Химический элемент входящий в состав костной ткани. Костная ткань

О своем организме человек знает много, например, где расположены органы, какую функцию они выполняют. Почему бы не проникнуть вглубь кости и не узнать ее строение и состав? Это очень занимательно, ведь химический состав костей весьма разнообразен. Он помогает понять, почему каждый костный элемент очень важен и какую функцию он несет.

Основная информация

Живая кость у взрослых людей имеет:

• 50% - вода;
• 21, 85% - вещества неорганического типа;
• 15, 75% - жир;
• 12,4% - коллагеновые волокна.

Вещества неорганического типа – это разные соли. Большая их часть представлена известковым фосфатом (шестьдесят процентов). В не таком большом количестве присутствует известковый карбонат и магниевый сульфат (5,9 и 1,4% соответственно). Интересно, что в костях представлены все земные элементы. Минеральные соли поддаются растворению. Для этого нужен некрепкий раствор азотной или соляной кислоты. Процесс растворения в этих веществах имеет свое название – декальцинация. После нее остается лишь органической вещество, которое сохраняет костную форму.

Органическое вещество отличается пористостью и эластичностью. Его можно сравнить с губкой. Что происходит, когда удаляется это вещество через сжигание? Кость по форме остается прежней, но теперь она становится хрупкой.

Понятно, что только взаимосвязь неорганических и органических веществ делает костный элемент прочным, упругим. Еще более прочной кость становится благодаря составу губчатого и компактного вещества.

Неорганический состав

Примерно век назад было высказано мнение, что костная ткань человека, точнее, ее кристаллы, по структуре похожи на апатиты. Со временем это было доказано. Костные кристаллы – гидроксилапатиты, а по форме похожи на палочки и пластины. Но кристаллы – это лишь доля минеральной фазы ткани, другая доля – это аморфный фосфат кальция. Его содержание зависит от возраста человека. У молодых людей, подростков и детей его много, больше, чем кристаллов. Впоследствии соотношение меняется, поэтому в более старшем возрасте больше уже кристаллов.

Каждый день кости человеческого скелета теряют и опять приобретают около восьмисот миллиграмм кальция

Организм взрослого человека имеет более одного килограмма кальция. Он содержится в основном в зубных и костных элементах. В сочетании с фосфатом образуется гидроксилапатит, который не растворяется. Особенность в том, что в костях основная часть кальция регулярно обновляется. Каждый день кости человеческого скелета теряют и опять приобретают около восьмисот миллиграмм кальция.

Минеральная доля имеет много ионов, но чистый гидроксилапатит их не содержит. Есть ионы хлора, магния и других элементов.

Органический состав

95% матрикса органического типа – это коллаген. Если говорить о его значимости, то вместе с минеральными элементами он является основным фактором, от которого зависят механические костные свойства. Коллаген ткани кости имеет особенности:

• в нем больше оксипролина по сравнению с кожным коллагеном;
• в нем много свободных ε-амино групп оксилизиновых и лизиновых остатков;
• в нем больше фосфата, основная часть которого связана с сериновыми остатками.

Сухой деминерализованный костный матрикс содержит почти двадцать процентов белков неколлагеновых. Среди них есть части протеогликанов, но их немного. Органический матрикс содержит глюкозаминогликаны. Считается, что они напрямую связаны с оссификацией. Кроме того, если они изменяются, происходит окостенение. В костном матриксе есть липиды – прямой компонент ткани кости. Они участвуют в минерализации. Костный матрикс имеет еще одну особенность – в нем очень много цитрата. Почти девяносто его процентов – доля костной ткани. Считается, что цитрат важен для процесса минерализации.

Вещества кости

Большая часть костей взрослого человека имеет в составе пластинчатую костную ткань, из которой образуется два вида вещества: губчатой и компактное. Их распределение зависит от функциональных нагрузок, осуществляемых на кость.

Если рассматривать строение костей, то в образовании диафизов трубчатых костных элементов играет важную роль компактное вещество. Оно как тонкая пластина покрывает снаружи их эпифизы, плоские, губчатые кости, которые построены из губчатого вещества. В компактном веществе очень много тоненьких канальцев, которые состоят из кровеносных сосудов и волокон нервов. Некоторые каналы находятся в основном параллельно костной поверхности.

Стенки каналов, расположенных в центре, сформированы пластинками, толщина которых от четырех до пятнадцати мкм. Они как будто вставлены друг в друга. Один канал возле себя может иметь двадцать подобных пластинок. Состав кости включает в себя остеон, то есть объединение канала, расположенного в центре, с пластинками возле него. Между остеонами есть пространства, которые наполнены вставочными пластинками.

В строении кости не менее важное значение имеет губчатое вещество. Его название дает основание предположить, что оно похоже на губку. Так оно и есть. Она выстроена с балок, между которыми присутствуют ячейки. Кость человека постоянно испытывает нагрузки в виде сжатия и растяжения. Именно они определяют размеры балок, их расположение.

Костное строение включает надкостницу, то есть соединительнотканную оболочку. Она прочно соединена с костным элементом с помощью волокон, которые проходят в его глубину. Накостница имеет два слоя:

1. Наружный, фиброзный. Он формируется волокнами коллагена, благодаря которым оболочка отличается прочностью. Этот слой имеет в строении нервы и сосуды.
2. Внутренний, ростковый. В его строении есть остеогенные клетки, благодаря которым кость расширяется и восстанавливается после травм.

Получается, что надкостница выполняет три основные функции: трофическую, защитную, костеобразующую. Говоря о строении кости также следует упомянуть об эндосте. Им кость покрыта изнутри. Он похож на тонкую пластинку и несет в себе остеогенную функцию.

Еще немного о костях

Благодаря удивительному строению и составу кости обладают уникальными характеристиками. Они очень пластичны. Когда человек выполняет физические нагрузки, тренируется, кости проявляют гибкость и подстраиваются под изменяющиеся обстоятельства. То есть в зависимости от нагрузок увеличивается или уменьшается количество остеонов, меняется толщина пластинок веществ.

Каждый человек может посодействовать оптимальному костному развитию. Для этого необходимо регулярно и умеренно заниматься физическими упражнениями. Если в жизни преобладает сидячий образ действий, кости начнут ослабляться и станут более тонкими. Есть заболевания костей, которые ослабляют их, например, остеопороз, остеомиелит. На строение кости может оказать влияние профессия. Конечно, не последнюю роль играет наследственность.

Итак, на некоторые особенности костного строения человек не способен повлиять. Все же некоторые факторы зависят от него. Если с детства родители будут следить за тем, чтобы ребенок правильно питался и занимался умеренной физической нагрузкой, его кости будут в прекрасном состоянии. Это значительно повлияет на его будущее, ведь ребенок вырастет крепким, здоровым, то есть успешным человеком.

Строение костной ткани. В состав костной ткани входят, как известно, костные клетки и межклеточная субстанция, которая состоит из основного бесструктурного вещества и оформленной части в виде волокон. Каждая кость по периферии построена из очень плотной , местами тонкой, местами, наоборот, очень толстой стенки, состоящей из компактного костного вещества. Внутри кость по­строена из губчатого костного вещества, состоящего из целого ряда тонких, соединенных со стенкой и между собой костных перекладин, которые в своей массе напоминают мелкопетлистую губку.
Костные перекладины, или трабекулы, распределены в губчатом веществе по траектории сжатия и растяжения, т. е. как бы строго следуя законам механики. Благодаря такой конструкции, они отвечают на испытываемые костью «сжатие», «растяжение» и «скру­чивание», причем каждая перекладина имеет свое специальное значение, а при длительных изменениях условий, в которых находится кость, наступает перестройка внутренней архитектуры кости.
В образовании формы костей имеют значение, наряду с другими причинами (кормление, содержание, эксплуатация и пр.), также и те условия, в которых развивается данная кость. В этом отношении важнейшими факторами являются прилежащие к ней смежные кости и мышцы, а также сосуды, нервы, железы и другие тканевые элементы, влияющие на формообразование кости.
Известно, что поверхность костей, где прикрепляются мышцы, сухожилия и связки, отличается неровностью: она в этом месте вогнута или (чаще) выпукла. При сухожильном способе прикрепле­ния на кости развиваются бугры. Если же мышечные пучки непосредственно вплетаются в надкостницу (при так называемом пери-остальном способе прикрепления), то на кости образуется ровная или даже вогнутая поверхность (различные ямки).
В общем, несмотря на многообразие форм костей, для удобства описания их подразделяют по форме на длинные, короткие, широкие и смешанные. Для рассматриваемого нами вопроса наиболее инте­ресны первые две формы - длинные и короткие кости.
У длинных костей один размер значительно преобладает над остальными. Средняя часть (диафиз), или тело такой кости имеет цилиндрическую или призматическую форму; концы (эпифизы) более или менее утолщены и соединяются с соседними сочленяющи­мися костями. Кости этого типа образуют основу конечностей и играют роль рычагов, приводимых в движение мышцами И сухожилиями.
В коротких костях все три размера приблизительно одинаковы. Кости этого типа встречаются там, где, при прочности соединений, в то же время необходима известная гибкость; сюда относятся кости запястья и заплюсны.
При исследовании наружной формы кости обращают внимание па характер ее поверхностей ; они могут быть плоские, вогнутые или выпуклые, гладкие или шероховатые. Наибольшей гладкостью отличаются суставные поверхности (fades articulares), которые имеются на концах длинных костей и на местах соединения их между собой. В этом случае иногда конец одной кости закругляется, образуя головку, а на другой соответственно этому образуется суставная ямка, причем головка может быть отделена от тела кости перехватом (шейкой). Если суставной конец представляет обширную, но слабо изогнутую поверхность, то он относится к числу сочлененных отростков, примером которых являются суставные отростки позвонков. Короткие кости целиком состоят из губчатого вещества и только снаружи покрыты сравнительно тонким слоем компактного кост­ного вещества.
Концы длинных костей построены так же, как и короткие кости. Тело устроено иначе: оно по всей длине представляет полый ци­линдр, стенку которого образует довольно толстая корка плотного вещества, а полость представляет собой костномозговой канал, сообщающийся с пустотами в substantia spongiosa концов кости. Внутреннее строение костей таково, что при наименьшей затрате материала они имеют наибольшую прочность. В частности, длинные кости, выполняющие роль стоек и рычагов, в большей своей части состоят из плотного вещества, причем тело их полое. Такие кости, будучи легкими и занимая мало места, способны выдерживать наибольшее сопротивление механической силе, которая действует на периферические слои кости. Губчатое вещество встречается там, где при известной прочности и легкости налицо и значительный объем, что наблюдается в коротких костях и на концах длинных; таким путем увеличивается поверхность соприкосновения костей. Расположение пластинок губчатого вещества, кажущееся на первый взгляд беспорядочным, в общем совпадает с направлением наибольшего функционального сжатия и растяжения. Кроме того, в костной ткани нередко образуются еще особые системы скреп. В результате каждая кость имеет строение, наиболее соответствую­щее тем функциональным условиям, в которых она находится , при­чем кривые растяжения или сжатия могут составлять в нескольких смежных костях одну общую систему. Таким образом, структура и функция кости взаимно обусловливают друг друга; это взаимодей­ствие легко обнаруживается при изучении архитектуры губчатого вещества, каждая перекладина которого имеет свое специальное назначение. При изменении условий расположение перекладин меняется, все ненужное, излишнее уничтожается (рассасывается),развиваются системы новых пластинок, примером чему может служить изменение внутреннего строения костей при заживлении перелома.
При микроскопическом изучении строения костной ткани можно обнаружить, что компактное костное вещество состоит из тесно рас-положенных костных пластинок и пронизано многочисленными га-версовыми каналами, которые идут большей частью параллельно длинному разрезу кости, многократно между собой анастомозируясь. Различают пластинки трех родов:общие гаверсовы и промежуточные. Главная масса кости построена из гаверсовых пластинок, которые образуют концентрические наслоения вокруг каналов того же на­звания и в целом представляют собой ряд цилиндров разного диа­метра, вложенных друг в друга. Пространства между отдельными гаверсовыми системами выполнены вставочными или промежуточ­ными пластинками. Общие или главные пластинки составляют самые наружные и самые внутренние (ограничивающие костно­мозговой канал) слои кости.
В каждой пластинке пучки фибрилл идут преимущественно по одному определенному направлению, притом так, что в соседних пластинках эти направления пересекаются между собой.
Гаверсовы каналы содержат, кроме нежной соединительной ткани, кровеносные сосуды, питающие кость.
Отдельные перекладины губчатого вещества состоят из костных пластинок, не имеющих такого правильного расположения, как в плотном веществе; гаверсовы каналы там почти не встречаются.
Гистологическое строение костной ткани трубчатых костей перед­них и задних конечностей у лошади, как показали исследования проф. Н. Ф. Богдашева, находится в прямой зависимости от их физиологической функции. Характерным отличием для пястной кости лошади является сравнительно редкое расположение гавер­совых каналов с большими площадями, занятыми промежуточными пластинками.
В компактном же веществе плюсневой кости гаверсовы системы расположены гуще, но с меньшим количеством промежуточных пла­стинок. Установлена зависимость микроструктуры кости от тол­щины ее стенки; степень развития их находится в зависимости от неодинаковой функциональной нагрузки, падающей на разные участки поперечного сечения трубки. У жеребят до 2-3-месячного возраста гистоструктура костной ткани трубчатых костей иден­тична. Однако в старшем возрасте, по мере диференциации формы самих трубчатых костей, начинают появляться функциональные отличия в гистологическом строении трубчатых костей. Уже в 2- 3-летнем возрасте у лошадей, по данным проф. Н. Ф. Богдашева, «хорошо заметно, что волярный участок стенки всегда имеет значи­тельно гуще расположенные гаверсовы каналы по сравнению с дру­гими участками. В то же время толщина волярной стенки к этому возрасту становится значительно тоньше». На дорзальной стенке в этом возрасте отмечается ее утолщение и наиболее редкое расположение гаверсовых каналов; между ними хорошо выделяются поля , занятые промежуточными пластинками.

Химический состав костной ткани. Бесструктурное костное ве­щество в своей основе состоит из слизеподобного и белковоподобного органических веществ, находящихся в тесном соединении с мине­ральными веществами, главным образом с фосфорнокислыми солями. Волокнистая часть костной ткани состоит из клейдагощих коллаге-новых волокон. Известно, что коллагены являются главной состав­ной частью основного вещества рыхлой соединительной ткани, сухо­жилий, фасций, связок, оссеина костей и хрящей. Коллаген нерастворим ни в воде, ни в слабых кислотах и щелочах; при кипячении с водой он переходит в клей (глютин, желатина).
Коллагены по своему составу характеризуются повышенным содержанием азота (18%) и пониженным содержанием углерода (49%). Они содержат очень большое количество гликоколя, про­теина и оксипролина и совсем не содержат цистина, тирозина и триптофана, являясь, таким образом, неполноценным белком.

Волокнистое вещество вместе со слизеподобным и белковоподобным образует органическую основу костной ткани - оссеин (или костный хрящ). Соединение оссеина с неорганическим веществом (солями извести) создает необходимые физические свойства - упругость и прочность костной ткани. Химический анализ трубча­тых костей у лошадей, по данным проф. Н. Ф. Богдашева, содержит: воды - 9,18%, органических веществ-28,58%. золы - 62,24%, в том числе окиси кальция - 34,37%.

Нормальное количественное соотношение между оссеином и неорганическим веществом под влиянием различных физиологиче­ских и патологических причин может измениться. Как известно, в молодом возрасте кости бывают гораздо беднее минеральными со­лями и отличаются повышенной своей гибкостью и меньшей твер­достью по сравнению с костями взрослого животного. В старом возрасте, наоборот, уменьшается количество содержащегося в ко­стях оссеина, вследствие чего кости этих животных менее устой­чивы к механическому воздействию и больше подвержены перело­мам.

Физические свойства костной ткани. Соединение оссеина с неор­ганическим веществом создает необходимые физические свойства для костной ткани. Упругость костной ткани превосходит упругость дубового дерева. По своей прочности (крепости) костная ткань прочнее гранита и приближается к некоторым металлам - чугуну и железу.

Физиологические свойства костей находятся в некоторой зависимости от их удельного веса. По данным проф. Н. Ф. Богдашева, удельный вес компактного вещества воздушно-сухих костей пясти и плюсны лошади в среднем равен 1,985, причем им отмечено, что удельный вес пястных костей несколько больше удельного веса костей плюсны. Так, например, удельный вес пясти равен 1,995, а удельный вес костей плюсны у той же лошади - 1,976.

Механические свойства (крепость) трубчатых костей у живот­ных находятся в некоторой зависимости от содержания в них каль­ция. Наличие известковых солей в костной ткани увеличивает ее сопротивляемость более чем в 6 раз. По данным проф. Н. Ф. Богдашева, образцы из пястных костей лошадей от 4 до 16-летнего возраста разрушаются лишь при нагрузке от 1840 до 2805 кг/см2, кости жере­бят до 2-летнего возраста выдерживают груз всего лишь от 1300 до 1510 кг/aw2.

Сопоставляя различную механическую устойчивость при сжатии тех или иных участков из стенок трубчатых костей с их микрострук­турой, можно заключить, что самые устойчивые, разрушающиеся при наибольшей нагрузке участки кости - волярная стенка МС3, ко­торая имеет в строении наиболее густо расположенную сеть гаверсовых каналов. Дорзо-медиальные стенки пястных костей, имеющих более редкое расположение гаверсовых систем, с большими про­светами гаверсовых каналов и значительными полями проме­жуточных пластинок, отличаются меньшей сопротивляемостью сжатию.
Отсюда следует, что количество и качество гаверсовых систем и костных полостей на дорзо-медиальной и волярной стенках костей пясти, с одной стороны, и степень устойчивости соответствующих участков при разрушении их, с другой, представляют собой опре­деленную закономерность, которая, по всей вероятности, харак­терна для анатомо-гистологического строения костной ткани вообще.
Сопротивляемость трубчатых костей излому в дорзо-каудальном направлении значительно ниже сопротивляемости в медиально-латеральном направлении. Это положение согласуется с анатоми­ческой формой пястных костей, у которых поперечный диаметр трубок больше продольного диаметра их. Отсюда можно сделать вывод, что при жизни лошади допустима большая возможность перелома костей пясти в дорзо-волярном направлении, чем в латерально-медиальном, если в этих направлениях будет действовать одна и та же механическая сила.

Строение надкостницы и ее роль в физиологии и патологии костной ткани
Вся наружная поверхность кости, за исключением тех мест, где расположен суставной хрящ , и мест прикреплений сухожилий и связок, покрыта надкостницей. Она представляет собой довольно крепкую соединительнотканную пленку бледнорозового цвета, богатую нервами, кровеносными и лимфатическими сосудами. Над­костница плотно удерживается на поверхности кости, благодаря существованию особых прободающих тонких соединительноткан­ных пучков или так называемых шарпеевских волокон, которые, отделяясь от надкостницы, проникают в костную ткань и залегают в ней в особых канальцах.
198
Надкостница очень чувствительна ко всякого рода раздражите­лям, от нее зависит питание прилегающих слоев костной ткани и рост кости в толщину.
Микроскопически можно обнаружить, что надкостница состоит из трех слоев - наружного адвентициального слоя (tunica adven-titia), среднего фиброзно-эластического слоя (tunica fibroblastica) и внутреннего остеобластического слоя (tunica osteoblastica). На­ружный, или поверхностный, слой надкостницы построен из более грубых коллагеновых пучков. В нем заложено большое количество нервных волокон, кровеносных сосудов и лимфатических щелей, питающих костную ткань. Средний слой содержит много эластиче­ских волокон, но мало сосудов.
Внутренний, или глубокий (остеогенный), слой более нежен и беден сосудами. Он состоит из рыхлой соединительной ткани и кле­ток камбиального слоя. В этом остеобластическом слое находятся многочисленные камбиальные клеточные элементы, сохраняющие способность давать поколения образующих кость остеобластов. У молодых животных с растущей костью, так же как и во время эмбрионального развития, остеобласты и дающие им начало индиферентные скелетогенные клетки в этом слое особенно многочисленны и образуют на поверхности кости особую прослойку, называемую костным камбием или просто камбиальным слоем, которым над­костница и обеспечивает рост кости.

При росте кости остеобласты энергично размножаются, выра­батывают промежуточную субстанцию костной ткани и одна за другой превращаются в настоящие костные клетки вновь сформи­рованных костных пластов.

У старых животных остеобласты расположены в надкостнице уже не сплошным слоем, как у молодых индивидуумов, а отдель­ными участками. Отсюда у них темпы регенеративных процессов в костной ткани при переломах бывают относительно замедленными.
Таким образом, при повреждении костей их восстановление идет главным образом со стороны надкостницы, которая, будучи обильно снабженной кровеносными сосудами, доставляет приток крови в толщу костной ткани. Известно, что кость, оголенная от надкост­ницы на значительном участке, отмирает из-за отсутствия притока питательных веществ.

При механических, химических или биологических поврежде­ниях в надкостнице развивается патологический процесс, характе­ризующийся в зависимости от причины серозным, гнойным, фиброз­ным или оссифицирующим воспалением.
Костный мозг и его значение в физиологии"и патологии костной ткани
Костный мозг заполняет костномозговой канал и костномозговые полости губчатого вещества. Он представляет собой очень нежную красного цвета массу , богатую кровеносными сосудами, основу которой составляет ретикулярная ткань; в петлях последней помещаются зрелые элементы крови, молодые формы их и особые гигантские клетки.
Физиологическое значение красного мозга очень велико и разносторонне. Прежде всего он относится к числу кроветворных орга­нов, причем у молодых животных кроветворение происходит по всему костному мозгу, тогда как у взрослых и старых животных оно осуществляется только в известной части костного мозга. Остальная же часть замещается жировой тканью, имеющей желтовато-красноватую окраску и называющейся желтым костным мозгом. Кроме того, кровеносные сосуды мозга обильно питают внутренний слой кости. Красный мозг играет важную роль в развитии и росте костной ткани. Остеобласты принимают такое же участие, как и надкостница, в формировании новой костной ткани, а остеокласты рассасывают и уничтожают избыточную костную ткань. Благодаря этой диаметрально противоположной работе остеобластов и остеокластов кость имеет возможность до глубокой старости перестраи­вать свою архитектонику соответственно механическим условиям сжатия, растяжения или скручивания.

В старческом возрасте желтый мозг превращается в студенистый или желатинозный костный мозг. Он также появляется у истощен­ных животных в молодом возрасте при голодании, различных xpo-i(нических заболеваниях (кахексии). Атрофия красного мозга и преждевременное замещение его желтым в молодом возрасте имеют место при тяжелых расстройствах питания, инфекции и интоксика­ции, а также возможны при остеосклерозе и развившихся новообра­зованиях.
При травмах и переломах костей в костном мозгу наблюдаются кровоизлияния от мелких, тёмнокрасных точек и пятен до крово­излияний значительной величины с разрушением костномозговой ткани.

Воспаление костного мозга может наступить при многих инфек­ционных, токсических и травматических заболеваниях. Наиболее частая форма воспаления - это серозный остеомиэлит, характери­зующийся гиперемией и серозной отечностью мозга. При геморраги­ческом остеомиэлите заметны сильная гиперемия, геморрагические инфильтраты и выраженная отечность мозга. Гнойный остеомиэлит ха­рактеризуется развитием в костном мозгу мелких или более крупных абсцессов или более разлитой, гнойной инфильтрации костного мозга.

Продуктивное воспаление костного мозга наблюдается при хро­ническом фиброзном остеомиэлите, сопровождающемся, как из­вестно, разращением ретикуло-эндотелиальной ткани с последую­щим фиброзным уплотнением костного мозга.

Кровоснабжение костей конечностей лошади
Громадное значение васкуляризации в физиологии и патологии костной ткани у животных неоспоримо. Отрадно отметить, что прио­ритет в изучении этого важного для ветеринарии вопроса принадлежит советским авторам. Рентгенографическим методом исследования установлено, что общим для всех костей, независимо от их формы и типа, является наличие периостальных и интраоссальных сосудов, причем периостальиые сосуды питают главным образом костную ткань , а интраоссальные - костный мозг. Обе сосудистые системы костей соединяются громадным количеством анастомозов через многочисленные каналы компактного и губчатого веществ. Сосуды надкостницы и костного мозга анастомозируются через перфорирующие каналы Фолькмана.

Неподатливость стенок каналов Фолькмана ограничивает диа­метр лежащих в них сосудов, что может служить при некоторых заболеваниях причиной тромбообразования. Кроме того, через сосуды этих каналов распространяется воспалительный процесс с периоста на костный мозг и обратно.

Периостальная сосудистая сеть, благодаря множеству анасто­мозов, имеет мелкопетлистое строение, иногда в виде очень краси­вого кружевного узора. Сети этих сосудов своими ветвями соединяются с крупными магистралями кости и с сосудами подкожной клетчатки.

Интраоссальные сосуды костей конечности подразделяются на три основных типа. Первый тип сосудов свой питающих эпифизы и метафизы, колеблется, особенно за счет добавочных ветвей, тогда как диафиз всегда имеет один доственен всем коротким костям, которые имеют несколько питающих сосудов, входящих в.кость через все прикрепляющие поверхности, свободные от сочленений. Второй тип - сосуды, располагающиеся в длинных трубчатых костях, в которых четко выступают три сосу­дистые области: сосуды эпифизов, метафизов и диафиза. Число довольно крупный сосуд, проникающий в кость. К третьему типу сосудов относится своеобразное построение артериальной системы копытной кости.

Лимфообращение в костной ткани
Анатомия лимфатической системы костей и, в частности, анато­мия отводящих лимфатических сосудов надкостницы костей и их компактного и губчатого костного вещества, а также костного мозга, как справедливо на это указывает проф. Д. А. Жданов, «принадлежит к наиболее трудным разделам учения о глубокой лимфатической системе». Литературные данные об анатомии лим­фатической системы костей у животных, к сожалению, очень незна­чительны и притом противоречивы; они основаны по преимуществу на отдельных, далеко не полных и не всегда безупречных опытах. Между тем актуальность изучения этой проблемы неоспорима. Иногда вопросы этиологии и патогенеза в патологии и терапии кост-J ной ткани, нам кажется, могли бы найти свое объяснение в раз­решении этой проблемы.

Наблюдениями некоторых авторов установлено, что костные полости своими отростками (канальцами), проникающими сквозь костные пластинки, соединяются с периваскулярными лимфатиче­скими пространствами гаверсовых каналов, которые в свою очередь переходят в периостальные лимфатические сети.

Баум (1912) инъицировал контрастную жидкость уколом в толщу | кости отводящих лимфатических сосудов костей крупных до­машних животных и установил две группы отводящих лимфа­тических сосудов костей: 1) входящие в места с кровеносными сосудами из питательных отверстий, преимущественно трубчатых костей, и 2) происходящие из субпериостальной лимфатической сети.

Г. М. Иосифов (1927) уколом в надкостницу большеберцовой кости инъицировал массу Герота в отводящие лимфатические со­суды, идущие к глубокому коллатеральному лимфатическому стволу, сопровождающему малоберцовую артерию. Через укол в надкост­ницу наружной лодыжки он инъицировал указанную массу в лим­фатические сосуды, впадающие в поверхностные лимфатические коллекторы конечности.

[В. П. Гуков (1937) инъицировал суспензии туши в костный мозг бедра живой собаке и констатиров"ал распространение этой туши по гаверсовым каналам , а также поглощение ее костными клетками и их отростками, заполняющими костные канальцы.
|Д. А. Жданов (1940) инъицировал контрастную жидкость в над­костничные лимфатические сосуды большеберцовой кости и наблю­дал, что начальная надкостничная лимфатическая сеть открывается с большим трудом только у краев инъекционного пятна. Яснее на­полняются сосуды в верхних слоях надкостницы на медиальной и латеральной поверхностях кости. По его данным, лимфатические сосуды идут в трех направлениях: одни у переднего гребня и ме­диального края кости переходят, прободая фасцию, в медиальную группу подкожных коллекторов голени; другие направляются, пере­секая латеральную поверхность кости, к передней большеберцовой артерии и вступают в сопровождающий ее путь глубоких лимфати­ческих коллекторов; третьи у медиального края кости уходят под фасцию и идут к задней большеберцовой артерии и с нею в напра­влении к подколенной ямке.
Из приведенного литературного обзора видно, что в вопросе периваскуляризации лимфатических пространств компактной кости.

Нет противоречивых мнений. Однако остались невыясненными взаи­моотношения периваскулярных пространств с настоящими оформ­ленными лимфатическими сосудами. Некоторые авторы отрицают существование в костных полостях щелевидных пространств вокруг остеоцитов, а также сомнительно и наличие соковых щелей вокруг островков костных клеток в канальцах, пронизывающих костные пластинки. Нет ясности в анатомии отводящих лимфатических со­судов костей у животных вообще и у лошади в частности. Не решен вопрос о наличии или отсутствии лимфатических сосудов в костному мозгу.
Совершенно не выяснена роль и значение костной лимфати­ческой системы при патологии и терапии костной ткани. Все эти вопросы требуют своего ближайшего разрешения путем проведения экспериментальных и клинических исследований.

Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества – 70% и вода – 10%. В губчатой кости преобладают органические компоненты, которые составляют более 50%, на долю неорганических соединений приходится 33-40%. Количество воды приблизительно то же, что и в компактной кости.

Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на коллаген типа I. Данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. В нем несколько больше оксипролина, а также свободных аминогрупп лизиновых и оксилизиновых остатков. Это обусловливает наличие большего количества поперечных связей в коллагеновых волокнах и их большую прочность. По сравнению с коллагеном других тканей костный коллаген характеризуется повышенным содержанием фосфата, который в основном связан с остатками серина.

Белки неколлагеновой природы представлены гликопротеинами, белковыми компонентами протеогликанов. Принимают участие в росте и развитии кости, процессе минерализации, водно-солевом обмене. Альбумины участвуют в транспорте гормонов и других веществ из крови.

Преобладающим белком неколлагеновой природы является остеокальцин . Он присутствует только в костях и зубах. Это небольшой (49 аминокислотных остатков) белок, называемаый также костным глутаминовым белком или gla-белком. В молекуле остеокальцина обнаружены три остатка
γ-карбоксиглутаминовой кислоты. За счет этих остатков он способен связывать кальций. Для синтеза остеокальцина необходим витамин К (рис. 34).

Рис. 34. Посттрансляционная модификация остеокальцина

В состав органического матрикса костной ткани входят гликозаминогликаны, основным представителем которых является хондроитин-4-сульфат. Хондроитин-6-сульфат, кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в небольших количествах. Окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов: сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Гликозаминогликаны участвуют в связывании коллагена с кальцием, регуляции водного и солевого обмена.

Цитрат необходим для минерализации костной ткани. Он образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором могут начаться кристаллизация и минерализация. Также принимет участие в регуляции уровня кальция в крови. Кроме цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие органические кислоты.

Костный матрикс содержит небольшое количество липидов. Липиды играют существенную роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Остеобласты богаты РНК. Высокое содержание РНК в костных клетках отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию.

Неорганический состав костной ткани.

В раннем возрасте в костной ткани преобладает аморфныйм фосфат кальция Са 3 (РО 4) 2 . В зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксиапатит Са 10 (РО 4) 6 (ОН) 2 (рис. 35). Его кристаллы имеют форму пластин или палочек. Обычно аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са 2+ и фосфата.

В состав минеральной фазы кости входят ионы натрия, магния, калия, хлора и др. В кристаллической решетке гидроксиапатита ионы Са 2+ могут замещаться другими двухвалентными катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке кристаллической решетки.

Рис. 35. Строение кристалла гидроксиапатита

Метаболизм костной ткани характеризуется двумя противоположными процессами: образованием новой костной ткани остеобластами и резорбцией (деградацией) старой остеокластами. В норме количество новообразованной ткани эквивалентно разрушенной. Костная ткань скелета человека практически полностью перестраивается в течение 10 лет.

Образование костной ткани

На1 этапе остеобласты синтезируют сначала протеогликаны и гликозаминогликаны, образующие матрикс, а затем продуцируют фибриллы костного коллагена, которые распределяются в матриксе. Костный коллаген является матрицей для процесса минерализации. Необходимым условием процесса минерализации является пересыщение среды ионами кальция и фосфора. Образование кристаллов минерального остова кости запускают
Са-связывающие белки на матрице коллагена. Остеокальцин прочно связан с гидроксиапатитом и участвует в регуляции роста кристаллов за счет связывания Са 2+ в костях. Электронномикроскопические исследования показали, что формирование минеральной кристаллической решетки начинается в зонах, находящихся в регулярных промежутках между коллагеновыми фибриллами. Образовавшиеся кристаллы в зоне коллагена затем в свою очередь становятся ядрами минерализации, где в пространстве между коллагеновыми волокнами откладывается гидроксиапатит.

На 2 этапе в зоне минерализации при участии лизосомных протеиназ происходит деградация протеогликанов; усиливаются окислительные процессы, распадается гликоген, синтезируется необходимое количество АТФ. Кроме того, в остеобластах увеличивается количество цитрата, необходимого для синтеза аморфного фосфата кальция.

По мере минерализации костной ткани кристаллы гидроксиапатита вытесняют не только протеогликаны, но и воду. Плотная, полностью минерализованная кость практически обезвожена.

Фермент щелочная фосфатаза принимает участие в минерализации. Одним из механизмов ее действия является локальное увеличение концентрации ионов фосфора до точки насыщения, за которым следуют процессы фиксации кальций-фосфорных солей на органической матрице кости. При восстановлении костной ткани после переломов содержание щелочной фосфатазы в костной мозоли резко увеличивается. При нарушении костеобразования наблюдается уменьшение содержания и активности щелочной фосфатазы в костях, плазме и в других тканях.

Ингибитором кальцификации является неорганический пирофосфат. Ряд исследователей считают, что процессу минерализации коллагена в коже, сухожилиях, сосудистых стенках препятствует постоянное наличие в этих тканях протеогликанов.

Процессы моделирования и ремоделирования обеспечивают постоянное обновление костей, а также модификацию их формы и структуры. Моделирование (образование новой кости) имеет место в основном в детском возрасте. Ремоделирование является доминирующим процессом в скелете взрослых; в этом случае происходит лишь замена отдельного участка старой кости. Таким образом, в физиологических и патологическтх условиях происходит не только образование, но и резорбция костной ткани.

Катаболизм костной ткани

Практически одновременно имеет место «рассасывание» как минеральных, так и органических структур костной ткани. При остеолизе усиливается продукция органических кислот, что приводит к сдвигу рН в кислую сторону. Это способствует растворению минеральных солей и их удалению.

Резорбция органического матрикса происходит под действием лизосомных кислых гидролаз, спектр которых в костной ткани довольно широк. Они участвуют во внутриклеточном переваривании фрагментов резорбируемых структур.

При всех заболеваниях скелета происходят нарушения процессов ремоделирования кости, что сопровождается возникновением отклонений в уровне биохимических маркеров.

Имеются общие маркеры формирования новой костной ткани , такие как костно-специфическая щелочная фосфатаза, остеокальцин плазмы, проколлаген I, пептиды плазмы. К биохимическим маркерам резорбции кости относятся кальций в моче и гидроксипролин, пиридинолин мочи и дезоксипиридинолин, являющиеся производными поперечных волокон коллагена, специфичных для хрящей и костей.

Факторами , влияющими на метаболизм костной ткани, являются гормоны, ферменты и витамины.

Минеральные компоненты костной ткани находятся практически в состоянии химического равновесия с ионами кальция и фосфата сыворотки крови. В регуляции поступления, депонирования и выделения кальция и фосфата важную роль играют паратгормон и кальцитонин.

Действие паратгормона приводит к увеличению числа остеокластов и их метаболической активности. Остеокласты способствуют ускоренному растворению содержащихся в костях минеральных соединений. Таким образом, происходит активация клеточных систем, участвующие в резорбции кости.

Паратгормон увеличивает также реабсорбцию ионов Са 2+ в почечных канальцах. Суммарный эффект проявляется в повышении уровня кальция в сыворотке крови.

Действие кальцитонина состоит в снижении концентрации ионов Са 2+ за счет отложения его в костной ткани. Он активирует ферментную систему остеобластов, повышает минерализацию кости и уменьшает число остеокластов в зоне действия, т. е. угнетает процесс костной резорбции. Все это увеличивает скорость формирования кости.

Витамин D участвует в биосинтезе Са 2+ -связывающих белков, стимулирует всасывание калиция в кишечнике, повышает реабсорбцию кальция, фосфора, натрия, цитрата, аминокислот в почках. При недостатке витамина D эти процессы нарушаются. Прием в течение длительного времени избыточных количеств витамина D приводит к деминерализации костей и увеличению концентрации кальция в крови.

Кортикостероиды увеличивают синтез и секрецию паратгормона, усиливают деминерализацию кости; половые гормоны ускоряют созревание и сокращают период роста кости; тироксин усиливает рост и дифференцировку ткани.

Действие витамина С на метаболизм костной ткани обусловлено, прежде всего, влиянием на процессе биосинтеза коллагена. Аскорбиновая кислота является кофактором пролил- и лизилгидроксилаз и необходима для осуществления реакции гидроксилирования пролина и лизина. Недостаток витамина С приводит также к изменениям в синтезе гликозаминогликанов: содержание гиалуроновой кислоты в костной ткани увеличивается в несколько раз, тогда как биосинтез хондроитинсульфатов замедляется.

При недостатке витамина А происходит изменение формы костей, нарушение минерализации, задержка роста. Считают, что данный факт обусловлен нарушением синтеза хондроитинсульфата. Высокие дозы витамина А приводят к избыточной резорбции кости.

При недостатке витаминов группы В рост кости замедляется, что связано с нарушением белкового и энергетического обмена.

Особенности зубной ткани

Основную часть зуба составляет дентин . Выступающая из десны часть зуба, коронка, покрыта эмалью , а корень зуба покрыт зубным цементом . Цемент, дентин и эмаль построены подобно костной ткани. Белковый матрикс этих тканей состоит главным образом из коллагенов и протеогликанов. Содержание органических компонентов в цементе – около 13%, в дентине – 20%, в эмали – всего 1-2%. Высокое содержание минеральных веществ (эмаль – 95%, дентин – 70%, цемент – 50%) определяет высокую твердость зубной ткани. Наиболее важным минеральным компонентом является гидроксиапатит [Са 3 РО 4) 2 ] 3 Са(ОН) 2 . Содержатся также карбонатный апатит, хлорапатит и стронцевый апатит.

Эмаль, покрывающая зуб, полупроницаема. Она участвует в обмене ионами и молекулами со слюной. На проницаемость эмали влияют рН слюны, а также ряд химических факторов.

В кислой среде ткань зуба подвергается атаке и утрачивает твердость. Такое распространенное заболевание, как кариес , вызывается микроорганизмами, живущими на поверхности зубов и выделяющими в качестве продукта анаэробного гликолиза органические кислоты, вымывающие из эмали ионы Са 2+ .

Контрольные вопросы

1. Назовите основные органические компоненты костной ткани.

2. Какие неорганические соединения входят в состав костной ткани?

3. В чем различие биохимических процессов, протекающих в остеокластах и остеобластах?

4. Опишите процесс формирования кости.

5. Какие факторы влияют на формирование костной ткани и ее метаболизм?

6. Какие вещества могут быть биохимическими маркерами процессов, протекающих в костной ткани?

7. Каковы особенности биохимического состава зубной ткани?

Литература

1. Березов, Т.Т. Биологическая химия. / Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин. - М.: ОАО «Издательство «Медицина»», 2007. - 704 с.

2. Биохимия. / Под ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2014. -
768 с.

3. Биологическая химия с упражнениями и задачами. / Под ред. Е.С. Северина. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013. - 624 с.

4. Зубаиров, Д.М. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. / Д.М. Зубаиров, В.Н. Тимербаев, В.С. Давыдов. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 392 с.

5. Шведова, В.Н. Биохимия. /В.Н. Шведова. – М.: Юрайт, 2014. – 640 с.

6. Николаев, А.Я. Биологическая химия. / А.Я. Николаев. - М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 566 с.

7. Кушманова, О.Б. Руководство к лабораторным занятиям по биологической химии. / О.Б. Кушманова, Г.И. Ивченко. - М. - 1983.

8. Ленинджер, А. Основы биохимии / А. Ленинджер. - М., «Мир». - 1985.

9. Марри, Р. Биохимия человека. / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. - Т. 1. - М.: Мир, 1993. - 384 с.

10. Марри, Р. Биохимия человека. / Р. Марри, Д. Греннер, П. Мейес, В. Родуэлл. - Т. 2. - М.: Мир, 1993. - 415 с.

Со школьных уроков по химии каждому известно, что человеческий организм содержит в себе практически все элементы из периодической таблицы Д. И. Менделеева. Процентное содержание некоторых весьма значительно, а другие присутствуют лишь в следовых количествах. Но каждый из химических элементов, находящихся в организме, выполняет свою важную роль. В человеческом теле минеральные вещества содержатся в органические представлены как углеводы, белки и прочие. Дефицит или избыток какого-либо из них приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности.

В химический состав костей входит ряд элементов и их веществ, в больше степени это соли кальция и коллаген, а также другие, процентное содержание которых значительно меньше, но роль их не менее значима. Прочность и здоровье скелета зависит от сбалансированности состава, который, в свою очередь, определяется множеством факторов, начиная от здорового питания и заканчивая экологической обстановкой окружающей среды.

Соединения, формирующие скелет

и неорганического происхождения. Ровно половина массы - это вода, остальные 50% делят оссеин, жир и известковые, фосфорные соли кальция и магния, а также На минеральную часть приходится порядка 22%, а органическая, представленная белками, полисахаридами, лимонной кислотой и ферментами, заполняет примерно 28%. В костях содержится 99% кальция, который есть в человеческом теле. Схожий компонентный состав имеют зубы, ногти и волосы.

Превращения в различных средах

В анатомической лаборатории можно провести следующий анализ, чтобы подтвердить химический состав костей. Для определения органической части ткань подвергают действию раствора кислоты средней силы, например, соляной, концентрации порядка 15%. В образовавшейся среде происходит растворение солей кальция, а оссеиновый «скелет» остаётся нетронутым. Такая кость приобретает максимальное свойство эластичности, её в прямом смысле можно завязать в узел.

Неорганическую компоненту, входящую в химический состав костей человека, можно выделить путём выжигания органической части, она легко окисляется до углекислого газа и воды. Минеральный остов характеризуется прежней формой, но крайней хрупкостью. Малейшее механическое воздействие - и он просто рассыплется.

При попадании костей в почву бактерии перерабатывают органическое вещество, а минеральная часть полностью пропитывается кальцием и превращается в камень. В местах, где нет доступа влаги и микроорганизмов, ткани со временем подвергаются естественной мумификации.

Через микроскоп

Любой учебник по анатомии расскажет про химический состав и строение костей. На клеточном уровне ткань определяется как особый тип соединительной. В основе лежат окруженные пластинками, составленными из кристаллического вещества - минерала кальция - гидроксилаппатита (основного фосфата). Параллельно располагаются звёздоподобные пустоты, содержащие костные клетки и кровеносные сосуды. Благодаря своему уникальному микроскопическому строению такая ткань отличается удивительной легкостью.

Основные функции соединений разной природы

Нормальная работа опорно-двигательной системы зависит от того, каков химический состав костей, в достаточном ли количестве содержатся органические и минеральные вещества. Известковые и фосфорные соли кальция, которые составляют 95% неорганической части скелета, и некоторые другие минеральные соединения определяют свойство твёрдости и прочности кости. Благодаря им ткань устойчива к серьёзным нагрузкам.

Коллагеновая компонента и её нормальное содержание отвечают за такую функцию, как упругость, устойчивость к сжатию, растяжению, перегибу и прочим механическим воздействиям. Но только в согласованном «союзе» органика и минеральная составляющая обеспечивают костной ткани те уникальные свойства, которыми она обладает.

Состав костей в детском возрасте

Процентное соотношение веществ, говорящее о том, каков химический состав костей человека, может варьироваться у одного и того же представителя. В зависимости от возраста, образа жизни и других факторов влияния, количество тех или иных соединений может меняться. В частности, у детей только формируется и состоит в большей степени из органической компоненты - коллагена. Поэтому скелет ребёнка более гибкий и эластичный.

Для правильного формирования тканей ребёнка крайне важно потребление витаминов. В частности, такого, как Д 3 . Только в его присутствии химический состав костей в полной мере пополняется кальцием. Дефицит этого витамина может привести к развитию хронических заболеваний и излишней хрупкости скелета из-за того, что ткань вовремя не наполнилась солями Са 2+ .