щільній і важкій компактній кістці, роблячи кістки легшими, щоб м’язи могли легше їх переміщати. Крім того, простору в деяких губчастих кістках містять червоний мозок, захищений трабекулами, де відбувається кровотворення.

Малюнок \(\PageIndex\) : Діаграма губчастої кістки.Губчаста кістка складається з трабекул, які містять остеоцити. Червоний кабачок заповнює простори в деяких кістках. СТАРІННЯ І.

Скелетна система: Хвороба Педжета

Хвороба Педжета зазвичай зустрічається у дорослих людей старше 40 років. Це розлад процесу ремоделювання кістки, який починається з гіперактивних остеокластів. Це означає, що розсмоктується більше кісток, ніж закладається. Остеобласті намагаються компенсувати, але нова кістка, яку вони лягають, слабка і крихка і тому схильна до перелому.

Хоча деякі люди з хворобою Педжета не мають симптомів, інші відчувають біль, переломи кісток та деформації кісток (рис. \(\PageIndex\) ). Найчастіше уражаються кістки тазу, черепа, хребта та ніг. При виникненні в черепі хвороба Педжета може викликати головні болі і зниження слуху.

Малюнок \(\PageIndex\) : Хвороба Педжета. Нормальні кістки ніг відносно прямі, але ті, хто постраждав від хвороби Педжета, пористі і вигнуті.

Що призводить до того, що остеокласти стають гіперактивними? Відповідь досі невідома, але спадкові фактори, схоже, відіграють певну роль. Деякі вчені вважають, що хвороба Педжета обумовлена ще неідентифікованим вірусом.

Хвороба Педжета діагностується за допомогою візуалізаційних досліджень та лабораторних тестів. Рентгенівські знімки можуть показати деформації кісток або ділянки резорбції кістки. Також корисно сканування кісток. У цих дослідженнях в організм вводять барвник, що містить радіоактивний іон. Ділянки резорбції кістки мають спорідненість до іона, тому вони загоряться на скануванні, якщо іони будуть поглинені. Крім того, рівень ферменту, який називається лужною фосфатазою в крові, зазвичай підвищений у людей з хворобою Педжета.

Бісфосфонати, препарати, що знижують активність остеокластів, часто використовуються в лікуванні хвороби Педжета. Однак у невеликому відсотку випадків самі бісфосфонати були пов’язані з підвищеним ризиком переломів, оскільки стара кістка, яка залишається після введення бісфосфонатів, стає зношеною та крихкою. Тим не менш, більшість лікарів вважають, що переваги бісфосфонатів більше, ніж переважують ризик; медичний працівник повинен зважувати переваги та ризики на індивідуальній основі. Лікування бісфосфонатом може зменшити загальний ризик деформацій або переломів, що, в свою чергу, знижує ризик хірургічного відновлення та пов’язані з ним ризики та ускладнення.

Постачання крові та нервів

Губчаста кістка і мозкова порожнина отримують харчування від артерій, які проходять через компактну кістку. Артерії надходять через живильний отвір (множина = foramina), невеликі отвори в діафізі (рис. \(\PageIndex\) ). Остеоцити в губчастої кістки харчуються кровоносними судинами окістя, які проникають в губчасту кістку і кров, яка циркулює в порожнині мозку. Коли кров проходить через порожнини мозку, вона збирається венами, які потім виходять з кістки через фораміну.

На додаток до кровоносних судин, нерви йдуть тими ж шляхами в кістку, де вони, як правило, концентруються в більш метаболічно активних областях кістки. Нерви відчувають біль, і здається, нерви також відіграють роль у регулюванні постачання крові та росту кісток, отже, їх концентрації в метаболічно активних ділянках кістки.

Малюнок \(\PageIndex\) : Діаграма кровопостачання та нервів до кістки.Кровоносні судини та нерви потрапляють у кістку через живильний отвір.

Огляд глави

Порожниста мозкова порожнина, заповнена жовтим мозком, проходить по довжині діафізу довгої кістки. Стінки діафіза компактні кісткові. Епіфізи, які представляють собою більш широкі ділянки на кожному кінці довгої кістки, заповнені губчастою кісткою і червоним мозком. Епіфізарна пластинка, шар гіалінового хряща, замінюється кістковою тканиною в міру зростання органу в довжину. Мозуллярна порожнина має ніжну перетинчасту оболонку, яка називається ендостеум. Зовнішня поверхня кістки, крім областей, покритих суглобовим хрящем, покрита фіброзною оболонкою, яка називається окістя. Плоскі кістки складаються з двох шарів компактної кістки, що оточують шар губчастої кістки. Відмітки кісток залежать від функції і розташування кісток. Зчленування – це місця, де зустрічаються дві кістки. Виступи стирчать з поверхні кістки і забезпечують місця кріплення сухожиль і зв’язок. Отвори – це отвори або поглиблення в кістках.

Кістковий матрикс складається з колагенових волокон і органічної подрібненої речовини, в першу чергу гідроксиапатиту, утвореного з солей кальцію Остеогенні клітини розвиваються в остеобласти. Остеобласти – це клітини, які роблять нову кістку. Вони стають остеоцитами, клітинами зрілої кістки, коли потрапляють в пастку в матриксі. Остеокласти займаються резорбцією кісток. Компактна кістка щільна і складається з остеонів, тоді як губчаста кістка менш щільна і складається з трабекул. Кровоносні судини і нерви потрапляють в кістку через живильний форамін, щоб живити і іннервувати кістки.

Переглянути питання

Питання: Що з перерахованого відбувається в губчастої кістки епіфіза?