Из чего состоят кости
автор: Dr. med. Gesche Tallen, erstellt am: 2013/04/12, редактор: Dr. Natalie Kharina-Welke, Переводчик: Dr. Natalie Kharina-Welke, Последнее изменение: 2017/08/30
В первую очередь наши кости состоят из костного вещества, которое содержит соли кальция. В целом кость как орган состоит ещё из таких мягких тканей как суставные хрящи и надкостница (на языке специалистов периост), костного мозга внутри костей, а также кровеносных сосудов и нервов, которые проходят через надкостницу и костный мозг.
Костное вещество
Костное вещество составляет основную массу наших костей. Оно очень прочное, так как содержит кальций (специалисты говорят о солях кальция), его вес может доходить до 70% веса костей. Костное вещество бывает в костях в основном в двух формах: компактное костное вещество и губчатое костное вещество.
Компактное костное вещество – это твёрдая, плотная беловатая масса. В первую очередь она как бы окутывает (покрывает) толстым слоем костномозговые полости внутри длинных трубчатых костей (например, бедренных костей или плечевых костей). Зато губчатое костное вещество состоит из достаточно тонких пластинок/перекладинок. Его можно найти в наших коротких, плоских костях, например, в позвонках.
Костное вещество состоит из зрелых костных клеток, они называются остеоциты. У остеоцитов есть отростки и с помошью этих отростков они соединяются между собой. Работая вместе с молодыми клетками остеобластами, которые отвечают за формирование костей, начинает расти новая кость. А разрушается костная ткань с помощью клеток, которые называются остеокласты.
Суставные хрящи
Суставные хрящи есть практически во всех костях, за исключением костей черепа. Они покрывают суставные поверхности и являются последней оставшейся частью скелета из эмбрионального (зародышевого, эмбриональный) развития.
Надкостница
Надкостница (которую специалисты называют периостом) покрывает снаружи все наши кости. Поэтому нигде не видно самого костного вещества. Его покрывает либо надкостница, либо суставной хрящ.
Костный мозг
Костный мозг – это мягкая масса, которая находится в полостях внутри костей. Костный мозг бывает красным и жёлтым. Красный костный мозг отвечает в организме за кроветворение. А жёлтый костный мозг – это в основном жировая ткань.
Жёлтый костный мозг появляется у человека не сразу, а постепенно в ходе развития человека красный костный мозг заменяется на жёлтый. Поэтому чем старше становится человек, тем больше у него становится жёлтого костного мозга. У взрослых жёлтый костный мозг заполняет центральную часть длинных трубчатых костей (это могуть быть, например, плечевые кости), которую специалисты называют диафизом. Красный костный мозг находится в основном внутри коротких и плоских костей (например, внутри позвонков).
Кровеносные сосуды и нервы
Строение, химический состав и физико-механические свойства кости
Кости образуют внутренний скелет позвоночных животных. Вес скелета по отношению к живому весу животного характеризуется следующими средними цифрами (по С. Либерману) (в процентах):
Крупный рогатый скот (при живом весе 160-240 кг)… 10-15
Крупный рогатый скот (при живом весе 240-320 кг)… 1 1,5- 1 2,5
Крупный рогатый скот (при живом весе 320-560 кг)… 9-1 1
Баран курдючный…………………………………………………………… 8-11
Овца беспородная………………………………………………………….. 11-14
Баран мериносовый……………………………………………………….. 15-17
Овца английская мясо-шерстная……………………………………. 8-9
Свинья сальная………………………………………………………………….5-6
Свинья мясная……………………………………………………………………7-9
Кости убойных животных используются для получения пищевых жиров, бульонов и т. д., а также в качестве сырья для технических целей — на выработку мелких предметов широкого потребления, а также костного клея, муки и угля.
Скелет млекопитающих состоит из большого числа отдельных костей. Наименование основных костей скелета указано на рис.
- Рис. Скелет коровы А Череп. Б Нижняя челюсть. В Позвоночник. Г Ребра. Д Грудина. Е Лопатка. Ж Плечевая кость. 3 Локтевая и лучевая кости. И Пястье (цевка). К Кости фаланг пальцев передней ноги. Л Таз. М Бедренная кость. Н Берцовые кости. О Плюсна (цевка). П Кости фаланг пальцев задней ноги
По данным С. Либермана, вес отдельных костей в процентах к общему весу всего костяка крупного рогатого скота такой:
|
Шейные позвонки |
8 |
|
Спинные позвонки |
10 |
|
Крестцовые позвонки |
7 |
|
Ребра |
18 |
|
Грудная кость |
6,5 |
|
Лопатки |
4 |
|
Кости передних ног |
15,5 |
|
Кости таза |
12 |
|
Кости задних ног |
19 |
|
Итого |
100 |
По величине, форме и внутреннему строению кости скелета млекопитающих животных можно подразделить на четыре основные типа: длинные, короткие, плоские и смешанные.
1. Длинные, или трубчатые, кости характерны преимущественно для скелета передних и задних конечностей. Они отличаются вытянутой формой, причем средняя часть — тело, или диафиз, кости по форме приближается к цилиндру, а оба конца утолщены в суставные головки или эпифизы кости. Снаружи трубчатые кости построены из плотного костного вещества. Внутренняя часть эпифиз состоит из губчатого костного вещества, образованного системой взаимно пересекающихся костных перегородочек — трабекул, между которыми в ячейках находится костный мозг. Диафиз кости обычно имеет внутри более или менее обширную полость, заполненную костным мозгом; у некоторых видов трубчатых костей центральная часть тела наполнена губчатым костным веществом. Суставные поверхности эпифиз покрыты тонким слоем хряща.
2. Короткие кости находятся в запястье, заплюсне и некоторых других частях скелета. Они характеризуются округлой и многогранной формой, причем все три измерения их примерно равны. Снаружи они покрыты тонким слоем плотного костного вещества, внутри имеют губчатое строение; внутренняя полость у этих костей обычно отсутствует. Размер костей невелик.
3. Плоские кости образуют ребра, грудину, лопатки, таз, стенки мозговой коробки черепа и некоторые другие части скелета. Они построены из двух плотных костных пластинок, между которыми лежит тонкая прослойка губчатого костного вещества. Иногда эти пластинки расходятся и между ними образуются более или менее значительные полости.
4. Смешанные кости в некоторых частях имеют характер плоских, в других — коротких костей. Примером их могут служить позвонки, тело которых имеет все признаки короткой кости, а отростки и дуги — плоских костей.
В промышленности различают две основные производственные категории костей:
а) Поделочная кость. К ней относятся трубчатые кости конечностей, пригодные для выработки из них различных токарных и резных костяных изделий.
б)Рядовая кость — остальные кости скелета. Вследствие слабого развития плотного костного вещества на костяные изделия не идут.
Наиболее ценными видами поделочной кости являются «цевки» -кости плюсны и пястья и «трубки» — бедренная, берцовая, плечевая и лучевая кости конечностей.
Как плотное, так и губчатое вещество кости образовано особой костной тканью. Последняя представляет собой своеобразную разновидность соединительной ткани, отличающуюся от других категорий главным образом тем, что основное вещество ее подвергается окостенению, т. е. пропитываются солями кальция.
В костной ткани можно различить три основных элемента:
1) Основное вещество — аморфная масса, образованная особым белковым веществом — оссеомукоидом, пропитанным солями кальция; это придает ему большую крепость и прочность. Соли можно растворить кислотами, после чего остается студенистая масса.
2) Оссеиновые волокна — тонкие, длинные, неветвящиеся, связанные в пучки волоконца; эти пучки способны делиться на ветви и снова сливаться друг с другом. Оссеиновые волокна образованы оссеином — веществом, крайне близким к коллагену, если не тождественным с ним. Он свойственен клейдающим волокнам кожи, сухожилиям и другим видам соединительнотканных образований. При варке в воде оссеин, как и коллаген, дает клей, чем и пользуются для получения клеевой массы из свежих костей. Оссеиновые волокна в костных пластинках тянутся параллельно друг другу. Эти волокна придают кости большую прочность на разрыв и излом.
3) Костные клетки имеют уплощенную звездчатую форму; их неправильно очерченное угловатое тело несет длинные ветвистые отростки, соединяющиеся с отростками других костных клеток. Костные клетки имеют хорошо выраженное ядро, жизнедеятельны, но не способны к размножению. Они лежат в полостях основного вещества кости, повторяющих их форму. Отростки же костных клеток тянутся по кости в узких канальцах. Стенки полостей костных клеток и костных канальцев образованы своеобразным веществом, химически и физически отличным от оссеомкоида, образующим особую оболочку (Нейманова оболочка). Часть костных канальцев открывается в просвет более крупных каналов, по которым через толщу кости проходят кровеносные сосуды. По всей системе костных канальцев и полостей костных клеток циркулирует лимфа, питающая живые элементы кости.
Кровеносные сосуды, пронизывающие костное вещество, тянутся в особых каналах, носящих название гаверсовых. Эти каналы в длинных костях проходят вдоль от последних, а в плоских расходятся радиально от места входа кровеносного сосуда в кость.
Снаружи кость одета надкостницей, которая представляет собой плотную волокнистую соединительнотканную оболочку. Глубокие слои ее несут особые клетки — остеобласты. Клетки эти, прилегая к поверхности кости, выделяют основное вещество кости, а сами постепенно оказываются замурованными в последнем и превращаются в костные клетки. Этим и обеспечиваются рост кости и ее утолщение, а также способность к частичной регенерации при повреждении.
Полости трубчатых костей и пустоты ячеек губчатого вещества кости заполнены костным мозгом, который служит кроветворным органом и местом скопления жировых отложений. В ячейках губчатого костного вещества находится красный костный мозг. Он состоит в основном из рыхлой ретикулярной ткани; в ней протекают активные процессы кровообразования, но она имеет весьма небольшое количество жировых клеток.
В трубчатых костях содержится желтый мозг; ретикулярная ткань его находится в состоянии интенсивного жиронакопления, но слабо участвует в кровообразовании. В результате содержание жира в трубчатых костях равно обыкновенно 18-28%, а в плоских 6-20%.
Плотное вещество кости взрослых животных состоит из тонких, плотно спаянных друг с другом костных пластинок, толщина которых колеблется от 4 до 16 μ. Границы этих пластинок на поперечных шлифах кости выступают весьма четко, так как полости костных клеток в плотном костном веществе располагаются, как правило, между двумя соседними пластинками. Плоские звездчатые костные клетки, лежащие в этих полостях, дают многочисленные тонкие отростки, проходящие через толщу пластинок по тонким костным канальцам.
Оссейновые волокна в двух соприкасающихся костных пластинках тянутся под определенным углом друг к другу; это способствует прочности кости.
В наружных слоях кости, лежащих под надкостницей, костные пластинки идут параллельно друг другу и поверхности кости. В трубчатых костях наружные пластинки, концентрически наслаиваясь друг на друга, охватывают тело кости вокруг. Такие же концентрические общие пластинки образуют внутренние слои стенки костей, имеющих внутреннюю полость (рис.).
Рис. Схема строения трубчатой кости: А Надкостница. К Общие костные пластинки наружных слоев стенки трубчатой кости. В Гаверсовы каналы. Г Концентрические костные пластинки вокруг гаверсовых каналов. Д Общие костные пластинки внутренних слоев стенки трубчатой кости. Е Полость кости. Ж Костные клетки
В средних же слоях плотного вещества костные пластинки (в числе 5-20) располагаются концентрическими системами вокруг гаверсовых каналов. Местами эти гаверсовы системы костных пластинок непосредственно соприкасаются друг с другом, местами же между ними располагаются вставочные пластинки, либо тянущиеся от одной гаверсовой системы к другой, либо идущие параллельно наружной поверхности кости (рис.).
- Рис. Микроструктура кости
- Видны три плотно спаянные костные пластинки с взаимно перпендикулярным направлением оссеиновых волокон.
- Между пластинками лежат полости: (а) С находящимися в них кост ными клетками; эти полости соединяются друг с другом канальцами, (б) В которые входят отростки клеток
В губчатом костном веществе костные пластинки, соединяясь друг с другом, образуют костные перегородки и перемычки. Гаверсовых каналов здесь нет, и сосуды проходят по полостям ячеек губчатой кости.
Химический состав кости весьма своеобразен. В среднем сырая кость содержит воды 51%, минеральных веществ 32%, жиров 15% и белковых веществ 12%. Минеральные вещества кости состоят из фосфорнокислого кальция (85%), углекислого кальция (10,0%), фосфорнокислой магнезии (1,5%), фтористого кальция (0,3%), хлористого кальция (0,2%) и солей натрия (2,0%).
Видны три плотно спаянные костные пластинки с взаимно перпендикулярным направлением оссеиновых волокон.
Как было указано выше, различные кости скелетов содержат разное количество жира — трубчатые значительно больше, чем плоские.
По данным ВНИ Института мясной промышленности, среднее содержание жира в различных костях скелета крупного рогатого скота такое:
|
Наименование |
Содержание |
Наименование |
Содержание |
|
кости |
жира в % |
кости |
жира в % |
|
Череп |
6,5 |
Берцовая кость |
17,8 |
|
Нижняя челюсть |
10,4 |
Плечевая кость |
25,6 |
|
Позвоночник |
19,9 |
Лучевая кость |
22,8 |
|
Грудина |
20,8 |
Лопатка |
14,7 |
|
Таз |
22,6 |
Ребра |
21,4 |
|
Бедренная кость |
27,8 |
Весь скелет |
20,1 |
Жир, получаемый из костей различных частей животных, резко отличается по своим физико-химическим константам. Это видно из следующих данных:
|
Категория жира |
Насыщенные кислоты в % |
Удельный вес |
Температура застывания |
Температура плавления |
Йодное число |
|
Говяжий жир из рядовой кости |
44 |
0,9166 |
38,6 |
44,2 |
42,96 |
|
из трубчатой кости |
33,6 |
0,9148 |
35,4 |
40,4 |
50,41 |
|
из вертлюгов |
29,4 |
0,9198 |
33,9 |
35,8 |
56,01 |
|
из цевок |
19,6 |
0,9171 |
9 6 |
16,0 |
70,88 |
|
из фаланг |
— |
0,9170 |
6,8 |
12,5 |
72,12 |
|
Свиной жир из рядовой кости |
_ |
_ |
30,32 |
64,68 | |
|
из головной кости |
— |
— |
28,31 |
68,71 |
Белки составляют около 12% веса всей свежей кости. Из них наибольший удельный вес имеет оссеин.
При прокаливании кости органические вещества разрушаются, остаются минеральные соли, сохраняющие форму кости. Такая прокаленная кость очень хрупка и легко распадается. При обработке кости кислотами (т. е. при мацерации кости), наоборот, извлекаются ее минеральные вещества и остается упругий и гибкий остов кости, состоящий из белковых веществ (оссеина и оссеомукоида). Этот органический остов кости в промышленности именуется «костным хрящом». Этот костный хрящ путем варки может быть переработан в глютин. Получающиеся при мацерации фосфорнокальциевые соли называются «мацерационным молоком», из него извлекают декальцийфосфор-преципитат. В воде кость набухает очень слабо.
Плотное костное вещество отличается упругостью; оно выдерживает давление до 15 кг на 1 кв. мм, имеет прочность на разрыв до 10 кг/мм2. Удельный вес 1,5. Твердость по Мосу 12. Модуль упругости кости равен в среднем 1600 кг/мм2. Костное вещество стенок трубчатых костей отлично режется, шлифуется и полируется и потому представляет собой отличный материал для токарных работ.
Крупный рогатый скот дает лучшую поделочную кость — крупную, с сильно развитым, очень плотным белым компактным веществом стенок трубок и цевок. Конская кость более хрупкая, не столь плотная, обычно темноватая. Основной дефект костей овец и коз — их небольшие размеры.
Категории костного сырья
В зависимости от происхождения кости животных подразделяются на семь основных категорий:
1. Колбасная кость — кости, остающиеся после разделки туш на консервных колбасных предприятиях, где мясо срезается с целых (неразрубленных) костей. Колбасная кость поэтому целая, недробленая, свежая (не подвергавшаяся варке) и необезжиренная; она содержит 18-28% жира. Трубчатые кости и цевки этой категории представляют собой ценное сырье для выработки токарных костных изделий. Из чистой рядовой колбасной кости получают пищевой костный жир, бульон, клей, костную муку.
2. Столовая кость — кости, поступающие из столовых общественного питания. Обычно они бывают разрублены на куски, выварены и поэтому частично обезжирены (содержание жира 10-12%). Для токарной переработки пригодна лишь часть целых трубчатых костей этой категории. Идет на выварку жира и клея и на изготовление костной муки.
3. Свалочная кость — кости, собираемые на свалках и в мусорных ямах. Обычно это кухонные отбросы. При варке эти кости подвергаются значительному обезжириванию. При последующем длительном пребывании на открытом воздухе среди другого мусора они под действием солнца и ветра теряют большую часть своих органических веществ, становятся темными и грязными. Используется свалочная кость преимущественно на приготовление костной муки и костного угля.
4. Полевая кость — преимущественно кости павших животных, собираемые в сельских местностях с поверхности земли. При долгом лежании на земле полевая кость почти полностью лишается своих органических веществ и становится сухой, легкой, ломкой и приобретает чисто белый цвет (отбелка солнцем). Идет главным образом на выработку костной муки и костной золы.
5. Могильная кость — кости, долго лежавшие в земле, утерявшие не только все органические компоненты, но и часть неорганических веществ. Кость темная, хрупкая, нередко распадающаяся на куски. Идет на костную золу.
6. Ископаемая кость — кости древних животных, много веков пролежавшие в слоях земли. Иногда они образуют целые залежи, именуемые «костными брекчиями». Ископаемая кость служит материалом для получения костной золы.
7. Заводская кость — стержни рогов полорогих животных и концевые фаланги пальцев копыт, поступающие с предприятий, перерабатывающих рога и копыта.
Особенности регенерации костной ткани при огнестрельных переломах длинных трубчатых костей человека.
Цель исследования – гистологическое (световая и электронная микроскопия) изучение регенерационного остеогенеза после огнестрельных переломов костей конечностей у человека. Проведен анализ биопсийного материала (осколки, участки отломков и тканей между отломками), взятого у 9 раненых при проводимой исключительно по показаниям хирургической обработке огнестрельных переломов длинных трубчатых костей. Сроки от момента травмы – 1, 2, 3, 4, 5, 14, 23, 34 сут. Показано, что при регенерации костной ткани новообразованные кровеносные сосуды транспортируют остеогенные камбиальные клетки в зону перелома, что оптимизирует остеогенез. Выявленный регенерационный эндооссальный остеогенез способствует формированию реконструированных остеонов, минуя стадию развития ретикулофиброзной костной ткани. Сохранившиеся остеогенные элементы осколков, привнесенные в них при реваскуляризации клетки с остеогенным потенциалом способны продуцировать костную ткань. Такие фрагменты являются дополнительным и существенным источником образования костного регенерата. Они рассмотрены как посттравматическая органная культура in vivo. Отмечена различная степень развития регенераторного процесса от проксимального и дистального отломков. Ультраструктура остеобластов, остеоцитов и межклеточного вещества позволила судить об интенсивности процесса костеобразования. Полученные результаты гистологического исследования учтены клиницистами при разработке мероприятий при лечении пациентов.
Введение
Проблема реактивности и регенерации костной ткани после огнестрельных переломов является весьма актуальной, она входит в сферу безусловных интересов теоретической остеогистологии [1–3], имеет прямое отношение для разработки новых лечебных мероприятий клиницистами [4–7]. Стало очевидным, что повысилась частота военных противостояний и террористических актов, происходит совершенствование оружия, вызывающего тяжелые повреждения у раненых [8–11]. Специалисты-травматологи отмечают тенденцию роста переломов трубчатых костей верхних и нижних конечностей (до 70% и более) в структуре огнестрельных травм органов опорно-двигательной системы [12]. Выявленные закономерности посттравматической регенерации костной ткани [13], данные об участии в этом процессе детерминированных потомков остеогенных клеток, мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) костного мозга и периваскулярной локализации [3, 14–16], положения о гистогенетических основах раневого процесса [17, 18] служили методологическими принципами для гистологического анализа заживления костных ран. Проведено исследование с целью гистологической характеристики и выявления особенностей регенерационного остеогистогенеза при заживлении огнестрельных переломов костей конечностей у человека.
Материал и методы
Получение тканевого материала после огнестрельных переломов осуществлялось при непосредственном взаимодействии с сотрудниками кафедры военной травматологии и ортопедии академии в рамках выполнения диссертационных работ (заключения этического комитета ВМедА им. С.М. Кирова: протоколы № 121 от 31.01.2012 и № 126 от 19.06.2012). Переломы были получены в различных обстоятельствах, включая криминальные, некоторые переломы были множественными. Пострадавшим оказывалась специализированная медицинская помощь в хирургических клиниках Академии, далее раненые проходили реабилитацию в лечебных учреждениях по месту жительства. В связи с этим возникали определенные ограничения для получения стандартизированных биоптатов, а также материала на поздних сроках от момента повреждения.
Для гистологического изучения производилось взятие осколков, участков отломков и тканей между отломками, удаленных у 9 раненых в условиях операционной в процессе проводимой исключительно по показаниям хирургической обработки. Материал по локализации перелома и срокам от момента травмы взят из костных ран: бедренных костей – через 1, 5, 14 сут.; большеберцовых костей – через 1, 3, 4, 5, 23, 34 сут.; лучевой и локтевой костей – через 2 сут. У одного пострадавшего биоптаты брались дважды в пределах указанных сроков от момента повреждения. Проводилась гистологическая обработка материала, содержащего костную ткань: фиксация в 12% растворе нейтрального формалина, декальцинация в жидкости Эбнера, дегидратация в спиртах возрастающей концентрации, заключение в парафин, изготовление срезов толщиной около 10 мкм. Срезы окрашивали гематоксилином и эозином, бисмарк коричневым пикроиндигокармином по Румянцеву и Овчарову. Для более детального изучения биоптатов использовался метод трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ). Материал фиксировали в 2,5% растворе глутарового альдегида на 0,1 М фосфатном буфере (ph – 7,4) в течение 12 ч. при 4°С, дофиксировали в 1% растворе тетраоксида осмия в течение 1,5 ч., промывали в фосфатном буфере (ph – 7,4), обезвоживали в спиртах – 60, 70, 80, 90, 96, 100%, заливали в смесь эпон-аралдит. Из полученных блоков готовили полутонкие срезы толщиной около 1,5 мкм, которые окрашивали 1% раствором толуидинового синего, импрегнировали 0,5% раствором протаргола по Бодиану. Ультратонкие срезы толщиной 0,1– 0,2 мкм получали на ультратоме LKB-V (Швеция), контрастировали в 2,5% растворе уранилацетата и 0,3% растворе цитрата свинца, изучали при помощи электронного микроскопа JEM 100-СХ (Япония) при ускоряющем напряжении 80 КВ.
Результаты и обсуждение
Огнестрельные переломы длинных трубчатых костей причиняли обширные разрушения костной и других тканей, характеризовались образованием большого числа костных осколков. Они различались по размерам, форме, содержанию в своем составе тканевых структур, свойственных кости как органу. Часть из них представляла собой свободные фрагменты диафиза с надкостницей, включающие все слои компактного вещества и эндост, некоторые являлись кусочками остеонного слоя с участками наружных или внутренних окружающих пластинок. Через сутки после ранения часть осколков находилась в раневом канале и за его пределами в прилегающих тканях, другие располагались у краев отломков, окруженные клетками гематомы (рис. 1).
В отломке визуализировались отдельные остеоциты, клетки со сниженной способностью воспринимать гистологические красители, пикнотизированные элементы, пустые остеоцитарные лакуны, а также трещины в матриксе. В каналах остеонов кровеносные сосуды, окружающие их тканевые структуры пребывали в состоянии различной степени деструкции. 2–3 сут. после ранения. В межклеточном веществе осколков и отломков наблюдались территории в виде пятен с нечеткими границами, неравномерно воспринимавшие гистологические красители. Изменения тинкториальных свойств костного матрикса отмечались в остеонных и вставочных пластинках, вокруг пустых полостей, где ранее залегали тела остеоцитов. При трактовке альтеративных изменений костной ткани, вероятно, следует учесть мнение о том, что при ее повреждении происходит потеря матриксных металлопротеиназ, коннексинов, приводящая к остеоцитарным лакунарно-канальциевым дефектам, дезорганизации коллагена, кристаллов гидроксиапатита и клеточно-матриксных контактов, снижению трещиноустойчивости кости [19–21]. Указанные состояния остеоцитов и матрикса осколков не являются показателем их окончательной гибели. Возможность высвобождения из межклеточного вещества, особенно при его деминерализации, факторов роста, неколлагеновых протеинов, митогенных субстанций [22–24] способствует индуцированному остеогенезу, ее допустимо рассматривать как реактивные изменения ткани, предшествующие регенерации. В межотломковом биоптате, полученном на 4 сут. после перелома, показан костный осколок (рис. 2), к которому прилегают нити фибрина, остатки детрита и растущая рыхлая соединительная ткань. Осколок лишен большей части остеоцитов, но в некоторых лакунах между остеонными и вставочными пластинками клетки сохранились, сосуды в остеонах не определялись. Вышеназванные изменения костной ткани соответствовали фазе посттравматического некроза.
5 сут. травмы. Разрастающаяся в межотломковой зоне реактивно измененная рыхлая соединительная ткань сходна по строению с грануляционной тканью. Основным клеточным диффероном в ее составе являлся фибробластический. Большая часть фибробластов имела цитоплазму с выраженной базофилией, светлые ядра, в которых содержались 1–3 крупных ядрышка, отмечались двуядерные и делящиеся клетки. Между фибробластами обнаруживались пучки коллагеновых волокон и аморфное вещество. Ультраструктура фибробластов свидетельствовала о внутридифферонной гетероморфии. Кроме клеток фибробластического дифферона встречались макрофаги, отдельные лимфоциты и плазмоциты. Отчетливо определялись вновь образованные кровеносные капилляры, рост которых осуществлялся за счет реорганизации базальной мембраны, пролиферации и миграции эндотелиоцитов [25, 26] от неповрежденных сосудов микроциркуляторного русла, что являлось проявлением вазоформативных тканевых свойств эндотелия [27].
14 сут. после ранения. У краев отломков и осколков, в трещинах, каналах остеонов, где костные пластинки и остеоциты повреждены, выявлялись остеокласты (рис. 3).
Костные макрофаги резорбировали деструктивный матрикс, что приводило к изменению размеров и формы полостей, в которые они внедрились. Считается, что пусковая роль в этом процессе связана с остеоцитарной сигнализацией [28, 29]. Активация остеокластов инициирует ангиогенез [30, 31], способствующий транспорту в область костной раны клеток с остеогенным потенциалом, включая ММСК, а также эндотелиальных клеток-предшественников [32], содействующих неоваскулогенезу и оптимизации остеорепарации. В указанных выше полостях регистрировались кровеносные сосуды, вросшие из грануляционной ткани с привнесенными индуцибельными к остеогенезу и детерминированными остеогенными клетками, способными к дифференцировке в остеобласты (рис. 4). Последние адгезировались на поверхности сохранившихся пластинок, синтезировали межклеточное вещество, дифференцировались в остеоциты, формировали de novo костные пластинки вокруг сосудов, создавая генерации реконструированных остеонов. Посттравматическое развитие пластинчатой костной ткани на основе предсуществующей кости (рис. 5), минуя стадию образования ретикулофиброзной костной ткани, являлось проявлением составляющей закономерного восстановительного процесса – регенерационного эндооссального остеогистогенеза [33].
23 сут. после травмы. Костные осколки, окруженные реактивно измененной рыхлой соединительной тканью, обеспечивались оксигенацией и нутриционной поддержкой за счет диффузии веществ из сосудов, которые врастали в надкостницу (если она не утрачена) и каналы остеонов. В этих условиях сохранившие жизнеспособность остеогенные элементы осколка, а также доставленные за счет реваскуляризации ММСК дифференцировались в клетки остеобластического ряда. Остеобласты, выполняя присущую им функцию костеобразования, формировали тонкие балки ретикулофиброзной костной ткани, отходящие от поверхности осколка (рис. 6). Электронно-микроскопическое изображение остеобласта регенерата весьма наглядно отражает его активный морфофункциональный профиль (рис. 7).
Он содержит овальное эксцентрично лежащее ядро с крупным ядрышком, в ядре отчетливо преобладает эухроматин, гетерохроматин расположен маргинально у внутренней мембраны нуклеолеммы, очевидны многочисленные ядерные поры. Канальцы и цистерны гранулярной эндоплазматической сети расширены, занимают большую часть клетки, заполнены электронно-плотным хлопьевидным материалом. На границе остеобласта с экстрацеллюлярным веществом присутствуют крупные везикулы разной формы, некоторые из них имеют перетяжки, напоминая форму песочных часов. Большая часть из них находится в гиалоплазме у цитолеммы – предэкструзивное состояние. Другие пузырьки с содержимым определялись за пределами клеток. Экструзия матриксных везикул представляет собой секрецию белковых компонентов для формирования межклеточного вещества регенерирующей костной ткани. 34 сутки после травмы. Были отмечены различия в степени «продвинутости» регенерационного остеогистогенеза от проксимального и дистального отломков, связанные с резко ухудшенными условиями кровообращения, иннервации дистальной части конечности раненых. У края дистального отломка все еще преобладала остеокластическая резорбция, тем не менее в перинекротической области со стороны его надкостницы регистрировался периостальный остеогистогенез. Образующийся же интермедиарный регенерат от проксимального отломка представлял собой массивы перекладин зрелой ретикулофиброзной костной ткани, зона ее формирования интенсивно кровоснабжена (рис. 8).
Анализируя ультраструктуру клеток регенерата, состояние межклеточного вещества, элементы на рисунке 9 идентифицированы как дифференцирующиеся остеоциты. Обращает на себя внимание тот факт, что при относительно небольшом сроке после ранения процесс минерализации органического компонента имел четкое электронно-микроскопическое подтверждение. По мере увеличения объема интермедиарного регенерата, роста новообразованной костной ткани, продуцируемой осколками, происходит анастомозирование перекладин костной ткани и формирование общего регенерата, в состав которого инкорпорированы костные фрагменты.
Таким образом, примененные методы исследования прижизненного материала, возможность сопоставления гистологических данных с клиническими наблюдениями [12, 13, 34–36] позволили получить представления об особенностях регенерационного остеогистогенеза при заживлении огнестрельных переломов трубчатых костей у человека. Неоваскулогенез при регенерации костной ткани не только обеспечивает метаболизм этого процесса, но также растущие сосуды пополняли популяцию клеток, способных к дифференцировке в остеобласты, что особенно необходимо при резком дефиците камбиальных элементов в крупных дефектах кости. Регенерационный эндооссальный остеогистогенез, при котором не образуется провизорная костная ткань, требующая дальнейшей ремоделяции, оптимизирует восстановление кости. Реваскуляризация отломков и осколков в значительной мере определяла дальнейшую их судьбу в костной ране, это – существенный процесс в русле посттравматической остеорепарации. Сохранившие жизнеспособность остеогенные элементы костных фрагментов способны к продукции костной ткани, тем самым включались в состав общего тканевого регенерата, значительно способствуя воссозданию кости как органа. Подобные осколки расценивались как посттравматическая органная культура in vivo, которая проявляла гистотипический рост, что согласуется с известными закономерностями [37]. Клеточные и тканевые реакции свидетельствовали о развертывании регенераторной фазы заживления костной раны. Не утратило своего значения положение о том, что, в каждой реакции ткани на внешнее воздействие отражены не только действующие в данный момент причины, но и пройденные этапы онто- и филогенеза [38].
Полученные результаты гистологического исследования учтены клиницистами при разработке программы хирургической обработки огнестрельной костной раны. Она реализуется при медицинской реабилитации раненых с огнестрельными переломами длинных трубчатых костей, является основой для внедрения новых способов лечения, позволяющих сохранить функции тканей и органов опорно-двигательной системы при оказании помощи пострадавшим [39–42]. Следует отметить, что экономическая эффективность реабилитации раненых выражается не только стоимостными значениями, но и этической целесообразностью [43, 44], в соответствии с которой каждый гражданин имеет право на гарантированную государством доступную качественную медицинскую помощь и достойное положение в обществе.
Строение и состав костей, их форма и функции — Институт развития образования Еврейской автономной области
Автор: Галина Николаевна Сергушева, учитель биологии и химии МБОУ «Средняя общеобразовательная школа № 2 п. Николаевка»
Цель: изучить строение костей их химический состав и свойства.
Ход урока
Организационный момент
Опрос домашнего задания: работа по карточкам, устный опрос
1. Установите соответствие между типами соединения костей и примерами
Пример соединения костей | Тип соединения костей |
| А) Позвонки копчика | 1) неподвижное |
| Б) тазобедренный сустав | 2) подвижное |
| В) коленный сустав | 3) полуподвижное |
| Г) кости мозгового отдела черепа | |
| Д) позвонки шейного отдела позвоночника | |
| Е) локтевой сустав |
- .
А | Б | В | Г | Д | Е |
2.
- Функции опорно-двигательной системы:
1. Защитная 2. Двигательная 3. Выделительная 4. Регуляторная
- В состав опорно-двигательной системы входят:
1. Кожа 2. Мышцы 3. Связки 4. Кости
- Суставная головка и суставная впадина покрыты _________________ хрящом, сам сустав находится в суставной _____________ и укреплен
________________________ - Подвижность сустава обеспечивается:
1. Формой суставной поверхности 2. Суставной жидкостью
3. Суставными связками 4. Суставной сумкой
3. Перечислите основные типы соединения костей
III. Изучение новой темы
1. Форма кости. О существовании костей в нашем теле знает каждый. Действует скелет и в сказках. Старославянское слово «кощь» («кошть») означает «сухой». От него произошло слово «кость» и название персонажа русских сказок — Кощей Бессмертный. Такое имя ему отведено не случайно – кости надолго «переживают» человека и порой сохраняются в земле тысячелетиями, почти не изменяясь.
Рассмотрите на слайде разные по форме кости. Попытайтесь самостоятельно классифицировать кости по форме. На основании полученных ответов в тетради заполняем таблицу:
Форма костей
| Трубчатые длинные | Короткие трубчатые | Плоские | Воздухоносные | Смешанные | |
| Примеры | Плечевая, бедренная | Кости пясти, плюсны, фаланги пальцев | Кости мозгового отдела черепа, кости таза, ребра, грудина | Некоторые кости черепалобная, клиновидная, решетчатая, верхняя челюсть. | Позвонки, кости основания черепа |
Воздухоносные кости, имеют в теле полость, выстланную слизистой оболочкой и заполненную воздухом
Ненормальные (смешанные) кости, построены сложно, форма их разнообразна. Например, тело позвонка по форме (и по строению) относится к губчатым костям, дуга, отростки — к плоским.
Внимательно посмотрите на скелет — где в скелете расположены каждый из данных видов костей?
2. Строение кости. Изучите данные и сделайте вывод о прочности костной ткани «как строительного материала» скелета человека
Материал | Прочность на сжатие | Прочность на растяжение |
Сталь | 552 | 827 |
Фарфор | 250 | 55 |
КОСТЬ | 170 | 120 |
Гранит | 145 | 5 |
Дуб | 59 | 117 |
Бетон | 21 | 2 |
как это ни удивительно, но кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее, ставших образцами прочности, гранита и бетона.
Давайте шаг за шагом выясним, какие особенности химического состава и строения придают костям такие уникальные свойства.
– Рассмотрите строение трубчатой кости и назовите основные части? (Диафиз – удлиненная средняя часть, эпифиз – два утолщенных конца). Учащиеся зарисовывают кость и подписывают основные части.
Давайте посмотрим, какие свойства придают кости неорганические вещества, а какие органические. Мы поместили куриную кость в 10% раствор соляной кислоты. Итак, давайте проверим свойства кости. Она способна гнуться во все стороны.
? К какому же выводу подводят нас результаты эксперимента? Органические вещества сообщают кости упругость и эластичность.
Теперь давайте решим проблему, как удалить из кости органические вещества? Их можно сжечь. Верно, органика прекрасно горит. Кость обуглилась. Обугливание – верный признак того, что органические вещества сгорели. Кость твердая, но хрупкая. Крошится в руках.
К какому же выводу подводят нас результаты эксперимента? Неорганические (нерастворимые соли кальция и магния) придают кости твердость.
Итак, органические вещества (белки) придают кости упругость, а неорганические (нерастворимые соли кальция и магния) придают кости твердость. Сочетание же твердости и эластичности сообщает кости прочность.
Сделайте следующую запись в тетради:
Органические вещества придают кости_____
Неорганические вещества придают кости______________
Сочетание этих веществ обеспечивает______
Кость содержит 30% органических веществ (белки, углеводы), 60% минеральных веществ (кальций, магний, фосфаты) и 10 % воды.
Состав костной ткани человека меняется в течение всей жизни человека. Прочитайте текст учебника и ответьте на вопрос: у кого быстрее ломаются кости у детей или стариков? И почему? . (С возрастом увеличивается содержание в кости неорганических веществ и уменьшается содержание органических). Почему в вашем возрасте нужно постоянно следить за осанкой?
Внутреннее строение костей
– Рассмотрите рисунки на слайдах и скажите, какое внутреннее строение имеют кости?
Кости покрыты плотной соединительной тканью – надкостницей. Она богата кровеносными сосудами и нервами. За счёт кровеносных сосудов происходит питание клеток кости. Внутренний слой надкостницы состоит из клеток, которые растут, размножаются, что обеспечивает рост кости в толщину и ее регенерацию при переломах. Надкостница плотно примыкает к компактному веществу кости. Компактное вещество образовано костной тканью. Кости взрослого человека в большинстве построены из пластинчатой костной ткани, которая образует остеоны, или гаверсовы системы. Они являются структурной единицей кости.
Клетки кости – остеоциты и остеобласты – участвуют в построении костной ткани. Остеобласты – созидатели костной ткани, а остеоциты обеспечивают форму кости. . У каждой кости выделяют компактное (плотное) и губчатое вещество. Их количественное соотношение и распределение зависит от места кости в скелете и от ее функции.
Плотное (компактное) вещество особенно хорошо развито в тех костях и их частях, которые выполняют функции опоры и движения. Например, из компактного вещества построено тело длинных трубчатых костей. Костные пластинки имеют цилиндрическую форму и как бы вставлены одна в другую. Такое трубчатое строение компактного вещества придает костям большую прочность и легкость.
Губчатое вещество образовано множеством костных пластинок, которые располагаются по направлениям максимальной нагрузки. Им образованы утолщения головок длинных трубчатых костей, а также короткие плоские кости. Губчатое вещество состоит из костных перемычек и балок, которые образуют многочисленные ячейки. А для чего же в губчатом веществе кости столько много ячеек? (Найдите ответ в учебнике) — в них находится красный костный мозг, являющийся органом кроветворения – в нем образуются клетки крови. Полости длинных трубчатых костей взрослых людей заполнены желтым костным мозгом, в котором содержатся жировые клетки. Желтый костный мозг состоит из клеток соединительной ткани. Это клетки жировой и кроветворной соединительной ткани. Желтый костный мозг играет роль резерва на случай, когда красный мозг не справляется с работой. Красный костный мозг с возрастом заменяется желтым костным мозгом
В течение жизни человека соотношение плотного и губчатого вещества кости меняется. Эти изменения зависят от образа жизни, который ведет человек, от его питания, состояния здоровья. Количество плотного вещества у спортсменов значительно выше, чем у людей, ведущих сидячий образ жизни.
Кости могут расти в длину и толщину. В длину они растут за счет деления клеток хряща, расположенных на ее концах. За счет деления клеток внутреннего слоя надкостницы, кости растут в толщину и зарастают при переломах. Несмотря на то, что рост кости в толщину осуществляется непрерывно за счёт надкостницы, кость взрослого человека не становится массивнее. Масса длинных трубчатых костей человека увеличивается незначительно, потому что стенки костномозговой полости содержат клетки, растворяющие кость. Благодаря сложной и согласованной работе тех и других клеток достигается оптимальная прочность кости при наименьших массе и затрате материала.
IV. Закрепление
1. Подумайте, почему компактное вещество состоит из многочисленных трубочек с прочными стенками. Как это способствует прочности кости при наименьшем расходе материала и массы костного вещества? Почему корпус самолета делают из прочных дюралюминиевых трубчатых конструкций, а не из листового проката?
2. Объясните, почему искривления костей чаще бывают у детей, а переломы – у пожилых людей.
V. Домашнее задание §6
Виды костей и их соединения — урок. Биология, 9 класс.
В скелете человека более 200 костей и их соединений.
Виды костей
Трубчатые — длинные ( плечевая, бедренная и т.д.) содержат жёлтый костный мозг.
Короткие губчатые — (кости запястья, предплюсны).
Плоские — (лопатки, ребра, тазовые кости) содержат красный костный мозг, выполняющий кроветворную функцию.
Смешанные — состоят из нескольких частей, имеющих различное строение и происхождение (позвонки, некоторые кости черепа).
Соединения костей
Соединения нужны либо для того, чтобы одни кости могли двигаться относительно других, либо для того, чтобы соединить несколько костей в одно прочное образование.
Неподвижное (непрерывное) соединение — кости срастаются или скреплены соединительной тканью (соединения костей крыши черепа).
Полуподвижное — кости соединены между собой через упругие хрящевые прокладки (это соединения позвонков межпозвоночными хрящевыми дисками в шейном, грудном и поясничном отделах; соединение ребер с грудиной и грудными позвонками
Подвижное (прерывное) соединения — это суставы.
Сустав образован суставными поверхностями по форме строго соответствующих друг другу, покрытыми суставным (гиалиновым) хрящом, который способствует скольжению и защищает кость от стирания. Место контакта костей прикрыто прочной оболочкой из соединительной ткани – суставной сумкой, образующей герметичную суставную полость, содержащую суставную (синовиальную) жидкость.
Суставы бывают различной формы.
Источники:
Пасечник В.В., Каменский А.А., Швецов Г.Г./Под ред. Пасечника В.В. Биология. 8 класс.– М.: Просвещение
Любимова З.В., Маринова К.В. Биология. Человек и его здоровье. 8 класс – М.: Владос
Колесов Д.В., Маш Р.Д., Беляев И.Н. Биология 8 М.: Дрофа
Драгомилов А. Г., Маш Р. Д. Биология 8 М.: ВЕНТАНА-ГРАФ
Лернер Г.И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель
http://www.ebio.ru/che04.html
Что общего у ваших костей и Эйфелевой башни?
Что общего у Эйфелевой башни и наших костей?Что тяжелее: башня или воздух рядом с ней?
Для наших занятий, мы читаем много интересных статей. Одной из таких (сразу о физике, математике и биологии) захотелось поделиться. Что ж, пришлось сесть за перевод. В нём возможны корявости, но смысл постарались передать точно и использовать терминологию, принятую на русском языке. И пусть говорят, что сегодня никто не любит читать длинные тексты в интернете, мы надеемся, что вас увлечет этот интересный материал.
Что общего у ваших костей и Эйфелевой башни?
Автор: Aatish Bhatia
Оригинал: http://www.wired.com/2015/03/empzeal-eiffel-tower/
Перевод: Сергей Корнеев, “Праздник науки”
Все любят Эйфелеву башню. Это классический, иконический и безошибочно узнаваемый символ Парижа. Вы, наверное, удивитесь, узнав, что искусствоведы не расточали похвалы, пока башня строилась. Вот несколько наиболее красочных высказываний:
“трагический уличный фонарь” (Леон Блуа)
“скелет колокольни” (Поль Верлен)
“перекладина железного гимнастического снаряда, недоделанная, беспорядочная и изломанная” (Франсуа Коппе)
“гигантский неуклюжий скелет на основании, будто построенном, для монумента циклопам” (Мопассан)
“построенная наполовину фабричная труба, каркас, ожидающий быть облеченным в плоть из песчаника или кирпича, воронкообразный вертел, дырчатый суппозиторий” (Жорис Карл Гюисманс)
На современный взгляд, грани башни элегантны и величественны. Но критики-современники считали её монстром. Башня представила новый тип эстетики, и людям понадобилось время, чтобы принять его. Но Эйфель не просто следовал за понятием внутренней красоты. Его понимание красоты проистекало из экономии и структурной эффективности. Из желания достигнуть максимальной мощности при минимуме доступного материала. Зримая безупречность, эффективность и продуманная конструкция, как произведение искусства.
Скрытые правила гармонииВот ответ Эйфеля критикам:
“Должны ли мы довериться инженеру, который озабочен не одной только красотой, но попыткой создать элегантность прочную и долговечную? Не в том ли правда, что условия, которые дают силу, содержат в себе скрытые правила гармонии? […] это очарование колоссальным, особая красота, к которой привычные теории искусства едва ли применимы”.
Эйфелева башня невероятно хорошо выполняет то, для чего сделана. Быть высокой и устойчивой при минимуме использованного материала. Вместо того, чтобы прятать свою работу за фасадом, Эйфель выставляет напоказ скелет своего шедевра. Он раскрыл “скрытые правила гармонии”. Схожие правила верны и для нашего скелета, создают его невесомую прочность.
Чтобы понять изобретательный замысел Эйфеля, давайте решим загадку. Представьте, что некто расплавил весь металл башни и сделал шар. Насколько большим он будет?
Правильный ответ — D. (Вот расчёты) Если вы сделаете так, то получите шар всего 12 метров в диаметре. Для своей огромной высоты (324 метра), башня невероятно лёгкая. Вот другой пример для сравнения, если из всего железа башни сделать параллелепипед с основанием, равным основанию башни, он получится всего 6 сантиметров высотой.И последний пример, чтобы проиллюстрировать лёгкость Эйфелевой башни. Вообразите наименьший цилиндр, в который можно вписать башню. А теперь подумайте вот о чём. Масса воздуха в таком цилиндре перевесит всё железо в башне.
Как же Эйфелю удалось спроектировать конструкцию, которая достаточно прочная, чтобы противостоять стихии и, в то же время, весит примерно столько же, сколько воздух вокруг?
Секрет кроется в понимании типов прочности. Этот урок мы получим если заглянем вглубь … буквально. Изучив наши кости, мы увидим те же принципы, что применил Эйфель для своей башни. Порядок внутри порядка внутри порядка…
Если разрезать кость, то обнаружится, что она похожа на багет — крепкая корка снаружи и мягкая, губчатая, внутри. Внешний материал кости твёрдый и плотный. Это прочная часть кости несет на себе основные нагрузки. Внутри же губчатый материал. Губчатая ткань играет важную роль в процессах сжатия и растяжения, которые испытывают наши кости постоянно.
Теперь взглянем поближе на “корочку” нашего багета — плотную кость. Она состоит из крохотных трубочек, остеонов, каждая из которых 0,2 мм в диаметре, с кровеносным сосудом посередине. Если продолжим увеличивать, то увидим, что остеоны состоят из крошечных пучков волокон, фибриллярных белков. Увеличим ещё, и увидим, что каждое волоконо сплетено из трёх нитей. Распустим их и получим основную единицу наших костей — длинную, похожую на цепочку, молекулу коллагена.
Такой фрактальный способ упаковки называется структурной иерархией. Благодаря ей — трубочки внутри трубочек внутри трубочек внутри трубочек — наши кости лёгкие и прочные. (Губчатая костная ткань имеет схожее фрактальное строение. Если вы рассмотрите её под электронным микроскопом, то увидите, так же нечто похожее на губку.)
Бамбук использует тот же принцип. Чтобы невероятно быстро расти, этой траве необходимо минимизировать количество ткани и оставаться предельно лёгкой, чтобы не сломаться под собственным весом. Бамбуковая полая трубка очень эффективный способом создания жёсткости. Так же, как кость, бамбук состоит из крохотных трубочек, которые в свою очередь состоят из пучков волокон, которые состоят из ещё более малых пучков волокон, ну и так далее. Когда вы расплетёте бамбук до мельчайшего уровня, в нано-масштабе, вы обнаружите длинную, похожую на цепочку, молекулу — целлюлозу.
Бамбук и кость нано-материалы разработанные природой, которые используют структурную иерархию, чтобы улучшить свою лёгкость и прочность. Эйфелева башня используют схожую идею. Эйфель позаимствовал такое решение у бамбука и кости (хотя, вероятно, он пришёл к этому решению самостоятельно) и применил его к колоссальному масштабу
.
Как и многие современные постройки, Эйфелева Башня использует Х-образное соединение балок, известное, как фермы. Это очень эффективный способ проектирования, с опорой на прочную и устойчивую форму треугольника. Если вы рассмотрите одну из ферм Эйфелевой Башни, то обнаружите, что они не сплошные, как кажется, а каждая состоит, в свою очередь, из малых подобных ферм. В Башне дыр больше, чем железа. Эти полые формы способствуют умопомрачительной лёгкости всей башни. В следующий раз, когда будете гулять по мосту, присмотритесь внимательно, скорее всего он использует ту же идею.
Теперь, когда вы знаете, как построить невесомую башню, почему вы уверены, что она устоит? Эйфелевой Башне приходится бороться не только с гравитацией, но и со значительным сопротивлением ветра. Это учтено в самой её форме, в коэффициенте кривой, лежащей в её основе.
Фокус в том, чтобы перенаправить взаимодействие сил от тех мест, где вам это не нужно, туда, где нужно. Эйфель это понимал. И форма башни расчитана таким образом, чтобы силы давления ветра и собственного веса устремлялись к опорам, и далее, к мощному фундаменту. (В терминах физики, башня имеет правильную форму для того, чтобы момент силы, порождённый ветром уравновешивался моментом силы, порождённым весом башни.)
В том же интервью, в котором он отвечал критикам от искусства, Эйфель объяснял свою идею:
“Какое явление я должен учитывать, проектируя Башню, прежде всего? Сопротивление воздуха. Что ж! Я учел это в кривизне четырёх внешних краёв монумента, которая была расчитана математически […] что передаёт потрясающее ощущение силы и красоты”.
Это мой кран!Поняв, как распределяются силы, инженеры Эйфеля должны были смоделировать распределение материалов: поместить туда, где они нужны, и убрать оттуда, где нет. Метод, который они использовали, чтобы продемонстрировать взаимодействие сил, имеет неожиданную связь с наукой о костях. Он описан у Д’Арси Томпсона в On Growth and Form (1917), роскошном провидческом трактате, рассказывающем на тысяче с лишним страницах о математических законах, которые управляют биологией.
“Однажды (в 1866 году) великий инженер, профессор Калманн из Цюриха, которому мы обязаны современным методом графической статики, навестил своего коллегу в секционном зале, где тот препарировал кость. Инженер, который был поглощён разработкой нового мощного крана, заметил, что губчатая ткань напоминает, ни больше, ни меньше, диаграммы напряжений, или линий сжатия и растяжения в конструкциях под нагрузкой. Короче говоря, природа укрепляет кость так, как нужно, и где нужно. “Это же мой кран!” — воскликнул инженер”.
Когда инженер смотрит на здание, он смотрит сквозь материалы и видит силы, которые влияют на них — всё равно, что одеть пару рентгеновских очков. Эти силы делятся на два типа — силы сжатия, которые сжимают объект вовнутрь, и силы растяжения, которые выталкивают объект наружу. Каждый физический объект, на который вы смотрите, от стола и стула, до моста и небоскрёба подвержен действию этих сил (инжинеры называют их растяжение-сжатие).
Так что, когда Калманн работал над своим краном, он использовал собственный недавно разработанный метод “графической статики”, чтобы отобразить силы растяжения-сжатия. Вот один из его рисунков.
Так что, когда Калманн увидел структуру губчатой ткани в головке бедренной кости, она напомнила ему его кран. Он был поражен тем, как ясно смог увидеть перекрещивающиеся линии сил в кости.
Губчатая ткань заполняет внутренность бедренной кости таким образом, чтобы укрепить её в тех местах, где нагрузки сильнее всего, и не заполнять участки, где нагрузка отсутствует. В кости этот процесс происходит постепенно с её развитием. Губчатая ткань твердеет и выравнивается в тех местах, где нагрузки сильнее всего, и атрофируется там, где нагрузок нет. Процесс аналогичный тому, как формируются впечатляющие песчаные арки, которые вытачивает ветер. Ветер высекает те места, где камень меньше всего напряжен, и оставляет схему силовых линий в тех местах, где камень наиболее плотно спрессован.
В последние годы математическая точность связи между формированием кости и нагрузками была поставлена под сомнение. Но обший принцип, что кость адаптируется к фунцкиональным требованиям, и формируется нагрузками, по прежнему широко принят.
Как же это связано с Эйфелем? Что ж, Калманн дал инженерам новый мощный инструмент визуализации сил растяжения-сжатия, который используется и сегодня. Один из студентов Калманна, Морис Кёхлен работал с Эйфелем. Именно Кёхлен нарисовал оригинальный чертёж Эйфелевой Башни.
Те самые инструменты, что Калманн разработал, чтобы понять, как устроены кости, инженеры Эйфеля использовали, чтобы спроектировать башню, которая бы использовала минимум материалов. Так что критики, которые старались оскорбить башню Эйфеля сравнением со скелетом, на самом деле, выражали комплименты. Когда дело касается проектирования, мы многому можем научиться у собственных костей.
МБОУ «Федчевская ООШ» УРОК БИОЛОГИИ Опорно – двигательная система. Строение, состав и свойства костей. Подготовила: учитель биологии Волкова Е.В. 2010 Тема урока: Опорно – двигательная система.Строение, состав и свойства костей. Эпиграф: «Движение – это жизнь» Вольтер Тип урока: урок формирования знаний. Задачи урока: 1. Познакомить учащихся с видами костей; строением и химическим составом костей; типами соединения костей; 2.Формировать умения самостоятельно работать с текстом учебника; анализировать изученный текст; сравнивать, обобщать и оформлять в письменной и устной форме результаты логических операций. 3. Создать условия для развития навыков общения и совместной деятельности. Методы: проблемно – поисковый. Урок сопровождает компьютерная презентация. Межпредметные связи: с физикой, химией, литературой, медициной. Формы организации учебной деятельности учащихся: фронтальные, индивидуальные. Новые понятия:скелет человека, надкостница, компактное вещество, губчатое вещество, красный костный мозг, желтый костный мозг. Развиваемые понятия: кости скелета. Оборудование: раздаточный материал с текстом, таблица «Скелет человека», компьютерная презентация. Оформление доски: написана тема урока, высказывание Вольтера. Домашнее задание: изучить текст учебника на с. 92- 94, выполнить задания в рубрике «Выберите правильный ответ» на с.96 учебника . План урока: 1.Организационный момент 2.Актуализация знаний учащихся 3.Изучение нового материала 4.Физкультминутка 5.Закрепление знаний Ход урока.
(раздать рабочие карты урока)
Ответы: часть А Часть В
Движение – это жизнь, — заметил Вольтер. Действительно, человек приспособлен, а может быть, и приговорен природой к движению. Люди не могут не двигаться и начинают делать это осознанно уже на 4 месяце после рождения – тянуться, хватать различные предметы. Благодаря чему же мы перемещаемся в пространстве, бегаем, прыгаем, шагаем, совершаем каждый день многие тысячи разнообразных выпрямлений, сгибаний, поворотов? Обеспечивает все это костно – мышечная система, или опорно – двигательный аппарат. Запишите тему сегодняшнего урока «Опорно – двигательная система. Строение, состав и свойства костей». Слайд 1 Опорно – двигательная система человека представлена пассивной частью(скелет человека состоит из более чем 200 костей, хотя у новорожденного ребенка их около 300, со временем кости срастаются, поэтому их количество уменьшается. Активная часть скелета представлена мышечной системой, её составляет примерно 600 мышц. Слайд 2, Заполнение кластера в рабочей карте Слайд 3и4
Скелет выполняет разные функции, главная из которых опорная. Он определяет в значительной мере размер и форму тела. Некоторые части скелета, как, например, череп, грудная клетка и таз, служат вместилищем и защитой жизненно важных органов – мозга, легких, сердца, кишечника и т.д. Наконец, скелет – пассивный орган движения, т.к. к нему прикрепляются мышцы. Функции скелета человека (обеспечивает передвижение тела и его частей в пространстве). (создаёт полости тела защиты внутренних органов).
(определяет форму и размеры тела). (опорный остов организма). (красный костный мозг – источник клеток крови). (кости – источник Ca, F и других минеральных веществ). Слайд 7
Задание № в рабочей карте Изучите данные и сделайте вывод о прочности костной ткани «как строительного материала» скелета человека
Слайд 8 Вывод: как это ни удивительно, но кость по прочности уступает только твёрдым сортам стали и оказывается гораздо прочнее, ставших образцами прочности, гранита и бетона. Давайте шаг за шагом выясним, какие особенности химического состава и строения придают костям такие уникальные свойства. Слайд9 Вещества, входящие в состав кости можно разделить на две группы: органические и неорганические. Выполните задание 4 в рабочей карте Слайд 10 Итак, органические вещества (белки) придают кости упругость, а неорганические (нерастворимые соли кальция и магния) придают кости твердость. Сочетание же твердости и эластичности сообщает кости прочность. Слайд 11 Необходимо еще знать пропорции органических и неорганических веществ. Потому что, если в костях будет больше неорганических веществ, то они будут твердыми, но хрупкими. А если будет избыток органических веществ, то гости будут слишком гибкими. Состав костной ткани человека меняется в течение всей жизни человека. Слайд 12 — Как изменяется химический состав костей с возрастом?С возрастом увеличивается содержание в кости неорганических веществ и уменьшается содержание органических. — Почему у детей часто встречаются искривления костей, а у пожилых людей переломы? Почему в вашем возрасте нужно постоянно следить за осанкой? (У детей в костях содержится больше органических веществ. Их кости более упругие и эластичные. С возрастом в костях увеличивается содержание солей. В старости кости становятся хрупкими, из-за того, что в них содержание неорганических солей значительно превышает содержание эластичного компонента.) Слайд 13 —Детские кости достаточно гибкие, и неправильная осанка может привести к искривлению позвоночника. Здоровье – самое большое богатство человека, и его нужно беречь смолоду. Установлено, что умеренная нагрузка на кость увеличивает её прочность, поэтому очень важно заниматься физической культурой. Здоровье кости зависит от многих факторов, немаловажное значение имеет сбалансированное питание. Слайд 14 И.п. — стоя, руки за головой. С силой отведите руки в стороны, подняв руки вверх, прогнитесь. Замрите на 2-4 секунды и вернитесь в и.п. Повторите 6-10 раз. Дыхание произвольное. Слайд 15 СТРОЕНИЕ КОСТИ Ребята, чтобы иметь представление о строении кости, обратимся к рисунку учебника с. 94. Внимательно рассмотрите рисунок. На рисунке найдите надкостницу, компактное вещество, губчатое вещество, костномозговую полость. Пользуясь текстом учебника, заполните таблицу.
Кости могут расти в длину и толщину. В длину они растут за счет деления клеток хряща, расположенных на ее концах За счет деления клеток внутреннего слоя надкостницы, кости растут У каждой кости выделяют компактное (плотное) и губчатое вещество. Их количественное соотношение и распределение зависит от места кости в скелете и от ее функции. Плотное (компактное) вещество особенно хорошо развито в тех костях и их частях, которые выполняют функции опоры и движения. Например, из компактного вещества построено тело длинных трубчатых костей. Костные пластинки имеют цилиндрическую форму и как бы вставлены одна в другую. Такое трубчатое строение компактного вещества придает костям большую прочность и легкость. Губчатое вещество образовано множеством костных пластинок, которые располагаются по направлениям максимальной нагрузки. Им образованы утолщения головок длинных трубчатых костей, а также короткие плоские кости. Между пластинками располагается красный костный мозг, являющийся органом кроветворения – в нем образуются клетки крови. Полости длинных трубчатых костей взрослых людей заполнены желтым костным мозгом, в котором содержатся жировые клетки. В течение жизни человека соотношение плотного и губчатого вещества кости меняется. Эти изменения зависят от образа жизни, который ведет человек, от его питания, состояния здоровья. Количество плотного вещества у спортсменов значительно выше, чем у людей, ведущих сидячий образ жизни. Слайд 17 Итог урока Слайд 18 Домашнее задание:с. 92-95, задание части С Слайд 19 рефлексия д/з Прочитайте текст «Состав, строение и рост костей» и найдите в нем предложения, в которых содержатся биологические ошибки. Запишите сначала номера этих предложений. а затем их правильно сформулируйте. Состав, строение и рост костей.
3. Головки трубчатых костей состоят из губчатого вещества, в пространстве между пластинок которого находится желтый костный мозг, а тело – из компактного вещества, полость которого заполнена красным костным мозгом.4. Кость покрыта тонкой оболочкой, богатой нервами и кровеносными сосудами, — это надкостница. 5. За счет деления клеток надкостницы происходит рост кости в длину и толщину. 6. Головки трубчатых костей покрыты хрящом. Ошибки: 2,3,5 РАБОЧАЯ КАРТА УРОКА. Тема урока: Опорно – двигательная система. Строение, состав и свойства костей. Эпиграф: «Движение – это жизнь» Вольтер. Задания:
Часть А Часть В
Органические вещества придают кости — ……… Неорганические вещества придают кости — ……..
д/з Прочитайте текст «Состав, строение и рост костей» и найдите в нем предложения, в которых содержатся биологические ошибки. Запишите сначала номера этих предложений. а затем их правильно сформулируйте. Состав, строение и рост костей.
Поделитесь с Вашими друзьями: |
6.3 Костная структура — анатомия и физиология
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Описать микроскопическое и макроанатомическое строение костей
- Определять общие анатомические особенности кости
- Описать гистологию костной ткани, включая функцию костных клеток и матрикса
- Сравните и сравните компактную и губчатую кость
- Определить структуры, составляющие компактную и губчатую кость
- Опишите, как питаются и иннервируются кости
- функция?
Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей организма.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Дальнейшие обсуждения в этой главе покажут, что кость также динамична в том смысле, что ее форма приспосабливается к нагрузкам. В этом разделе сначала исследуется общая анатомия кости, а затем мы перейдем к ее гистологии.
Длинная кость имеет две основные области: диафиз и эпифиз ( Рисунок 6.3.1 ) . Диафиз — это полый трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концом кости.Внутри диафиза находится медуллярная полость , которая у взрослого человека заполнена желтым костным мозгом. Наружные стенки диафиза ( кортикального слоя, кортикальной кости) состоят из плотной и твердой компактной кости, представляющей собой форму костной ткани.
Более широкий участок на каждом конце кости называется эпифизом (множественное число = эпифизы), который изнутри заполнен губчатой костью, другим типом костной ткани.Красный костный мозг заполняет промежутки между губчатой костью в некоторых длинных костях. Каждый эпифиз встречается с диафизом в метафизе . Во время роста метафиз содержит эпифизарную пластинку , — участок удлинения длинных костей, описанный далее в этой главе. Когда кость перестает расти в раннем взрослом возрасте (приблизительно 18–21 год), эпифизарная пластинка становится эпифизарной линией , видимой на рисунке.
Внутренняя часть кости, прилегающая к костномозговой полости, представляет собой слой костных клеток, называемый эндостом (эндо- = «внутри»; остео- = «кость»).Эти костные клетки (описанные ниже) заставляют кость расти, восстанавливаться и реконструироваться на протяжении всей жизни. На внешней стороне костей есть еще один слой клеток, которые также растут, восстанавливают и модифицируют кость. Эти клетки являются частью внешней двухслойной структуры, называемой надкостницей (периост — = «вокруг» или «окружающий»). Клеточный слой прилегает к кортикальной кости и покрыт внешним волокнистым слоем из плотной соединительной ткани неправильной формы (см. Рисунок 6.3.4a). Надкостница также содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды, питающие компактную кость.Сухожилия и связки прикрепляются к костям в надкостнице. Надкостница покрывает всю внешнюю поверхность, за исключением тех мест, где эпифизы встречаются с другими костями, образуя суставы (рис. 6.3.2). В этой области эпифизы покрыты суставным хрящом , тонким слоем гиалинового хряща, который снижает трение и действует как амортизатор.
Рисунок 6.32 — Надкостница и эндост: Надкостница образует внешнюю поверхность кости, а эндост выстилает костномозговую полость.Плоские кости, как и кости черепа, состоят из слоя диплоэ (губчатая кость), покрытого с обеих сторон слоем компактной кости (рис. 6.3.3). Два слоя компактной кости и внутренняя губчатая кость работают вместе, чтобы защитить внутренние органы. Если внешний слой черепной кости ломается, мозг все еще защищен неповрежденным внутренним слоем.
Рисунок 6.3.3 — Анатомия плоской кости: На этом поперечном сечении плоской кости показана губчатая кость (диплоэ), покрытая с обеих сторон слоем компактной кости. Костный матрикс Костная ткань представляет собой соединительную ткань и, как и все соединительные ткани, содержит относительно небольшое количество клеток и большое количество внеклеточного матрикса. По массе матрикс костной ткани состоит на 1/3 из волокон коллагена и на 2/3 соли фосфата кальция. Коллаген обеспечивает поверхность каркаса для прикрепления кристаллов неорганической соли (см. Рис. 6.3.4a). Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются с образованием гидроксиапатита. Гидроксиапатит также включает другие неорганические соли, такие как гидроксид, фторид и сульфат магния, когда он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах.Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, в то время как волокна коллагена создают основу для кальцификации и придают кости гибкость, так что они могут сгибаться, не становясь хрупкими. Например, если вы удалите из кости всю органическую матрицу (коллаген), она легко рассыпется и расколется (см. Рис. 6.3.4b, верхняя панель). И наоборот, если вы удалите всю неорганическую матрицу (минералы) из кости и оставите коллаген, кость станет слишком гибкой и не сможет выдерживать вес (см. Рисунок 6.3.4b, нижняя панель). Рисунок 6.3.4a Кальцинированные коллагеновые волокна из кости (сканирующая электронная микрофотография, 10 000 X, Сбертаццо — собственная работа, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20Костные клетки
Хотя костные клетки составляют менее 2% костной массы, они имеют решающее значение для функционирования костей.В костной ткани обнаруживаются четыре типа клеток: остеобласты, остеоциты, остеогенные клетки и остеокласты (рис. 6.3.5).
Рисунок 6.3.5 — Костные клетки: В костной ткани обнаружены клетки четырех типов. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Остеобласты откладывают костный матрикс. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из другой клеточной линии и действуют, резорбируя кость.Остеобласт — это костная клетка, ответственная за формирование новой кости, которая находится в растущих частях кости, включая эндост и клеточный слой надкостницы.Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновый матрикс и другие белки. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него; в результате он изменяет структуру и становится остеоцитом , первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки. Каждый остеоцит расположен в небольшой полости в костной ткани, называемой лакуной (лакуны для множественного числа). Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов.Как и остеобласты, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (singular = canaliculus), каналы в костном матриксе. Остеоциты соединены друг с другом в канальцах через щелевые соединения.
Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенной (остеопрогениторной) клетки .Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью и являются единственными костными клетками, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в клеточном слое надкостницы и эндоста. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.
Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клетками, ответственными за резорбцию или разрушение кости, являются остеокласты .Эти многоядерные клетки происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов белых кровяных телец, а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. В таблице 6.3 представлены костные клетки, их функции и расположение.
| Костные клетки (Таблица 6.3) | ||
|---|---|---|
| Тип ячейки | Функция | Расположение |
| Остеогенные клетки | Развивается в остеобласты | Эндост, клеточный слой надкостницы |
| Остеобласты | Костеобразование | Эндост, клеточный слой надкостницы, растущие части кости |
| Остеоциты | Поддержание концентрации минералов в матрице | В матрице |
| Остеокласты | Костная резорбция | Эндост, клеточный слой надкостницы на участках старой, поврежденной или ненужной кости |
Большинство костей содержат плотную и губчатую костную ткань, но их распределение и концентрация зависят от общей функции кости.Хотя компактная и губчатая кость состоит из одних и тех же матричных материалов и клеток, они различаются по своей организации. Компактная кость плотная, поэтому она может противостоять силам сжатия, в то время как губчатая кость (также называемая губчатой костью ) имеет открытые пространства и поддерживает, но также легка и может быть легко реконструирована в соответствии с изменяющимися потребностями тела.
Компактная кость
Компактная кость — более плотная и прочная из двух типов костной ткани (Рисунок 6.3.6). Он составляет внешнюю кору всех костей и находится в непосредственном контакте с надкостницей. В длинных костях, когда вы перемещаетесь от внешней кортикальной компактной кости во внутреннюю медуллярную полость, кость переходит в губчатую кость.
Рисунок 6.3.6 — Схема компактной кости: (a) На этом поперечном разрезе компактной кости показаны несколько остеонов, основная структурная единица компактной кости. (b) На этой микрофотографии остеона вы можете увидеть концентрические пластинки вокруг центральных каналов.LM × 40. (Микрофотография предоставлена Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012) Рисунок 6.3.7 OsteonЕсли вы посмотрите на компактную кость под микроскопом, вы увидите высокоорганизованное расположение концентрических кругов, похожих на стволы деревьев. Каждая группа концентрических кругов (каждое «дерево») составляет микроскопическую структурную единицу компактной кости, называемую остеоном (это также называется гаверсовской системой). Каждое кольцо остеона состоит из коллагена и кальцинированного матрикса и называется ламелями (множественное число = ламели).Коллагеновые волокна соседних ламалл проходят под перпендикулярными углами друг к другу, что позволяет остеонам противостоять скручивающим силам во многих направлениях (см. Рисунок 6.34a). По центру каждого остеона проходит центральный канал , или гаверсовский канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы ответвляются под прямым углом через перфорирующий канал , также известный как каналы Фолькмана, до надкостницы и эндоста. Эндост также выстилает каждый центральный канал, позволяя со временем удалять, реконструировать и восстанавливать остеоны.
Остеоциты застревают внутри своего лакуана, находящегося на границах соседних ламелл. Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном итоге, с центральным каналом. Эта система позволяет транспортировать питательные вещества к остеоцитам и удалять из них отходы, несмотря на непроницаемый кальцифицированный матрикс.
Губчатая (губчатая) кость
Как и компактная кость, губчатая кость , также известная как губчатая кость, содержит остеоциты, расположенные в лакунах, но они не расположены концентрическими кругами.Вместо этого лакуны и остеоциты находятся в решетчатой сети матричных шипов, называемых трабекулами (единичное число = трабекула) (рис. 6.3.8). Трабекулы покрыты эндостом, который может легко их реконструировать. Может показаться, что трабекулы представляют собой случайную сеть, но каждая трабекула формируется вдоль линий напряжения, чтобы направить силы на более твердую компактную кость, обеспечивая прочность кости. Губчатая кость обеспечивает баланс плотной и тяжелой компактной кости, делая кости легче, чтобы мышцы могли их легче двигать.Кроме того, полости в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, в которых происходит кроветворение.
Рисунок 6.3.8 — Схема губчатой кости: Губчатая кость состоит из трабекул, содержащих остеоциты. Красный костный мозг заполняет пустоты в некоторых костях.Старение и… скелетная система: болезнь Педжета
Болезнь Педжета обычно возникает у взрослых старше 40 лет. Это нарушение процесса ремоделирования костей, которое начинается с гиперактивных остеокластов.Это означает, что резорбируется больше кости, чем откладывается. Остеобласты пытаются компенсировать это, но новая кость, которую они закладывают, является слабой и хрупкой и поэтому склонна к переломам.
В то время как некоторые люди с болезнью Педжета не имеют симптомов, другие испытывают боль, переломы костей и деформации костей (рис. 6.3.9). Чаще всего поражаются кости таза, черепа, позвоночника и ног. Болезнь Педжета, возникающая в черепе, может вызывать головные боли и потерю слуха.
Рисунок 6.3.9 — Болезнь Педжета: Нормальные кости ног относительно прямые, но кости, пораженные болезнью Педжета, пористые и изогнутые.Что заставляет остеокласты становиться сверхактивными? Ответ до сих пор неизвестен, но наследственные факторы, похоже, играют роль. Некоторые ученые считают, что болезнь Педжета вызвана еще не идентифицированным вирусом.
Болезнь Педжета диагностируется с помощью визуальных исследований и лабораторных тестов. Рентген может показать деформации костей или участки резорбции кости. Также полезно сканирование костей.В этих исследованиях в организм вводят краситель, содержащий радиоактивный ион. Области резорбции кости имеют сродство к ионам, поэтому они будут светиться при сканировании, если ионы абсорбируются. Кроме того, у людей с болезнью Педжета обычно повышен уровень в крови фермента, называемого щелочной фосфатазой. Бисфосфонаты, препараты, снижающие активность остеокластов, часто используются при лечении болезни Педжета.
Губчатая кость и костномозговая полость получают питание из артерий, которые проходят через компактную кость.Артерии входят через питательных отверстий (множественное число = отверстия), небольшие отверстия в диафизе (рис. 6.3.10). Остеоциты в губчатой кости питаются кровеносными сосудами надкостницы, которые проникают в губчатую кость, и кровью, циркулирующей в полостях костного мозга. Когда кровь проходит через полости костного мозга, она собирается венами, которые затем выходят из кости через отверстия.
Помимо кровеносных сосудов, нервы проходят по тем же путям в кость, где они, как правило, концентрируются в более метаболически активных областях кости.Нервы ощущают боль, и, похоже, нервы также играют роль в регулировании кровоснабжения и роста костей, следовательно, их концентрация в метаболически активных участках кости.
Рисунок 6.3.10 — Схема кровоснабжения и нервного снабжения кости: Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательное отверстие.Внешний веб-сайт
Посмотрите это видео, чтобы увидеть микроскопические особенности кости.
Обзор главыПолая костномозговая полость, заполненная желтым костным мозгом, проходит по длине диафиза длинной кости.Стенки диафиза представляют собой компактную кость. Эпифизы, представляющие собой более широкие участки на каждом конце длинной кости, заполнены губчатой костью и красным костным мозгом. Эпифизарная пластинка, слой гиалинового хряща, заменяется костной тканью по мере увеличения длины органа. Медуллярная полость имеет нежную мембранную выстилку, называемую эндостом. Наружная поверхность кости, за исключением областей, покрытых суставным хрящом, покрыта фиброзной оболочкой, называемой надкостницей. Плоские кости состоят из двух слоев компактной кости, окружающих слой губчатой кости.Маркировка костей зависит от функции и расположения костей. Сочленения — это места, где встречаются две кости. Выступы выступают из поверхности кости и служат точками крепления сухожилий и связок. Отверстия — это отверстия или углубления в костях.
Костный матрикс состоит из коллагеновых волокон и основного органического вещества, в основном гидроксиапатита, образованного из солей кальция. Остеогенные клетки развиваются в остеобласты. Остеобласты — это клетки, из которых состоит новая кость. Когда они попадают в матрикс, они становятся остеоцитами, клетками зрелой кости.Остеокласты участвуют в резорбции кости. Компактная кость плотная и состоит из остеонов, а губчатая кость менее плотная и состоит из трабекул. Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательные отверстия, питая и иннервируя кости.
Контрольные вопросыВопросы о критическом мышлении
1. Если бы суставной хрящ на конце одной из ваших длинных костей дегенерировал, какие симптомы, по вашему мнению, вы бы испытали? Почему?
2.Каким образом структурный состав компактной и губчатой кости хорошо соответствует их функциям?
Глоссарий
- суставной хрящ
- тонкий хрящевой слой, покрывающий эпифиз; снижает трение и действует как амортизатор
- шарнирное соединение
- , где встречаются две поверхности кости
- каналов
- (singular = canaliculus) каналов в костном матриксе, в которых размещается одно из многих цитоплазматических расширений остеоцита, которые он использует для связи и получения питательных веществ
- центральный канал
- продольный канал в центре каждого остеона; содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды; также известный как Гаверсский канал
- компактная кость
- плотная костная ткань, выдерживающая силу сжатия
- диафиз
- трубчатый стержень, проходящий между проксимальным и дистальным концом длинной кости
- диплоэ
- слой губчатой кости, зажатый между двумя слоями компактной кости, обнаруженный в плоских костях
- эндост
- Нежная перепончатая выстилка костномозговой полости
- эпифизарная пластина
- (также пластинка роста) лист гиалинового хряща в метафизе незрелой кости; заменяется костной тканью по мере увеличения длины органа
- эпифиз
- широких сечений на каждом конце длинной кости; наполненный губчатой костью и красным мозгом
- отверстие
- отверстие или углубление в кости
- пробелов
- (единичное число = лакуна) промежутков в кости, в которых находится остеоцит
- костномозговая полость
- полая область диафиза; наполненный желтым кабачком
- питательное отверстие
- небольшое отверстие в середине внешней поверхности диафиза, через которое артерия входит в кость для обеспечения питания
- остеобласт
- Клетка, отвечающая за формирование новой кости
- остеокласт
- Клетка, отвечающая за резорбцию кости
- остеоцит
- первичная клетка в зрелой кости; отвечает за поддержание матрицы
- остеогенные клетки
- недифференцированная клетка с высокой митотической активностью; единственные костные клетки, которые делятся; они дифференцируются и развиваются в остеобласты
- остеон
- (также гаверсова система) основная структурная единица компактной кости; из концентрических слоев кальцинированной матрицы
- перфорирующий канал
- (также канал Фолькмана) канал, который ответвляется от центрального канала и вмещает сосуды и нервы, идущие к надкостнице и эндосту
- надкостница
- фиброзная оболочка, покрывающая внешнюю поверхность кости и непрерывная связками
- выступ
- отметины на костях, где часть поверхности выступает над остальной поверхностью, где прикрепляются сухожилия и связки
- губчатая кость
- (также губчатая кость) костная ткань с трабекулой, поддерживающая сдвиги в распределении веса
- трабекулы
- (единичное число = трабекула) шипы или участки решетчатой матрицы в губчатой кости
Решения
Ответы на вопросы о критическом мышлении
- Если бы суставной хрящ на конце одной из ваших длинных костей разрушился, что на самом деле происходит при остеоартрите, вы бы испытали боль в суставе на конце этой кости и ограничение движения в этом суставе, потому что не было бы хрящ, чтобы уменьшить трение между соседними костями, и не было бы хряща, который действовал бы как амортизатор.
- Плотно расположенные концентрические кольца матрицы в компактной кости идеально подходят для противодействия сжимающим силам, которые являются функцией компактной кости. Открытые пространства трабекулярной сети губчатой кости позволяют губчатой кости поддерживать сдвиги в распределении веса, что является функцией губчатой кости.
Определите и перечислите примеры маркировки костей
Поверхность костей значительно различается в зависимости от функции и расположения в теле. Таблица 6.2 показаны отметки на костях, которые проиллюстрированы на (Рисунок 6.3.4). Есть три основных класса маркировки костей: (1) суставы, (2) выступы и (3) отверстия. Как следует из названия, сустав — это место, где соединяются две поверхности кости (articulus = «сустав»). Эти поверхности имеют тенденцию приспосабливаться друг к другу, например, одна закругленная, а другая чашеобразная, чтобы облегчить функцию сочленения. Выступ — это область кости, которая выступает над поверхностью кости.Это точки крепления сухожилий и связок. Как правило, их размер и форма указывают на силы, действующие через прикрепление к кости. Отверстие — это отверстие или бороздка в кости, через которую кровеносные сосуды и нервы входят в кость. Как и в случае с другими отметинами, их размер и форма отражают размер сосудов и нервов, проникающих в кость в этих точках.
| Отметки костей (таблица 6.2) | ||
|---|---|---|
| Маркировка | Описание | Пример |
| Сочленения | Где встречаются две кости | Коленный сустав |
| Головка | Выступающая закругленная поверхность | Головка бедра |
| Фацет | Плоская поверхность | Позвонки |
| Мыщелок | Скругленная поверхность | Затылочные мыщелки |
| Проекции | Рельефная маркировка | Остистый отросток позвонков |
| Выступ | Выступающий | Подбородок |
| Процесс | Видимость | Поперечный отросток позвонка |
| Позвоночник | Острая обработка | седалищный отдел позвоночника |
| Бугорок | Маленький округлый отросток | Бугорок плечевой кости |
| Бугристость | Шероховатая поверхность | Бугристость дельтовидной мышцы |
| Линия | Легкий удлиненный гребень | Височные линии теменных костей |
| Крест | Ридж | Подвздошный гребень |
| Отверстия | Отверстия и углубления | Foramen (отверстия, через которые могут проходить кровеносные сосуды) |
| Ямка | Раковина удлиненная | Нижнечелюстная ямка |
| Ямка | Малая яма | Ямка головы на головке бедра |
| Борозда | Паз | Сигмовидная борозда височных костей |
| Канал | Проход в кости | Слуховой канал |
| Трещина | Прорезание кости | Ушная щель |
| Отверстие | Отверстие в кости | Большое затылочное отверстие в затылочной кости |
| Мясо | Вход в канал | Наружный слуховой проход |
| Синус | Воздушное пространство в кости | Носовые пазухи |
Костная структура | Анатомия и физиология I
Цели обучения
- Определить анатомические особенности кости
- Определите и перечислите примеры маркировки костей
- Описать гистологию костной ткани
- Сравните и сравните компактную и губчатую кость
- Определить структуры, составляющие компактную и губчатую кость
- Опишите, как питаются и иннервируются кости
Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей организма.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Дальнейшие обсуждения в этой главе покажут, что кость также динамична в том смысле, что ее форма приспосабливается к нагрузкам. В этом разделе сначала исследуется общая анатомия кости, а затем мы перейдем к ее гистологии.
Общая анатомия кости
Рис. 1. Анатомия длинной кости. Типичная длинная кость показывает общие анатомические характеристики кости.
Структура длинной кости позволяет лучше всего визуализировать все части кости (рис. 1).Длинная кость состоит из двух частей: диафиза и эпифиза . Диафиз — это трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концом кости. Полость в диафизе называется медуллярной полостью и заполнена желтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твердой компактной кости .
Более широкая часть на каждом конце кости называется эпифизом (множественное число = эпифиз ), который заполнен губчатой костью.Красный костный мозг заполняет пустоты в губчатой кости. Каждый эпифиз встречается с диафизом у метафиза, узкой областью, которая содержит эпифизарную пластину (пластина роста), слой гиалинового (прозрачного) хряща в растущей кости. Когда кость перестает расти в раннем взрослом возрасте (примерно 18–21 год), хрящ заменяется костной тканью, и эпифизарная пластинка становится эпифизарной линией.
Медуллярная полость имеет нежную мембранную выстилку, которая называется эндостом ( конец — = «внутри»; oste — = «кость»), где происходит рост, восстановление и ремоделирование кости.Наружная поверхность кости покрыта фиброзной мембраной, которая называется надкостница ( peri — = «вокруг» или «окружает»). Надкостница содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды, питающие компактную кость. Сухожилия и связки также прикрепляются к костям в надкостнице. Надкостница покрывает всю внешнюю поверхность, за исключением тех мест, где эпифизы встречаются с другими костями, образуя суставы (рис. 2). В этой области эпифизы покрыты суставным хрящом , тонким слоем хряща, который снижает трение и действует как амортизатор.
Рисунок 2. Надкостница и эндост. Надкостница образует внешнюю поверхность кости, а эндост выстилает костномозговую полость.
Плоские кости, как и кости черепа, состоят из слоя диплоэ (губчатая кость), выстланного с обеих сторон слоями компактной кости (рис. 3). Два слоя компактной кости и внутренняя губчатая кость работают вместе, чтобы защитить внутренние органы. Если внешний слой черепной кости ломается, мозг все еще защищен неповрежденным внутренним слоем.
Рисунок 3. Анатомия плоской кости. На этом поперечном сечении плоской кости видна губчатая кость (диплоэ), выстланная с обеих сторон слоем компактной кости.
Отметины костей
Поверхность костей значительно различается в зависимости от функции и расположения в теле. В таблице 1 описаны отметки костей, которые показаны на (Рисунок 4). Есть три основных класса маркировки костей: (1) суставы, (2) выступы и (3) отверстия. Как следует из названия, сустав — это место, где соединяются две поверхности кости (articulus = «сустав»).Эти поверхности имеют тенденцию приспосабливаться друг к другу, например, одна закругленная, а другая чашеобразная, чтобы облегчить функцию сочленения. Выступ — это область кости, которая выступает над поверхностью кости. Это точки крепления сухожилий и связок. Как правило, их размер и форма указывают на силы, действующие через прикрепление к кости. Отверстие — это отверстие или бороздка в кости, через которую кровеносные сосуды и нервы входят в кость.Как и в случае с другими отметинами, их размер и форма отражают размер сосудов и нервов, проникающих в кость в этих точках.
| Таблица 1. Отметки костей | ||
|---|---|---|
| Маркировка | Описание | Пример |
| Шарниры | Где встречаются две кости | Коленный сустав |
| Головка | Выступающая закругленная поверхность | Головка бедра |
| Фацет | Плоская поверхность | Позвонки |
| Мыщелок | Скругленная поверхность | Затылочные мыщелки |
| Проекции | Рельефная маркировка | Остистый отросток позвонков |
| Выступ | Выступающий | Подбородок |
| Процесс | Видимость | Поперечный отросток позвонка |
| Позвоночник | Острая обработка | седалищный отдел позвоночника |
| Бугорок | Маленький округлый отросток | Бугорок плечевой кости |
| Бугристость | Шероховатая поверхность | Бугристость дельтовидной мышцы |
| Линия | Легкий удлиненный гребень | Височные линии теменных костей |
| Крест | Ридж | Подвздошный гребень |
| Отверстия | Отверстия и углубления | Foramen (отверстия, через которые могут проходить кровеносные сосуды) |
| Ямка | Раковина удлиненная | Нижнечелюстная ямка |
| Ямка | Малая яма | Ямка головы на головке бедра |
| Борозда | Паз | Сигмовидная борозда височных костей |
| Канал | Проход в кости | Слуховой канал |
| Трещина | Прорезание кости | Ушная щель |
| Отверстие | Отверстие в кости | Большое затылочное отверстие в затылочной кости |
| Мясо | Вход в канал | Наружный слуховой проход |
| Синус | Воздушное пространство в кости | Носовые пазухи |
Рисунок 4.Костные особенности. Особенности поверхности костей зависят от их функции, местоположения, прикрепления связок и сухожилий или проникновения кровеносных сосудов и нервов.
Костные клетки и ткани
Кость содержит относительно небольшое количество клеток, закрепленных в матрице коллагеновых волокон, которые обеспечивают поверхность для прикрепления кристаллов неорганической соли. Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются с образованием гидроксиапатита, который включает другие неорганические соли, такие как гидроксид, фторид и сульфат магния, когда он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах.Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, а волокна коллагена придают им гибкость, поэтому они не становятся хрупкими.
Рисунок 5. Костные клетки. В костной ткани обнаружены четыре типа клеток. Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются, и они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.
Хотя костные клетки составляют небольшую часть объема кости, они имеют решающее значение для функционирования костей. В костной ткани обнаружены четыре типа клеток: остеобласты, остеоциты, остеогенные клетки и остеокласты (рис. 5).
Остеобласт . представляет собой костную клетку, отвечающую за формирование новой кости, и находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост. Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция.Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него; в результате он изменяет структуру и становится остеоцитом , первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки. Каждый остеоцит расположен в пространстве, называемом лакуной , и окружен костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов. Как и остеобласты, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичное число = canaliculus ), каналы в костном матриксе.
Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенной клетки . Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью и являются единственными костными клетками, которые делятся. Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.
Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция.Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт . Они находятся на поверхности костей, являются многоядерными и происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов белых кровяных телец, а не из остеогенных клеток. Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. В таблице 2 представлены костные клетки, их функции и расположение.
| Таблица 2. Костные клетки | ||
|---|---|---|
| Тип ячейки | Функция | Расположение |
| Остеогенные клетки | Развивается в остеобласты | Глубокие слои надкостницы и костного мозга |
| Остеобласты | Костеобразование | Растущие части кости, включая надкостницу и эндост |
| Остеоциты | Поддержание концентрации минералов в матрице | В матрице |
| Остеокласты | Костная резорбция | Поверхности костей и участки старой, поврежденной или ненужной кости |
Компактная губчатая кость
Различия между компактной и губчатой костью лучше всего изучать с помощью их гистологии.Большинство костей содержат плотную и губчатую костную ткань, но их распределение и концентрация зависят от общей функции кости. Компактная кость плотная, поэтому она может выдерживать сжимающие усилия, в то время как губчатая (губчатая) кость имеет открытые пространства и поддерживает сдвиги в распределении веса.
Компактная кость
Компактная кость — более плотная и прочная из двух типов костной ткани (Рисунок 6). Его можно найти под надкостницей и в диафизах длинных костей, где он обеспечивает поддержку и защиту.
Рисунок 6. Схема компактной кости. (a) На этом разрезе компактной кости показана основная структурная единица — остеон. (b) На этой микрофотографии остеона вы можете ясно видеть концентрические пластинки и центральные каналы. LM × 40. (Микрофотография предоставлена Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)
Микроскопическая структурная единица компактной кости называется остеоном , или гаверсовской системой. Каждый остеон состоит из концентрических колец кальцифицированного матрикса, называемого ламелями (единичное число = ламелла).По центру каждого остеона проходит центральный канал , или гаверсовский канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы ответвляются под прямым углом через перфорирующий канал , также известный как каналы Фолькмана, до надкостницы и эндоста.
Остеоциты расположены внутри пространств, называемых лакунами (единичное число = лакуны), на границах соседних ламелл. Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном итоге, с центральным каналом.Эта система позволяет транспортировать питательные вещества к остеоцитам и удалять из них отходы.
Губчатая (губчатая) кость
Как и компактная кость, губчатая кость , также известная как губчатая кость, содержит остеоциты, расположенные в лакунах, но они не расположены концентрическими кругами. Вместо этого лакуны и остеоциты обнаруживаются в решетчатой сети матричных шипов, называемых трабекулами (единичное число = трабекулы ) (Рисунок 7). Трабекулы могут казаться случайной сетью, но каждая трабекула формируется вдоль линий напряжения, чтобы обеспечить прочность кости.Пространства трабекулярной сети обеспечивают баланс плотной и тяжелой компактной кости, делая кости более легкими, чтобы мышцы могли легче перемещать их. Кроме того, полости в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, в которых происходит кроветворение.
Рис. 7. Схема губчатой кости. Губчатая кость состоит из трабекул, содержащих остеоциты. Красный костный мозг заполняет пустоты в некоторых костях.
Старение и костная система: болезнь Педжета
Болезнь Педжета обычно возникает у взрослых старше 40 лет.Это нарушение процесса ремоделирования кости, которое начинается с гиперактивных остеокластов. Это означает, что резорбируется больше кости, чем откладывается. Остеобласты пытаются компенсировать это, но новая кость, которую они закладывают, является слабой и хрупкой и поэтому склонна к переломам.
Рисунок 8. Болезнь Педжета. Нормальные кости ног относительно прямые, но кости, пораженные болезнью Педжета, пористые и изогнутые.
В то время как некоторые люди с болезнью Педжета не имеют симптомов, другие испытывают боль, переломы костей и деформации костей (рис. 8).Чаще всего поражаются кости таза, черепа, позвоночника и ног. Болезнь Педжета, возникающая в черепе, может вызывать головные боли и потерю слуха.
Что заставляет остеокласты становиться сверхактивными? Ответ до сих пор неизвестен, но наследственные факторы, похоже, играют роль. Некоторые ученые считают, что болезнь Педжета вызвана еще не идентифицированным вирусом.
Болезнь Педжета диагностируется с помощью визуальных исследований и лабораторных тестов. Рентген может показать деформации костей или участки резорбции кости.Также полезно сканирование костей. В этих исследованиях в организм вводят краситель, содержащий радиоактивный ион. Области резорбции кости имеют сродство к ионам, поэтому они будут светиться при сканировании, если ионы абсорбируются. Кроме того, у людей с болезнью Педжета обычно повышен уровень в крови фермента, называемого щелочной фосфатазой.
Бисфосфонаты, препараты, снижающие активность остеокластов, часто используются при лечении болезни Педжета. Однако в небольшом проценте случаев сами бисфосфонаты связаны с повышенным риском переломов, поскольку старая кость, оставшаяся после введения бисфосфонатов, изнашивается и становится хрупкой.Тем не менее, большинство врачей считают, что польза от бисфосфонатов более чем перевешивает риск; медицинский работник должен взвесить преимущества и риски в каждом конкретном случае. Лечение бисфосфонатами может снизить общий риск деформаций или переломов, что, в свою очередь, снижает риск хирургического вмешательства и связанные с ним риски и осложнения.
Кровоснабжение и нервное снабжение
Губчатая кость и костномозговая полость получают питание из артерий, которые проходят через компактную кость.Артерии входят через питательных отверстий (множественное число = отверстий ), небольшие отверстия в диафизе (рис. 9). Остеоциты в губчатой кости питаются кровеносными сосудами надкостницы, которые проникают в губчатую кость, и кровью, циркулирующей в полостях костного мозга. Когда кровь проходит через полости костного мозга, она собирается венами, которые затем выходят из кости через отверстия.
Рис. 9. Диаграмма кровоснабжения и нервного кровоснабжения костей. Кровеносные сосуды и нервы входят в кость через питательное отверстие.
Помимо кровеносных сосудов, нервы проходят по тем же путям в кость, где они, как правило, концентрируются в более метаболически активных областях кости. Нервы ощущают боль, и, похоже, нервы также играют роль в регулировании кровоснабжения и роста костей, следовательно, их концентрация в метаболически активных участках кости.
Вопросы для самопроверки
Пройдите тест ниже, чтобы проверить свое понимание структуры кости:
Классификация и структура костей | Анатомия и физиология
Костная ткань (костная ткань) сильно отличается от других тканей тела.Кость твердая, и многие ее функции зависят от этой характерной твердости. Дальнейшие обсуждения в этой главе покажут, что кость также динамична в том смысле, что ее форма приспосабливается к нагрузкам. В этом разделе сначала исследуется общая анатомия кости, а затем мы перейдем к ее гистологии.
Полная анатомия кости
Структура длинной кости позволяет лучше всего визуализировать все части кости (рис. 6.7). Длинная кость состоит из двух частей: диафиза и эпифиза .Диафиз — это трубчатый стержень, который проходит между проксимальным и дистальным концом кости. Полость в диафизе называется медуллярной полостью , которая заполнена желтым костным мозгом. Стенки диафиза состоят из плотной и твердой компактной кости .
Рисунок 6.7. Анатомия длинной кости Типичная длинная кость показывает общие анатомические характеристики кости.Более широкий участок на каждом конце кости называется эпифизом (множественное число = эпифиз), он заполнен губчатой костью.Красный костный мозг заполняет пустоты в губчатой кости. Каждый эпифиз встречается с диафизом в метафизе, узкой области, которая содержит эпифизарную пластину (пластина роста), слой гиалинового (прозрачного) хряща в растущей кости. Когда кость перестает расти в раннем взрослом возрасте (примерно 18–21 год), хрящ заменяется костной тканью, и эпифизарная пластинка становится эпифизарной линией.
Медуллярная полость имеет нежную мембранную выстилку, называемую эндостом (конец- = «внутри»; осте- = «кость»), где происходит рост, восстановление и ремоделирование кости.Наружная поверхность кости покрыта фиброзной мембраной, которая называется надкостницей (периост — = «вокруг» или «окружает»). Надкостница содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды, питающие компактную кость. Сухожилия и связки также прикрепляются к костям в надкостнице. Надкостница покрывает всю внешнюю поверхность, за исключением тех мест, где эпифизы встречаются с другими костями, образуя суставы (рис. 6.8). В этой области эпифизы покрыты суставным хрящом , тонким слоем хряща, который снижает трение и действует как амортизатор.
Рисунок 6.8. Надкостница и эндост Надкостница образует внешнюю поверхность кости, а эндост выстилает костномозговую полость.Костные клетки и ткани
Кость содержит относительно небольшое количество клеток, закрепленных в матрице коллагеновых волокон, которые обеспечивают поверхность для прикрепления кристаллов неорганической соли. Эти кристаллы соли образуются, когда фосфат кальция и карбонат кальция объединяются с образованием гидроксиапатита, который включает другие неорганические соли, такие как гидроксид, фторид и сульфат магния, когда он кристаллизуется или кальцифицируется на коллагеновых волокнах.Кристаллы гидроксиапатита придают костям твердость и прочность, а волокна коллагена придают им гибкость, поэтому они не становятся хрупкими.
Хотя костные клетки составляют небольшую часть объема кости, они имеют решающее значение для функционирования костей. В костной ткани обнаружены четыре типа клеток: остеобласты, остеоциты, остеогенные клетки и остеокласты (рис. 6.9).
Рисунок 6.9. Костные клетки В костной ткани обнаружены клетки четырех типов.Остеогенные клетки недифференцированы и развиваются в остеобласты. Когда остеобласты попадают в кальцифицированный матрикс, их структура и функция изменяются, и они становятся остеоцитами. Остеокласты развиваются из моноцитов и макрофагов и отличаются по внешнему виду от других костных клеток.Остеобласт — это костная клетка, ответственная за формирование новой кости, которая находится в растущих частях кости, включая надкостницу и эндост.Остеобласты, которые не делятся, не синтезируют и не секретируют коллагеновую матрицу и соли кальция. Когда секретируемый матрикс, окружающий остеобласт, кальцифицируется, остеобласт оказывается в ловушке внутри него; в результате он изменяется по своей структуре и становится остеоцитом , первичной клеткой зрелой кости и наиболее распространенным типом костной клетки. Каждый остеоцит расположен в пространстве, называемом лакуной , и окружен костной тканью. Остеоциты поддерживают минеральную концентрацию матрикса за счет секреции ферментов.Как и остеобласты, остеоциты не обладают митотической активностью. Они могут общаться друг с другом и получать питательные вещества через длинные цитоплазматические отростки, которые проходят через canaliculi (единичное число = canaliculus), каналы в костном матриксе.
Если остеобласты и остеоциты неспособны к митозу, то как они пополняются, когда умирают старые? Ответ кроется в свойствах третьей категории костных клеток — остеогенных клеток . Эти остеогенные клетки недифференцированы с высокой митотической активностью и являются единственными костными клетками, которые делятся.Незрелые остеогенные клетки находятся в глубоких слоях надкостницы и костного мозга. Они дифференцируются и развиваются в остеобласты.
Динамический характер кости означает, что новая ткань постоянно образуется, а старая, поврежденная или ненужная кость растворяется для восстановления или высвобождения кальция. Клеткой, ответственной за резорбцию или разрушение кости, является остеокласт . Они находятся на поверхности костей, являются многоядерными и происходят из моноцитов и макрофагов, двух типов белых кровяных телец, а не из остеогенных клеток.Остеокласты постоянно разрушают старую кость, в то время как остеобласты постоянно образуют новую кость. Постоянный баланс между остеобластами и остеокластами отвечает за постоянное, но тонкое изменение формы кости. В таблице 6.2 представлены костные клетки, их функции и расположение.
| Костные клетки | ||
|---|---|---|
| Тип ячейки | Функция | Расположение |
| Остеогенные клетки | Развивается в остеобласты | Глубокие слои надкостницы и костного мозга |
| Остеобласты | Костеобразование | Растущие части кости, включая надкостницу и эндост |
| Остеоциты | Поддержание концентрации минералов в матрице | В матрице |
| Остеокласты | Костная резорбция | Поверхности костей и участки старой, поврежденной или ненужной кости |
Компактная губчатая кость
Различия между компактной и губчатой костью лучше всего изучать с помощью их гистологии.Большинство костей содержат плотную и губчатую костную ткань, но их распределение и концентрация зависят от общей функции кости. Компактная кость плотная, поэтому она может выдерживать сжимающие усилия, в то время как губчатая (губчатая) кость имеет открытые пространства и поддерживает сдвиги в распределении веса.
Компактная кость
Компактная кость — более плотная и прочная из двух типов костной ткани (рис. 6.10). Его можно найти под надкостницей и в диафизах длинных костей, где он обеспечивает поддержку и защиту.
Рисунок 6.10. Схема компактной кости (a) На этом разрезе компактной кости показана основная структурная единица — остеон. (b) На этой микрофотографии остеона вы можете ясно видеть концентрические пластинки и центральные каналы. LM × 40. (Микрофотография предоставлена Медицинской школой Риджентс Мичиганского университета © 2012)Микроскопическая структурная единица компактной кости называется остеоном , или гаверсовской системой.Каждый остеон состоит из концентрических колец кальцифицированного матрикса, называемого ламелями (единичное число = ламелла). По центру каждого остеона проходит центральный канал , или гаверсовский канал, который содержит кровеносные сосуды, нервы и лимфатические сосуды. Эти сосуды и нервы ответвляются под прямым углом через перфорирующий канал , также известный как каналы Фолькмана, до надкостницы и эндоста.
Остеоциты расположены внутри пространств, называемых лакунами (единичное число = лакуны), на границах соседних ламелл.Как описано ранее, канальцы соединяются с канальцами других лакун и, в конечном итоге, с центральным каналом. Эта система позволяет транспортировать питательные вещества к остеоцитам и удалять из них отходы.
Губчатая (губчатая) кость
Как и компактная кость, губчатая кость , также известная как губчатая кость, содержит остеоциты, расположенные в лакунах, но они не расположены концентрическими кругами. Вместо этого лакуны и остеоциты находятся в решетчатой сети матричных шипов, называемых трабекулами (единичное число = трабекула) (Рисунок 6.11). Трабекулы могут казаться случайной сетью, но каждая трабекула формируется вдоль линий напряжения, чтобы обеспечить прочность кости. Пространства трабекулярной сети обеспечивают баланс плотной и тяжелой компактной кости, делая кости более легкими, чтобы мышцы могли легче перемещать их. Кроме того, полости в некоторых губчатых костях содержат красный костный мозг, защищенный трабекулами, в которых происходит кроветворение.
Рисунок 6.11. Схема губчатой кости Губчатая кость состоит из трабекул, содержащих остеоциты.Красный костный мозг заполняет пустоты в некоторых костях.Интерактивная ссылка
Посмотрите это видео, чтобы увидеть микроскопические особенности кости.
Минеральные и костные расстройства при хронической болезни почек
Что такое нарушение минеральных веществ и костей при хронической болезни почек (ХБП)?
Нарушение минеральных веществ и костей при ХБП возникает, когда поврежденные почки и аномальный уровень гормонов приводят к нарушению баланса уровней кальция и фосфора в крови человека. Нарушения минеральных веществ и костей обычно возникают у людей с ХБП и затрагивают большинство людей с почечной недостаточностью, получающих диализ.
В прошлом медицинские работники использовали термин «почечная остеодистрофия» для описания нарушений минеральных и гормонов, вызванных заболеванием почек. Сегодня почечная остеодистрофия описывает только проблемы с костями, которые возникают в результате минеральных и костных нарушений при ХБП. Медицинские работники могут использовать фразу «хроническое заболевание почек, минеральное и костное расстройство» или CKD-MBD, чтобы описать состояние, которое влияет на кости, сердце и кровеносные сосуды.
Что такое хроническая болезнь почек?
Хроническая болезнь почек — это поражение почек, которое медленно развивается в течение многих лет, часто из-за диабета или высокого кровяного давления.После повреждения почки не могут фильтровать кровь должным образом. Это повреждение может привести к накоплению в организме шлаков и другим проблемам, которые могут нанести вред здоровью человека, включая нарушение минеральных веществ и костей.
Почему так важны гормоны и минералы?
Гормоны и минералы важны, потому что они помогают костям оставаться крепкими. Если у человека нарушен баланс гормонов и минералов, его или ее кости могут стать слабыми и деформироваться. Здоровые кости непрерывно восстанавливаются, иногда приобретая слегка измененную форму или структуру.Для роста и восстановления костей нужно
- гормон кальцитриол — активная форма витамина D
- кальций
- фосфор
- гормон паращитовидной железы
Почки играют важную роль в поддержании здоровой костной массы и структуры, балансируя уровни фосфора и кальция в крови. Здоровые почки активируют форму витамина D, которую человек потребляет с пищей, превращая ее в кальцитриол, активную форму витамина. Кальцитриол помогает почкам поддерживать уровень кальция в крови и способствует образованию костей.
Почки также удаляют лишний фосфор, помогая сбалансировать уровни фосфора и кальция в крови. Поддержание должного уровня фосфора в крови помогает поддерживать прочность костей.
Паращитовидные железы, четыре железы размером с горошину на шее, вырабатывают паратироидный гормон, или ПТГ. Гормон паращитовидной железы играет важную роль в контроле уровня кальция в крови. Когда почки не функционируют должным образом, в кровь выделяется дополнительный гормон паращитовидной железы, который перемещает кальций из костей в кровь.
Что вызывает нарушение минеральных веществ и костей при хронической болезни почек?
Хроническая болезнь почек вызывает нарушение минерального и костного баланса, потому что почки не балансируют должным образом уровни минералов в организме. Почки
- перестает активировать кальцитриол. Низкий уровень кальцитриола в организме создает дисбаланс кальция в крови.
- не удаляет фосфор из крови должным образом, поэтому уровень фосфора в крови повышается. Дополнительный фосфор вытягивает кальций из костей, вызывая их ослабление.
Другой фактор способствует нарушению минералов и костей. Когда почки повреждены, паращитовидная железа выделяет паратироидный гормон в кровь, чтобы вывести кальций из костей и повысить уровень кальция в крови. Этот ответ восстанавливает баланс фосфора и кальция; однако он также лишает кости столь необходимого кальция.
Каковы признаки и симптомы нарушения минеральных веществ и костей при хронической болезни почек?
У взрослых симптомы нарушения минеральных веществ и костей при ХБП могут не проявляться до тех пор, пока изменения костей не произойдут в течение многих лет.По этой причине люди часто называют болезнь «тихим калеками». В конце концов, человек с этим заболеванием может начать чувствовать боль в костях и суставах.
Минеральные и костные расстройства у детей с хронической болезнью почек
Минеральные и костные нарушения при ХБП наиболее серьезны, когда они возникают у детей, потому что их кости все еще развиваются и растут. У растущих детей могут проявляться симптомы нарушения минеральных веществ и костей даже на ранних стадиях ХБП. Замедленный рост костей приводит к низкому росту, который может оставаться у ребенка в зрелом возрасте.Одна деформация, вызванная нарушением минералов и костей при ХЗП, возникает, когда ноги сгибаются внутрь или наружу, состояние, часто называемое «почечным рахитом». Более подробная информация представлена в разделе о здоровье NIDDK «Нарушение роста у детей с заболеваниями почек». Дополнительную информацию о здоровье костей у детей можно найти на веб-сайте Юнис Кеннеди Шрайвер Национального института здоровья детей и развития человека по адресу www.nichd.nih.gov.
Каковы осложнения нарушения минеральных веществ и костей при хронической болезни почек?
Осложнения минеральных и костных нарушений при ХБП включают замедленный рост и деформации костей, а также проблемы с сердцем и кровеносными сосудами.
Замедление роста и деформации костей
Поврежденные почки должны усерднее работать, чтобы вывести фосфор из организма. Высокий уровень фосфора вызывает снижение уровня кальция в крови, что приводит к следующей серии событий:
- Когда уровень кальция в крови человека становится слишком низким, паращитовидные железы выделяют паращитовидный гормон.
- Гормон паращитовидной железы удаляет кальций из костей и помещает его в кровь, повышая уровень кальция в крови человека с риском повреждения костей.
- Низкий уровень кальцитриола также приводит к повышению уровня паратироидного гормона.
Если минеральные и костные нарушения при ХБП остаются без лечения у взрослых, кости постепенно становятся тонкими и слабыми, и человек с этим заболеванием может начать чувствовать боль в костях и суставах. Нарушение минералов и костей при ХБП также увеличивает риск переломов костей.
Проблемы с сердцем и кровеносными сосудами
Помимо повреждения костей, нарушение минеральных веществ и костей при ХБП может вызывать проблемы с сердцем и кровеносными сосудами:
- Высокий уровень кальция в крови может повредить кровеносные сосуды и вызвать проблемы с сердцем.
- Высокий уровень фосфора также может привести к тому, что кровеносные сосуды станут похожи на кости, что приведет к затвердению артерий.
- Высокий уровень фосфора также вызывает нарушение гормональной регуляции, даже если уровень кальция является приемлемым.
Гормон паращитовидной железы и другой гормон, вырабатываемый в костях, называемый FGF23, также могут влиять на здоровье костей и сердца, что приводит к следующей серии проблем:
- Когда уровень паратиреоидного гормона или FGF23 высок, у человека могут быть проблемы с сердцем.
- Сложные гормональные нарушения, вызывающие деформацию костей, также могут нанести вред сердцу и кровеносным сосудам человека.
Как диагностируется нарушение минеральных веществ и костей при хронической болезни почек?
Поставщик медицинских услуг диагностирует минеральные и костные нарушения при ХБП с помощью
- Семья и история болезни
- медицинский осмотр
- анализ крови
- биопсия кости
- рентгеновский снимок
Семейный и медицинский анамнез
Изучение медицинского и семейного анамнеза — одна из первых вещей, которые врач может сделать для диагностики минерального и костного расстройства при ХБП.Он или она задаст пациенту или опекуну вопросы о том, когда пациенту впервые был поставлен диагноз ХБП, и были ли у кого-либо из членов семьи также минеральные и костные нарушения с или без ХБП.
Физический осмотр
Медицинский осмотр может помочь диагностировать минеральные и костные нарушения при ХБП. Во время медицинского осмотра врач обычно осматривает тело пациента на предмет изменений в структуре костей.
Анализ крови
Анализ крови включает забор крови в офисе поставщика медицинских услуг или в коммерческом учреждении и отправку образца в лабораторию для анализа.Анализ крови показывает уровни кальция, фосфора, паратиреоидного гормона, а иногда и витамина D.
Биопсия кости
Биопсия кости — это процедура, при которой кусок костной ткани удаляется для исследования под микроскопом. Врач выполняет биопсию в больнице с легкой седацией и местной анестезией. Поставщик медицинских услуг использует методы визуализации, такие как ультразвук или компьютерная томография, чтобы ввести иглу для биопсии в бедренную кость. Патолог — врач, специализирующийся на диагностике заболеваний — исследует костную ткань в лаборатории.Тест может показать, строят ли костные клетки человека нормальную кость.
Рентген
Рентгеновский снимок — это изображение, созданное с помощью излучения и записанное на пленку или на компьютере. Количество используемого излучения невелико. Рентгенолог выполняет рентген в больнице или амбулаторном центре, а радиолог — врач, специализирующийся на медицинской визуализации — интерпретирует изображения. Пациентам не требуется анестезия. Во время рентгена пациент будет лежать на столе или стоять. Техник разместит рентгеновский аппарат над областью кости.Пациент будет задерживать дыхание, пока рентгеновский аппарат делает снимок, чтобы изображение не было расплывчатым. Рентгенолог может попросить пациента изменить положение для дополнительных снимков. Рентген может показать избыток кальция в кровеносных сосудах.
Каждый из этих тестов может помочь врачу определить, является ли ХБП или какое-либо другое заболевание причиной нарушения минеральных веществ и костей, и выбрать курс лечения.
Как лечится заболевание минералов и костей при хронической болезни почек?
Лечение минеральных и костных нарушений при ХЗП включает предотвращение повреждения костей путем контроля уровня паратироидного гормона путем изменения режима питания, диеты и питания; лекарства и добавки; и диализ.Если эти методы лечения не позволяют контролировать уровень паратироидного гормона, врач может удалить паращитовидные железы человека хирургическим путем. Эта процедура называется паратиреоидэктомией.
Питание, диета и питание
Изменения в диете могут лечить минеральные и костные расстройства при ХБП. Снижение потребления фосфора с пищей — один из наиболее важных шагов в предотвращении заболеваний костей. Большинство продуктов содержат фосфор; однако обработанные и упакованные продукты содержат особенно высокий уровень фосфора.Производители продуктов питания используют фосфор в качестве добавки для сохранения продуктов на полках. Людям, которые больны ХБП или находятся на диализе, следует избегать упакованных продуктов, содержащих ингредиенты с буквами PHOS. Почечный диетолог может помочь разработать план питания для контроля уровня фосфора в крови. Некоторые напитки и натуральные продукты также содержат большое количество фосфора, в том числе
- пиво
- сыр
- какао
- темные газированные напитки
- фасоль сушеная
- молоко
- гайки
- арахисовое масло
- горох
Дополнительная информация представлена в разделах NIDDK, посвященных здоровью, Как читать этикетку на продукте: Советы для людей с хроническим заболеванием почек и фосфором: Советы для людей с хроническим заболеванием почек.
Лекарства и добавки
Лекарства защищают кости, восстанавливая правильный баланс минералов и гормонов. Если почки не вырабатывают достаточное количество кальцитриола, врач может прописать синтетический кальцитриол в виде таблеток (Рокалтрол) или, для пациентов, находящихся на диализе, в форме инъекций (Calcijex). Кальцитриол помогает снизить уровень паратиреоидного гормона. Лекарства, называемые доксеркальциферол (гекторол) и парикальцитол (земплар), действуют как кальцитриол, потому что они также являются активированными формами витамина D.Врач может назначить добавку кальция в дополнение к кальцитриолу или другой активированной форме витамина D.
Определенные формы витамина D, доступные по рецепту или без рецепта витаминных добавок, требуют активации почек человека, прежде чем они смогут действовать как кальцитриол. Однако преимущества некоторых из этих еще не активированных форм витамина D, например эргокальциферола (кальциферол, дрисдол) или холекальциферола (дельта D3), неясны. Чтобы обеспечить скоординированный и безопасный уход, люди должны обсудить со своим врачом использование альтернативных лекарств, включая использование витаминов и минеральных добавок.
Цинакальцета гидрохлорид (сенсипар) относится к другому классу рецептурных препаратов, называемых кальцимиметиками. Цинакальцет снижает уровень паратироидного гормона, имитируя действие кальция на паращитовидную железу. Как правило, это лекарство используется только людьми, находящимися на диализе.
Часто медицинские работники прописывают лекарства, называемые фосфатсвязывающими, например карбонат кальция (Tums), ацетат кальция (PhosLo), карбонат севеламера (Renvela) или карбонат лантана (Fosrenol), которые нужно принимать во время еды и перекусов, чтобы связывать фосфор в кишечник.Эти лекарства уменьшают всасывание фосфора в кровь.
Диализ
Диализ — это процесс фильтрации шлаков и лишней жидкости из организма не через почки. Двумя формами диализа являются гемодиализ и перитонеальный диализ:
- Гемодиализ — это аппарат для циркуляции крови человека через фильтр за пределами тела. Кровь выходит из тела пациента через иглу со скоростью около 1 пинты в минуту. Затем кровь проходит по трубке, которая попадает в фильтр, называемый диализатором.Внутри диализатора кровь течет через тонкие волокна, которые отфильтровывают отходы и лишнюю жидкость. После того, как машина фильтрует кровь, она возвращается в организм через другую трубку. Более подробная информация представлена в разделе о здоровье NIDDK Методы лечения почечной недостаточности: гемодиализ.
- Перитонеальный диализ использует подкладку брюшной полости для фильтрации крови человека внутри тела. Мягкая трубка, называемая катетером, помещается в брюшную полость пациента за несколько недель до начала перитонеального диализа.Человек использует катетер, чтобы заполнить пустое пространство внутри живота диализным раствором — разновидностью соленой воды — из полиэтиленового пакета. Находясь внутри тела, диализный раствор поглощает отходы и лишнюю жидкость. Через несколько часов человек сливает использованный диализный раствор в другой мешок для утилизации. Затем человек возобновляет процесс со свежим пакетом диализного раствора. Более подробная информация представлена в разделе о здоровье NIDDK Методы лечения почечной недостаточности: перитонеальный диализ.
Увеличение дозы диализа может помочь контролировать уровень фосфора в крови.При гемодиализе врач может регулировать дозу, увеличивая скорость кровотока к диализатору и от него. Другой способ изменить дозу — увеличить продолжительность сеанса диализа или количество сеансов. При перитонеальном диализе использование большего количества диализного раствора при каждом наполнении или увеличение количества наполнений каждый день увеличивает дозу. Более подробная информация представлена в разделах о здоровье NIDDK:
Паратиреоидэктомия
Если диета, лекарства и диализ не могут контролировать уровень паратироидного гормона, хирург может удалить одну или несколько паращитовидных желез.Он или она выполняет процедуру под общим наркозом.
Хорошая программа лечения, включающая диету с низким содержанием фосфора, соответствующие лекарства, адекватный диализ и, при необходимости, хирургическое вмешательство, может улучшить способность организма восстанавливать кости, поврежденные минеральными и костными нарушениями при ХБП. В целом, люди могут улучшить состояние своих костей, занимаясь спортом и не куря. Перед началом любой программы упражнений людям следует проконсультироваться с врачом.
Что следует помнить
- Нарушение минералов и костей при хронической болезни почек (ХБП) возникает, когда поврежденные почки и аномальный уровень гормонов приводят к нарушению баланса уровней кальция и фосфора в крови человека.Нарушения минеральных веществ и костей обычно возникают у людей с ХБП и затрагивают большинство людей с почечной недостаточностью, получающих диализ.
- Хроническая болезнь почек — это поражение почек, которое медленно развивается в течение многих лет, часто из-за диабета или высокого кровяного давления. После повреждения почки не могут фильтровать кровь должным образом.
- Гормоны и минералы важны, потому что они помогают костям оставаться крепкими. Если у человека нарушен баланс гормонов и минералов, его или ее кости могут стать слабыми и деформироваться.
- Гормон паращитовидной железы играет важную роль в контроле уровня кальция в крови. Когда почки не функционируют должным образом, в кровь выделяется дополнительный гормон паращитовидной железы, который перемещает кальций из костей в кровь.
- Хроническая болезнь почек приводит к нарушению минерального баланса и костей, потому что почки не сбалансированы должным образом минеральными веществами в организме. Почки перестают активировать кальцитриол и не выводят фосфор из крови должным образом.
- Осложнения минеральных и костных нарушений при ХБП включают замедленный рост и деформации костей, а также проблемы с сердцем и кровеносными сосудами.
- Лечение минеральных и костных нарушений при ХБП включает предотвращение повреждения костей путем контроля уровня паратироидного гормона путем изменения режима питания, диеты и питания; лекарства и добавки; и диализ.
- Снижение потребления фосфора с пищей — один из наиболее важных шагов в предотвращении заболеваний костей.
- Если диета, лекарства и диализ не могут контролировать уровень паратироидного гормона, хирург может удалить одну или несколько паращитовидных желез.
Клинические испытания
Национальный институт диабета, болезней органов пищеварения и почек (NIDDK) и другие подразделения Национального института здоровья (NIH) проводят и поддерживают исследования многих заболеваний и состояний.
Что такое клинические испытания и подходят ли они вам?
Клинические испытания являются частью клинических исследований и лежат в основе всех достижений медицины. Клинические испытания ищут новые способы предотвращения, обнаружения или лечения заболеваний. Исследователи также используют клинические испытания для изучения других аспектов лечения, таких как улучшение качества жизни людей с хроническими заболеваниями.Узнайте, подходят ли вам клинические испытания.
Какие клинические испытания открыты?
Клинические испытания, которые в настоящее время открыты и набираются, можно просмотреть на сайте www.ClinicalTrials.gov.
Эта информация может содержать информацию о лекарствах и, если они принимаются в соответствии с предписаниями, об условиях, которые они лечат. При подготовке этот контент включал самую свежую доступную информацию. Для получения обновлений или вопросов о любых лекарствах свяжитесь с Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США по бесплатному телефону 1-888-INFO-FDA (1-888-463-6332) или посетите сайт www.fda.gov. Проконсультируйтесь с вашим врачом для получения дополнительной информации.
Правительство США не поддерживает и не поддерживает какой-либо конкретный коммерческий продукт или компанию. Торговые, фирменные наименования или названия компаний, фигурирующие в этом документе, используются только потому, что они считаются необходимыми в контексте предоставленной информации. Если продукт не упоминается, упущение не означает и не подразумевает, что продукт является неудовлетворительным.
Серия о почечной недостаточности
Вы и ваш врач будете работать вместе, чтобы выбрать наиболее подходящее для вас лечение.Публикации серии NIDDK «Почечная недостаточность» могут помочь вам узнать о конкретных проблемах, с которыми вы столкнетесь.
Буклеты
Информационные бюллетени
Как можно больше узнать о своем лечении, вы сможете стать важным членом вашей медицинской бригады.
Характеристики мышц и сухожилий — Классическая анатомия человека в движении: Руководство художника по динамике рисунка
Классическая анатомия человека в движении: Руководство художника по динамике рисования фигуры
Глава 3.Характеристики мышц и сухожилий
В этой главе мы представляем основные черты скелетных мышц, их положение в теле, то, как они прикрепляются к костям и как они маневрируют суставами при сокращении. Мы также посмотрим, как мышцы меняют форму при разных движениях. Также представлены сухожилия с акцентом на их характеристики и то, как они влияют на форму поверхности. Эта основная информация будет подробно рассмотрена в следующих главах, посвященных мышечным группам различных областей тела.
Мышцы вместе с подкожным слоем жировой (жировой) ткани определяют общую форму фигуры, «уточняя» ее структуру и придавая телу сущность и характер. Одна из многих проблем при рисовании фигуры — изобразить формы поверхности, меняющиеся в разных позах. Понимание базового расположения мышц и того, как они растягиваются и сжимаются различными движениями, даст вам, как художнику, преимущество в знании того, что происходит под кожей (и как это) влияет на то, что вы видите на поверхности.
Художники-фигуристы с прошлых веков до наших дней знали ценность изучения мускульной системы человека. Когда вы смотрите на фигуративные работы художников и скульпторов, таких как Микеланджело, Артемезия Джентилески, Огюст Роден, Питер Пауль Рубенс и других, становится очевидным, что эти художники хорошо знали анатомические формы и использовали эту информацию для своего художественного видения. Их знания анатомии никогда не превосходили их личный стиль или эстетику — они только улучшали их работу.Таким образом, изучение мышечной системы открывает творческие возможности для множества возможных художественных вариантов, будь то стремление к анатомическому реализму, преувеличение телесных форм для создания интересной визуальной динамики или исследование более выразительной интерпретации человеческой формы.
Давайте начнем с рассмотрения всей мышечной системы. На следующих рисунках показаны мужские и женские фигуры как спереди, так и сзади.
МЫШЦЫ МУЖСКОЙ ФИГУРЫ — ВИД СПЕРЕДИ
МЫШЦЫ МУЖСКОЙ ФИГУРЫ — АППАРАТНЫЙ ВИД
МЫШЦЫ ЖЕНСКОЙ ФИГУРЫ — ВИД СПЕРЕДИ
МЫШЦЫ ЖЕНСКОЙ ФИГУРЫ — АППАРАТНЫЙ ВИД
Мышцы расположены внутри тела в двух основных слоях: поверхностный мышечный слой (также известный как externus или superficialis ) и глубокий мышечный слой (также называемый internus или profundus ).Многие художники-фигурасты знакомятся с поверхностным слоем при изучении основных анатомических форм тела. За редким исключением, например, с крестцово-спинной мышцей спины, мышцы глубокого слоя не влияют на поверхностные формы и обычно не видны. В некоторых книгах по анатомии упоминается средний слой, называемый промежуточным слоем , , расположенный в нижней части руки, стопы и туловища.
Один из способов познакомиться с мышцами — по возможности разделить их на группы.Помимо идентификации по слою, к которому они принадлежат, мышцы можно сгруппировать по ряду других способов, включая следующие:
· По их функции или действию (например, группа сгибателей, группа разгибателей, группа приводящих мышц)
· По их расположению в теле или по отношению к другим анатомическим формам (например, ягодичная группа, брюшная группа, грудная группа, группа лопаток, лучевая группа, тенарная группа, малоберцовая группа)
· По отсекам, потому что мышцы разделены на разные отсеки глубокой фасцией, называемой межмышечной перегородкой (e.г., передний отсек, задний отсек, медиальный отсек)
· По разговорным (общеупотребительным) названиям (например, группа большого пальца, группа внутренней поверхности бедра, группа верхней части бедра, группа подколенного сухожилия)
Некоторые мышцы, например портняжная мышца верхней части ноги, не относятся ни к одной из этих категорий. Эти мышцы помогают в различных движениях, оставаясь независимыми от какой-либо группы.
Скелетные мышцы
Помимо указанных выше групп, мышцы подразделяются на три основных типа: сердечная мышца, (относящаяся к сердцу), гладкая мускулатура, (обычно связанные с трубчатыми структурами тела, такими как артерии, толстая кишка, и бронхи, а также радужная оболочка глаза) и скелетных мышц. Как следует из названия, скелетные мышцы прикрепляются к костям. Именно скелетные мышцы больше всего интересуют художников, потому что они играют важную роль в создании движений тела и потому, что их формы часто легко увидеть под поверхностью тела.
Основная функция скелетных мышц — укорачивать или сокращать их общую форму для движения. Чтобы лучше понять, как они это делают, нам нужно изучить основную внутреннюю структуру мышц. Мышцы состоят из серии удлиненных мышечных волокон (мышечных клеток), которые сгруппированы вместе в пучков мышечных волокон, или пучков. Несмотря на то, что мышечные волокна параллельны друг другу, они могут быть короткими, длинными, круглыми, веерообразными или наклонно расположенными на сухожилиях.
АРХИТЕКТУРА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ
Расположение мышечных волокон
Архитектура мышц
Различная длина мышечных волокон влияет на работу мышц: более длинные мышечные волокна обеспечивают больший диапазон движений, в то время как более короткие волокна генерируют больше энергии при движении. Архитектура мышц — это термин, обычно применяемый для обозначения расположения мышечных волокон.Существует несколько классификаций мышечной архитектуры: параллельная, перистая, конвергентная / треугольная, круговая, спиральная, и двояковыпуклая. Дополнительная информация о каждой категории, включая примеры мышц, принадлежащих каждой, представлена в следующей таблице.
Внутренняя структура мышц
Внутри каждого отдельного мышечного волокна есть удлиненные стержневидные нити, называемые миофибриллами , , которые проходят параллельно друг другу и простираются на всю длину мышечного волокна.Миофибриллы, в свою очередь, содержат серию более мелких единиц, называемых саркомерами , , которые расположены встык внутри всей миофибриллы. А внутри каждого саркомера есть микроскопические нити, называемые миофиламентами . Миофиламенты состоят из сократительных белков двух разных типов — миозина , и актина , и специализируются на сокращении.
Сокращение можно объяснить несколько упрощенно следующим образом: когда единицы саркомера получают сигнал (электрический импульс) от центральной нервной системы, актиновые и миозиновые нити скользят друг по другу, действие, называемое механизмом скольжения нитей . / теория. Это создает динамическую силу, необходимую для сокращения мышцы. Когда мышца сокращается, ее волокна укорачиваются к центру мышцы. Это называется линией тяги , тяговым усилием или , , и когда к мышечным соединениям на костях прилагается достаточное тянущее усилие, оно поднимает или тянет кости, создавая движение.
Прикрепления мышц (сухожилия)
В большинстве случаев мышца прикрепляется к двум разным костям (хотя иногда и к нескольким), создавая движение, называемое совместным действием , в суставе между костями при сокращении.Места, где прикрепляется мышца, называются участками начала и прикрепления, и эти начальная и конечная точки обычно находятся на разных костях, потому что, если бы они были на одной и той же кости, мышца просто зафиксировалась бы на месте при попытке сокращения. Из этого правила есть исключения, особенно в отношении мышц лица, но мы рассмотрим их отдельно.
Мышцы не , а прикрепляются непосредственно к костям; скорее, прикрепления осуществляются через волокнистые соединительные ткани, называемые мышечными сухожилиями. Сухожилие в месте происхождения мышцы называется сухожилием происхождения, или фиксированным прикреплением, , потому что кость, к которой оно прикрепляется, остается более или менее неподвижной или фиксированной во время движения. Сухожилие в месте прикрепления мышцы называется сухожилием прикрепления , подвижным прикреплением или , , поскольку оно соединяется с костью, которая движется при сокращении мышцы. На следующем рисунке изображена портняжная мышца верхней части ноги, показано исходное сухожилие на верхнем конце мышцы и сухожилие прикрепления на нижнем конце.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ВСТАВЛЕНИЕ МЫШЦ
Верхняя часть правой ноги, вид спереди
Однако паттерны прикрепления скелетных мышц несколько различаются: одни имеют несколько источников и одно прикрепление, тогда как другие имеют одно начало и несколько прикреплений. В некоторых случаях трудно решить, какое прикрепление является фиксированным, а какое — подвижным, потому что мышцы меняют роли во время различных движений. Поэтому некоторые анатомы отказались от терминов происхождение, и вставка, заменив их проксимальным прикреплением , и дистальным прикреплением , , которые идентифицируют прикрепления в соответствии с их размещением на теле, а не их ролью в движении.В этой книге, однако, я следую традиционной практике, называя прикрепления мышц началом и местом прикрепления.
ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ МЫШЦ
Сколько вы хотите узнать о прикреплении мышц, зависит от вас, но эти знания могут быть полезны для художника. Медицинским иллюстраторам и судебным специалистам, конечно же, необходимо знать расположение насадок для поверхностных и глубоких слоев мышц, но любой художник, чьей целью является создание реалистичных (в отличие от стилизованных) фигур, рисует по памяти или работает с фигурами. Движение также сочтет эту информацию полезной, потому что без этой осведомленности мышечные формы могут казаться неточными или, возможно, искаженными.Когда определенные сухожилия становятся выступающими, тогда довольно точное описание того, как эти сухожилия соединяются с костью, имеет важное значение для общей динамики этой конкретной области тела. Примером может служить сухожилие прикрепления грудино-ключично-сосцевидной мышцы (грудинная часть), когда оно входит в верхнюю часть грудины; это сухожилие довольно сильно выступает при повороте головы. Если сухожилие ошибочно расположено в неправильном месте, эта часть фигуры может выглядеть необычно.
Любое изображение прикрепления мускулов, включая представленные здесь, следует использовать в качестве приблизительного эталона .Человеческие существа разнообразны физически, и анатомы в ходе многих вскрытий обнаружили, что есть небольшие различия в расположении прикрепления мышц. Таким образом, художники-фигуристы должны приблизительно знать, где прикрепляются два (или более) конца мышцы, а не беспокоиться о точном их расположении.
Как я уже упоминал ранее, большинство лицевых мышц работают не так, как скелетные мышцы остального тела. За исключением мышц, контролирующих нижнюю челюсть (нижнюю челюсть), лицевые мышцы не перемещают кости, когда их волокна сокращаются, потому что, помимо нижней челюсти, череп состоит из сросшихся костей.Вместо этого они перемещают формы мягких тканей, создавая мимику. Сходства и различия прикрепления скелетных и лицевых мышц суммированы в следующей таблице.
Прикрепления скелетных мышц и лицевых мышц | |
СКЕЛЕТНЫЕ МЫШЦЫ | МЫШЦЫ ЛИЦА |
Происхождение: Мышца прикрепляется к кости с помощью сухожилия. | Происхождение: Мышца прикрепляется к кости с помощью сухожилия. |
Вставка: Одна и та же мышца прикрепляется к другой кости с помощью другого сухожилия . | Вставка: Та же мышца прикрепляется к структуре мягких тканей , такой как кожа, фасция, подкожная ткань или другая лицевая мышца. |
Действие: Когда мышца сокращается, вторая кость движется. | Действие: Когда мышца сокращается, область мягких тканей перемещается, возможно, вызывая движение лица. |
Ориентиры на сухожилия
Сухожилия бывают разных форм, в том числе шнуровидной формы, плоских широких влагалищ и тонких плоских полос. Хотя подкожный слой жировой ткани скрывает многие сухожилия, некоторые из них имеют форму удлиненных шнуров, которые иногда появляются на поверхности.Обычно это происходит, когда мышца сухожилия сокращается, притягивая сухожилие близко к коже. Обозначение этих сухожилий в фигурах может создать ощущение динамического напряжения, но хитрость заключается в том, чтобы не делать сухожилия слишком очевидными. Например, при изображении серии сухожилий, таких как те, что появляются на тыльной (тыльной) стороне руки, относитесь к каждому немного по-разному: одно или два могут быть выступающими, другие — слегка предполагаемыми; в противном случае они могут выглядеть как жесткие пряди спагетти, наклеенные на руку.
Шнуровидные фиброзные структуры обычно известны как сухожилия, но широкие плоские оболочки из фиброзного материала идентифицируются как апоневрозы (сингулярность, апоневроз ). Эти более широкие листы, которые покрывают большие области для прикрепления мышц, можно увидеть, например, в широчайших мышцах спины и внешних косых мышцах туловища и брюшной полости. На следующих трех рисунках, озаглавленных Сухожилия и апоневрозы — ориентиры формы поверхности, изображены передняя часть туловища и руки, задняя часть туловища и руки, а также три вида ног, показывающие основные положения сухожилий основных поверхностных мышц.Также показаны ключевые костные ориентиры и характеристики формы треугольной поверхности.
ТЕНДОНЫ И АПОНЕВРОЗЫ — ЗНАКИ ПОВЕРХНОСТИ ФОРМЫ
Туловище и руки, вид спереди
ОРАНЖЕВЫЙ: Сухожилия и апоневрозы
ЗЕЛЕНЫЙ: Треугольные углубления и выступы на поверхности образуют
.ЖЕЛТЫЙ: Костяные ориентиры
ТЕНДОНЫ И АПОНЕВРОЗЫ — ЗНАКИ ПОВЕРХНОСТИ ФОРМЫ
Туловище и руки, вид сзади
ОРАНЖЕВЫЙ: Сухожилия и апоневрозы
ЗЕЛЕНЫЙ: Треугольные углубления и выступы на поверхности образуют
.ЖЕЛТЫЙ: Костяные ориентиры
ТЕНДОНЫ И АПОНЕВРОЗЫ — ЗНАКИ ПОВЕРХНОСТИ ФОРМЫ
Верх и голень, три вида
ОРАНЖЕВЫЙ: Сухожилия и апоневрозы
ЗЕЛЕНЫЙ: Треугольные углубления и выступы на поверхности образуют
.ЖЕЛТЫЙ: Костяные ориентиры
Сухожилия грудино-ключично-сосцевидной мышцы шеи
Сухожилия каждой из грудинных частей грудино-ключично-сосцевидной мышцы (SCM) прикрепляются к рукоятке грудины.Между ними находится надгрудинная вырезка (ямка шеи). Когда голова поворачивается боком во вращательном движении, одно из сухожилий становится довольно заметным на поверхности, что можно увидеть в следующем портретном исследовании.
ПОРТРЕТ КЛАУДИО С ПОВОРОТНОЙ ГОЛОВКОЙ
Тонированная бумага, сангина, коричневые пастельные карандаши, белый мел.
Сухожилия тыльной стороны кисти
Четыре сухожилия разгибателя пальцев предплечья входят в четыре пальца.Их легче всего увидеть на поверхности, если с силой развести пальцы. Поскольку кожа на тыльной стороне руки очень тонкая, эти сухожилия иногда появляются, хотя и незаметно, когда рука более расслаблена, в зависимости от положения руки и того, как ее освещает источник света. Опять же, при рисовании сухожилия не выделяйте обе стороны сухожилия жирными темными линиями, так как это придаст сухожилию плоский вид. Одна сторона должна быть подчеркнута мягкой тональной линией, в то время как другая сторона должна быть обозначена более светлым оттенком (или белым мелом, если рисунок на тонированной поверхности бумаги), чтобы добиться более естественного, органичного вида, как в следующем исследовании жизни.Если есть напряжение в сухожилиях, то обязательно подчеркните их, но будьте осторожны, чтобы не переборщить.
ИЗУЧЕНИЕ РУКИ, ПОКАЗЫВАЮЩИЕ СУЩЕСТВУЮЩИЕ СУЛЬТЫ
Тонированная бумага, сангина и коричневые пастельные карандаши, уголь и белый мел.
Сухожилия переднего отдела предплечья
Сухожилия различных мышц-сгибателей предплечья обычно видны на поверхности, когда рука сжимается в кулак, как показано в следующем исследовании жизни.Когда рука расслабляется, становится труднее обнаружить сухожилия.
ИЗУЧЕНИЕ ПЛОТНО СЖАТЫХ КУЛАК
Тонированная бумага, сангина и коричневые пастельные карандаши, уголь и белый мел.
Сухожилия мышц подколенного сухожилия
Сухожилия мышц задней поверхности бедра прикрепляются с обеих сторон от подколенной ямки, расположенной на тыльной стороне колена. Когда колено сгибается, эти сухожилия становятся более заметными на поверхности, что можно увидеть на согнутой левой ноге в следующем исследовании жизни.Особенно выделяется сухожилие двуглавой мышцы бедра. Эта мышца расположена на внешней стороне бедра, а ее сухожилие прикрепляется к головке малоберцовой кости, которая расположена на внешней стороне голени.
ИЗУЧЕНИЕ ЗАДНЕЙ НОГИ
Угольный карандаш, сангина и коричневый пастельные карандаши, белый мел на тонированной бумаге.
Ахиллово сухожилие
Ахиллово сухожилие — названное в честь воина греческой мифологии, убитого стрелой, попавшей ему в пятку, — это сухожилие икроножных и камбаловидных мышц голени.Он вставляется в пяточную кость (пяточную кость) и на поверхности выглядит, иногда довольно заметно, в виде толстой, похожей на веревку структуры. Ахилловы сухожилия отчетливо видны в следующем исследовании жизни.
ИССЛЕДОВАНИЕ НОГ
Тонированная бумага, графитный карандаш, шариковая ручка, цветной карандаш и белый мел.
Сухожилия тыльной стороны стопы
Четыре сухожилия длинного разгибателя пальцев голени прикрепляются к каждому из четырех малых пальцев стопы.Когда пальцы ног сильно разводятся в стороны, эти сухожилия становятся очень заметными на поверхности. Тонкое, но выступающее сухожилие длинного разгибателя большого пальца стопы (длинного разгибателя большого пальца стопы) входит непосредственно в большой палец стопы. Это сухожилие становится особенно заметным, когда большой палец ноги направлен вверх.
Веревочное сухожилие в нижней части передней большеберцовой мышцы (голени) голени можно увидеть только тогда, когда ступня находится в определенных положениях. Многие художники путают эту мышцу с сухожилием большого пальца стопы и проводят непрерывную линию от передней большеберцовой мышцы прямо к большому пальцу ноги.Это хорошо для изучения жестов, но при более детальной визуализации вы должны попытаться различить тонкое разделение между двумя сухожилиями около лодыжки. В приведенном ниже исследовании жизни я немного преувеличил сухожилия, чтобы более четко показать их расположение на поверхности.
ИССЛЕДОВАНИЕ НОГИ
Тонированная бумага, графитный карандаш, цветной карандаш и белый мел.
Сокращение мышц
Сокращение мышц также известно как мышечное действие , или напряжение мышцы . Мышцы могут укорачивать свои мышечные волокна, удлинять их из сокращенного состояния или стабилизировать их при той же длине. Все эти действия вызывают напряжение в мышечных волокнах. Когда мышца не находится в состоянии сокращения, говорят, что она расслаблена или находится в «состоянии покоя».
Сокращения мышц могут активировать движение (инициировать совместное действие), контролировать темп движения (ускорять или замедлять совместное действие) или предотвращать нежелательное движение, стабилизируя сустав. Две основные категории мышечных сокращений называются динамическими (изотоническими) и статическими (изометрическими).Давайте посмотрим на каждого.
Динамическое сокращение мышц
Когда мышца меняет длину во время определенного движения, либо укорачивая свои мышечные волокна, либо удлиняя их, это действие известно как динамическое сокращение мышц , или изотоническое сокращение , динамическое напряжение мышц, динамическое движение или . Существует два различных типа динамического сокращения мышц: концентрический, и эксцентрический . В основном, концентрические сокращения укорачивают мышечные волокна, а эксцентрические сокращения их удлиняют.В течение многих лет в индустрии анимации эти противоположные действия обычно назывались сжатие и растяжение , но есть и другие названия действий, включая растяжение и сжатие, и растяжение и сжатие.
ДИНАМИЧЕСКОЕ СОКРАЩЕНИЕ МЫШЦ
Концентрические и эксцентрические сокращения
Когда мышца находится в состоянии концентрического сокращения, мышечные волокна укорачиваются к своим центрам и при этом тянут кость в определенном направлении, вызывая движение в суставе.Этот тип действий обычно происходит в «фазе подъема» движения, например, при поднятии штанги.
Когда мышца находится в состоянии эксцентрического сокращения, мышечные волокна удлиняются из сокращенного состояния, и мышца возвращается к своей длине покоя. Этот тип действия обычно происходит в «фазе опускания» движения, например, при опускании штанги.
Однако не путайте эксцентрическое сокращение с состоянием покоя. Во время эксцентрического сокращения мышечные волокна контролируемым образом удлиняются из сокращенного состояния , замедляя движение против влияния силы тяжести.Это сглаживание движения известно как «тормозная сила». Например, при поднятии веса двуглавая мышца плеча и плечевая мышца укорачивают свои волокна (концентрическое сокращение), чтобы поднять предплечье и руку, удерживающую вес, в направлении вверх (фаза подъема). Затем, когда вес опускается (фаза опускания), двуглавая и плечевая мышца удлиняют свои мышечные волокна, но контролируемым образом, чтобы противостоять силе тяжести и, таким образом, предотвращать удар предплечья вниз. Несмотря на то, что мышечные волокна удлиняются, внутри мышцы сохраняется напряжение.Рисунки на на этой странице иллюстрируют концентрические / эксцентрические фазы динамического сокращения мышц.
При изображении любой активной или полуактивной позы вы должны попытаться определить местонахождение любых мышц, которые находятся в состоянии сжатия или растяжения. Визуальные подсказки включают
· компактная форма мышцы
· одна мышца прижимается к другой мышце
· растянутые мышцы
· сухожилие, выступающее близко к поверхности из-за напряжения в его мышце
Я сделал исследование справа от древней мраморной скульптуры под названием Лаокоон и его сыновья (или Группа Лаокоона ), находящейся в музее Ватикана, которая изображает человека и двух его сыновей, корчащихся в агонии, когда на них нападают змеи.В центре моего исследования находится центральная фигура, мучительное скручивающее действие которой иллюстрирует энергетическую динамику растяжения и сжатия. Я всегда рекомендую рисовать прямо с фигуративной скульптуры, древней или современной, когда это возможно. Трехмерные анатомические формы каменных или бронзовых статуй кажутся намного более отчетливыми, чем на фотографиях скульптур. Кроме того, обычно вы можете обойти скульптуру и нарисовать ее с разных точек зрения.
ИЗУЧЕНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ФИГУРЫ ЛАОКОНА И ЕГО СЫНОВ
Тонированная бумага, сангина, коричневые пастельные карандаши, белый мел.
Статическое сокращение мышц
В статическом сокращении — также называемом изометрическим сокращением — мышца увеличивает напряжение в своих мышечных волокнах, но не меняет своей длины, тем самым оставаясь неподвижной. Никакого движения не происходит ни в одном суставе, и, по сути, это сокращение полностью останавливает движение. Статическое сокращение подготавливает мышцы к возможным действиям, например, когда спринтер принимает неподвижное положение перед стартом в гонке.Он необходим для поддержания позы (в противном случае гравитационные силы тянули бы нас вниз) и активируется, когда тяжелые предметы удерживаются в неподвижном состоянии, как показано на следующем рисунке. Это также происходит, когда мышце необходимо стабилизировать сустав, когда движение не требуется.
СТАТИЧЕСКОЕ СОКРАЩЕНИЕ МЫШЦ
СТАТИЧЕСКОЕ СЖАТИЕ ЛЕВОЙ РУКИ СТАЦИОНАРНЫЙ
Левая рука, вид сбоку
Независимо от того, насколько расслабленным может выглядеть человек, когда он стоит или сидит, его или ее мышцы все еще в некоторой степени сокращаются, чтобы сохранить положение и предотвратить падение человека вниз под действием силы тяжести.Модели художника должны сохранять каждую позу в течение определенного периода времени, не двигаясь и не смещая свой вес, поэтому их тела всегда находятся в состоянии статического сжатия во время позирования. Обычно они могут удерживать сложные позы действия в течение короткого времени, но для более длительных поз им необходимо убедиться, что их вес сбалансирован. Признак хорошей модели — способность делать длинную позу и делать ее интересной — динамичной или лирической, не симметричной или жесткой — и удерживать эту позу (обычно в течение двадцатиминутного интервала), не двигаясь и не дергаясь.Интерпретируя позу, художник попытается передать напряжение или расслабление различных анатомических форм, как я сделал в следующем исследовании жизни.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЫШЕЧНОЙ МУЖЧИНЫ СИДЕНИЕ
Цветной пастельный карандаш, угольный карандаш, белый мел на тонированной бумаге.
Различные роли мышц
Когда в суставе происходит определенное движение, в нем участвуют несколько мышц в непосредственной близости от сустава. Хотя основная функция каждой мышцы заключается в сокращении мышечных волокон, мышца может играть разные роли в разное время во время движения или серии движений.Вообще говоря, мышцы могут играть четыре разные роли: агонист (первичный двигатель), антагонист, синергист (помощник) и стабилизатор (фиксатор).
Агонист (главный двигатель) и антагонист
Мышца, которая в основном отвечает за активацию кости или части тела для определенного движения, известна как агонист , первичный двигатель или . Когда мышца-агонист сокращается, она становится более компактной версией самой себя. Когда это действие происходит, другая мышца — антагонист — должна действовать противодействовать.Эта мышца, обычно расположенная на стороне кости или части тела, противоположной агонисту, должна растягивать свои мышечные волокна, чтобы поддаться сокращению мышцы-агониста. Это соотношение хорошо видно на сгибании и разгибании руки в локтевом суставе, как показано на следующем рисунке.
АГОНИСТ (ПРАЙМ МОВЕР) И АНТАГОНИСТИЧЕСКИЕ МЫШЦЫ
Верхняя и нижняя левая рука, вид спереди лопатки с рукой, движущейся боком от туловища
Происходит следующее: когда двуглавая мышца плеча (расположенная в передней части плеча) сокращает свои мышечные волокна, она поднимает нижнюю руку, приобретая выпуклую форму.В этом действии двуглавая мышца плеча считается агонистом или первичным двигателем (плечевая и лучевая мышцы выступают в качестве синергистов или помощников). (Некоторые эксперты считают, что плечевая мышца, наряду с двуглавой мышцей, также является основным двигателем, когда она поднимает нижнюю часть руки.) Антагонистической мышцей в этом действии является трехглавая мышца плеча, которая расположена в задней части плеча. Пока бицепс сокращается, трицепс растягивает мышечные волокна, так что локтевой сустав и нижняя часть руки могут двигаться свободно, без помех.Когда предплечье опускается, бицепсы и трицепсы меняют свои действия, меняя роли. Трицепс, который теперь сокращает свои мышечные волокна, становится основным двигателем при опускании предплечья, в то время как бицепс теперь является антагонистом, растягивая его мышечные волокна. (Если перемещается только нижняя часть руки, плечевая кость и лопатка остаются неподвижными, а плечевой сустав стабилизируется ромбовидными, трапециевидными и вращающими мышцами манжеты лопатки.)
Синергисты и стабилизаторы
Как уже упоминалось, мышца обычно сама по себе не перемещает кость или другую структуру тела; другие мышцы помогают в этом процессе.Эти синергистических мышц, или вспомогательных мышц, обеспечивают дополнительную тягу вблизи прикрепляемого сухожилия первичного двигателя. Они также помогают предотвратить любые нежелательные действия, которые могут произойти во время определенного движения.
В то время как происходит определенное движение, другие мышцы могут действовать как стабилизаторы , фиксаторы или , , удерживающие кость на месте — обычно кость, откуда берет начало мышца первичного двигателя. Это предотвращает любое нежелательное движение, так что агонист и синергисты могут действовать более эффективно.Когда мышцы-стабилизаторы удерживают кость в неподвижном состоянии, их мышечные волокна сокращаются, но не укорачиваются — такое сокращение называется статическим или изометрическим сокращением.
Влияние силы на анатомические формы
Термин сила относится к энергии, которая производит, изменяет или сдерживает движение компонентов тела. Существует два основных типа: внутренняя сила , сила , создаваемая внутри тела, и внешняя сила, , сила , создаваемая вне тела.Внутренняя сила возникает в результате мышечных сокращений. Когда нервная система посылает мышце сигнал, заставляющий ее сокращаться, создается напряжение, вызывающее движение в суставе. Но поражаются не только мышцы и кости. Анатомические формы мягких тканей, такие как сухожилия, связки, подкожный слой и кожа, также подвержены влиянию внутренней силы и могут изменять форму любым из следующих способов, также схематически изображенных на следующем рисунке:
· Сжатие форм, , которое происходит во время сокращения мышцы, что делает ее короче или сжимается, или когда форма прижимается к объекту
· Растяжение форм, напряжение или , , которое происходит, когда мышцы растягиваются или когда формы растягиваются в противоположных направлениях
· Гибка форм, , которая происходит, когда две формы прижимаются друг к другу
· Скручивание или закручивание форм по спирали, также называется кручение или крутящий момент , , которое обычно происходит, когда одна конструкция скручивается в одном направлении, а другая — в другом.
ВЛИЯНИЕ СИЛЫ НА АНАТОМИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Черные стрелки указывают направление силы, влияющей на анатомическую форму.
Комбинации этих действий (называемые комбинированной нагрузкой ) также могут происходить, например, когда фигура или телесная структура скручивается при сгибании или растягивается при скручивании. Существует бесчисленное множество вариантов, в зависимости от типа происходящего. Когда вы рисуете фигуру в активной позе, вы заметите, что на многие формы влияет динамика силы, и вы можете интерпретировать эту динамику по-своему, придавая формам и линиям тела жизненную силу и энергию.
Рисунок жеста под названием «Изучение мужской фигуры в динамическом скручивающем движении», передает огромное количество энергии, которую модель демонстрирует в этой позе. Скручивание в области талии показывает как напряжение, так и сжатие, а раскачивание волос вносит свой вклад в общий ритм фигуры. На чертеже жеста «Изгиб женской фигуры» , показаны анатомические формы, растягивающиеся и сжимающиеся на всем протяжении.
ИССЛЕДОВАНИЕ МУЖСКОЙ ФИГУРЫ В ДИНАМИЧЕСКОМ СКРУТИТЕЛЬНОМ ДВИЖЕНИИ
Черный мелок Conté на газетной бумаге.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗГИБА ЖЕНСКОЙ ФИГУРЫ
Черно-коричневый мелок Конте на газетной бумаге.
Из внешних сил, воздействующих на тело, гравитация может быть самой важной, потому что она всегда действует, притягивая все, включая человеческие тела, к центру Земли. Некоторые мышцы сокращаются без движения суставов (изометрическое сокращение), чтобы противостоять силе тяжести и помочь удерживать тело в вертикальном положении. Но есть и другие внешние силы, которые могут сильно повлиять на тело, затрудняя поддержание равновесия.К ним относятся силы природы (турбулентный ветер или большая волна), физическое воздействие с внешними объектами и борьба с другим телом (борьба, бокс).
Когда тело выполняет действие, требующее сильного напряжения, например толкает тяжелую тележку или поднимает тяжелую коробку, внешнее воздействие передается в виде напряжения, которое также создается внутри мышц. Таким образом, внешние и внутренние силы могут воздействовать на человеческое тело одновременно — и, по сути, они делают это почти постоянно.Иллюстраторы, художники по раскадровке, художники комиксов и аниматоры (традиционные и цифровые) — все они изображают фигуры в различных формах движения, на которые влияют внешние и внутренние силы любого рода.
ИЗУЧЕНИЕ ГОЛОВЫ — ПОЛОВИНА ЛИЦА / ПОЛОВИНА МЫШЦ
Графитный и цветной карандаш на тонированной бумаге.
Взаимодействие с другими людьмиАнатомия рисования для художников: полное, бесплатное руководство
Знание человеческого тела может быть бесценным инструментом для художников, но как начать учиться рисовать анатомию человека?
На наших бесплатных уроках рисования по анатомии вы узнаете, как упростить учебу и превратить ее в более полезный процесс, используя правильные ресурсы.Сначала вы сконцентрируетесь на костях, а не будете часами запоминать названия и формы мышц.
Изучение анатомического рисунка — сложный процесс. Чем больше вы знаете о предмете, тем больше вы откроете для себя то, чего не знаете, и тем больше захотите узнать. Повысьте свое понимание тонкости и структуры человеческого тела и научитесь рисовать человека, который отображает замысловатые детали и сложную структуру.
Загрузите бесплатное руководство по анатомии рисования сегодня!
* Указав свой адрес электронной почты, вы начнете получать наши информационные бюллетени, специальные предложения и другой бесплатный контент от Artists Network.
Узнайте, что такое художественная цель анатомии, в этом бесплатном руководстве.Как художник, пытающийся понять структуру форм человеческого тела, вы с большей вероятностью сохраните и усвоите информацию, если вы будете обращаться к тексту, когда рисуете с диаграмм, сознательно спрашивая себя, какую функцию выполняет каждая мышца или группа мышц. где он начинается и где заканчивается. Если вы искали бесплатный урок рисования тела, пусть это бесплатное руководство от сети художников станет вашим первым шагом в овладении навыками рисования человеческого тела и овладении навыками рисования от руки.
Основы изучения анатомии для рисования человека
При рисовании анатомии попытайтесь визуализировать основные концепции формы, лежащие в основе фигуры, построенной на сужающихся цилиндрах, как в конечностях; квадратные трубчатые формы как в тазу, так и в груди; и сферы, такие как голова, грудь и многие другие меньшие подформы, которые часто представляют собой комбинацию полусфер и полуцилиндров, таких как бицепсы, масса живота или ягодицы.
У вас будет под рукой руководство эксперта, чтобы изучить сложность рисования черт человеческого тела, которые отражают полную функцию, объем и структуру мышцы.Изучите советы о том, как рисовать руки и другие способы лучше подойти к учебе, чтобы не перегружать себя до отказа.
Как часто отмечал великий учитель анатомии Роберт Беверли Хейл, рисование анатомии человека — это «научная» сторона искусства, предназначенная как инструмент, который поможет вам понять объемный характер модели и найти тонкие визуальные детали, которые в противном случае вы могли бы упустить.
12 различий между мужским и женским телом, которые должен знать каждый художник
Различия между мужским и женским телом варьируются от очевидных до очень тонких, и знание этих деталей может привести нас к более осознанным и реалистичным рисункам фигур.Этот бесплатный план урока по наброскам поможет вам открыть для себя преимущества рисования женской анатомии, а также мужской и даст вам шаги, которые нужно предпринять, чтобы сделать учебу полезной и управляемой.
Методический подход к рисованию анатомии
Автор Дэн Гено обсуждает ресурсы, которые он использовал для рисования анатомии, а также методы практики, которые позволят вам интегрировать это в свое искусство таким образом, чтобы это имело смысл и не мешало тому, что вы хотите делать. Это включает в себя то, на чем следует сосредоточиться, когда вы рисуете жизненные зарисовки, почему скульптурные декорации так полезны для художников и какие анатомические рисунки старых мастеров стоит хорошенько и долго изучать.Гено напоминает нам, что изучение анатомии в качестве художников должно быть систематическим. Начнем с костей. Тогда мышцы обретут смысл. Изучите форму и функцию каждой группы мышц и исследуйте их как группы или пары, чтобы понять, как эти части работают вместе.
Изучите систематический подход к рисованию анатомииМногие художники, изучающие, как рисовать человеческие фигуры, знают, что существует ряд ресурсов, которые помогут продолжить учебу, включая книги, видео, лекции и скульптурные подходы.И, конечно же, есть еще один способ, которым старые мастера изучали анатомию — через анатомирование. Воспользовавшись этой бесплатной электронной книгой в качестве руководства, узнайте, как лучше всего подойти к различным доступным ресурсам и выберите метод, который подходит вам в вашей учебе.
Загрузите бесплатное руководство по анатомии рисования сегодня!
* Указав свой адрес электронной почты, вы начнете получать наши информационные бюллетени, специальные предложения и другой бесплатный контент от Artists Network.
Физиология человека — мышцы
Физиология человека — мышцыНервная система «общается» с мышцами через нервно-мышечные (также называемые мионевральными) соединениями.Эти соединения (Рисунок 1) работают очень похоже на синапс между нейронами (видео нервно-мышечного соединения). Другими словами:
- импульс поступает на наконечник колбы,
- химический медиатор высвобождается из везикул (каждая из которых содержит 5000-10 000 молекул ацетилхолина) и распространяется через нервно-мышечные расщелина,
- молекулы передатчика заполняют рецепторные участки в мембране мышцы и увеличивают проницаемость мембраны для натрия,
- натрий диффундирует внутрь и мембранный потенциал становится менее отрицательным,
- и, если пороговый потенциал достигнут, возникает потенциал действия, импульс проходит по мембране мышечной клетки, и мышца сокращается.
Некоторые мышцы (скелетные) не будут сокращаться, если их не стимулировать.
нейронами; другие мышцы (гладкие и сердечные) будут сокращаться без
нервное возбуждение, но на их сокращение может влиять нервная
система. Таким образом, нервная и мышечная системы тесно взаимосвязаны.
Давайте теперь сосредоточимся на мышцах — какова их структура и как она работает.
Изображение нервно-мышечного соединения в большом увеличении (Hirsch 2007).
Характеристики мышцы:
- возбудимость — реагирует на раздражители (например, нервные импульсы)
- сократимость — возможность укорочения
- растяжимость — растягивается при вытягивании
- эластичность — имеет тенденцию возвращаться к исходной форме и длине после сжатия или растяжения
Функции мышцы:
- движение
- поддержание осанки
- производство тепла
Типы мышц:
- каркас:
- прикреплен к костям и перемещает скелет
- также называют поперечно-полосатой мышцей (из-за его внешнего вида под микроскопом, как показано на фотографии слева)
- произвольная мышца
- гладкая (фото справа)
- Непроизвольная мышца
- мышца внутренних органов (e.g., в стенках кровеносных сосудов, кишечника и других «полых» структур и органов тела)
- сердечный:
- Сердечная мышца
- принудительное
Строение скелетных мышц
Структура скелетных мышц:
Скелетные мышцы обычно прикрепляются к кости сухожилиями, состоящими из соединительной ткани.Эта соединительная ткань также покрывает всю мышцу и называется эпимизием. Скелетные мышцы состоят из множества субъединиц или пучков, называемых фасиклами (или пучками). Фасцикулы также окружены соединительной тканью (называемой перимизием), и каждый пучок состоит из многочисленных мышечных волокон (или мышечных клеток). Мышечные клетки, окруженные эндомизием, состоят из множества фибрилл (или миофибрилл), а эти миофибриллы состоят из длинных белковых молекул, называемых миофиламентами. В миофибриллах есть два типа миофиламентов: толстые миофиламенты и тонкие миофиламенты.
Источник: Википедия.
Скелетные мышцы значительно различаются по размеру, форме и расположению волокон. Они варьируются от очень крошечных нитей, таких как стремечковая мышца среднего уха, до больших масс, таких как мышцы бедра. Скелетные мышцы могут состоять из сотен или даже тысяч мышечных волокон, связанных вместе и завернутых в соединительнотканный покров. Каждая мышца окружена соединительнотканной оболочкой, называемой эпимизием.Фасция, соединительная ткань за пределами эпимизия, окружает и разделяет мышцы. Части эпимизия выступают внутрь, чтобы разделить мышцу на части. Каждый отсек содержит пучок мышечных волокон. Каждый пучок мышечных волокон называется пучком и окружен слоем соединительной ткани, называемым перимизием. Внутри пучка каждая отдельная мышечная клетка, называемая мышечным волокном, окружена соединительной тканью, называемой эндомизием. Скелетные мышцы имеют обильное снабжение кровеносных сосудов и нервов.Прежде чем скелетное мышечное волокно сможет сократиться, оно должно получить импульс от нейрона. Обычно артерия и по крайней мере одна вена сопровождают каждый нерв, который проникает в эпимизий скелетной мышцы. Ветви нерва и кровеносные сосуды следуют за соединительнотканными компонентами мышцы нервной клетки и с одним или несколькими мельчайшими кровеносными сосудами, называемыми капиллярами (Источник: training.seer.cancer.gov). |
Клеточная мембрана мышечной клетки называется сарколеммой, и эта мембрана, как и мембрана нейронов, поддерживает мембранный потенциал.Итак, импульсы проходят по мембранам мышечных клеток так же, как и по мембранам нервных клеток. Однако «функция» импульсов в мышечных клетках — вызывать сокращение. Чтобы понять, как сокращается мышца, вам нужно немного узнать о структуре мышечных клеток.
| Скелетная мышца — это мышца, прикрепленная к скелету. Сотни или тысячи мышечных волокон (клеток) связываются вместе, образуя отдельные скелетные мышцы.Мышечные клетки представляют собой длинные цилиндрические структуры, которые связаны плазматической мембраной (сарколеммой) и лежащей выше базальной пластинкой, и когда они сгруппированы в пучки (пучки), они составляют мышцы. Сарколемма образует физический барьер против внешней среды, а также передает сигналы между внешней средой и мышечной клеткой. Саркоплазма — это специализированная цитоплазма мышечной клетки, которая содержит обычные субклеточные элементы наряду с аппаратом Гольджи, обильными миофибриллами, модифицированным эндоплазматическим ретикулумом, известным как саркоплазматический ретикулум (SR), миоглобином и митохондриями.Поперечные (Т) -рубочки инвагинируют сарколемму, позволяя импульсам проникать в клетку и активировать SR. Как показано на рисунке, SR образует сеть вокруг миофибрилл, накапливая и обеспечивая Ca 2+ , который необходим для сокращения мышц. Миофибриллы — это сократительные единицы, которые состоят из упорядоченного расположения продольных миофиламентов. Миофиламенты могут быть толстыми (состоящими из миозина) или тонкими (состоящими в основном из актина).Характерные «полосы» скелетных и сердечных мышц легко наблюдаются при световой микроскопии в виде чередующихся светлых и темных полос на продольных срезах. Светлая полоса (известная как I-полоса) состоит из тонких нитей, тогда как темная полоса (известная как A-полоса) состоит из толстых нитей. Z-линия (также известная как Z-диск или Z-полоса) определяет боковую границу каждой саркомерной единицы. Сокращение саркомера происходит, когда Z-линии сближаются, заставляя миофибриллы сокращаться, и, следовательно, сокращается вся мышечная клетка, а затем и вся мышца (Источник: Davies and Nowak 2006). |
SARCOLEMMA имеет уникальную особенность: в ней есть дыры. Эти «отверстия» ведут в трубки, называемые ПОПЕРЕЧНЫМИ ТРУБКАМИ (или сокращенно Т-ТРУБКАМИ). Эти канальцы проходят вниз в мышечную клетку и огибают МИОФИБРИЛЛЫ. Однако эти канальцы НЕ открываются внутрь мышечной клетки; они полностью проходят и открываются где-то еще на сарколемме (т. е. эти канальцы не используются, чтобы вводить и выводить предметы в мышечную клетку).Функция T-TUBULES — проводить импульсы с поверхности клетки (SARCOLEMMA) вниз в клетку и, в частности, в другую структуру клетки, называемую SARCOPLASMIC RETICULUM.
Мышечное волокно возбуждается через двигательный нерв, который генерирует потенциал действия, который распространяется по поверхностной мембране (сарколемме) и поперечной трубчатой системе в более глубокие части мышечного волокна. Белок рецептора (DHP) воспринимает деполяризацию мембраны, изменяет ее конформацию и активирует рецептор рианодина (RyR), который высвобождает Ca 2+ из SR.Ca 2+ затем связывается с тропонином и активирует процесс сокращения (Jurkat-Rott and Lehmann-Horn 2005).
Мембраны саркоплазматического ретикулума (SR) в непосредственной близости от Т-канальца. «RyR» — это белки, способствующие высвобождению кальция из SR, «SERCA2» — это белки, которые помогают транспортировать кальций в SR (Brette and Orchard 2007).
SARCOPLASMIC RETICULUM (SR) немного похож на эндоплазматический ретикулум других клеток, т.е.г., он полый. Но основная функция SARCOPLASMIC RETICULUM — ХРАНЕНИЕ ИОНОВ КАЛЬЦИЯ. Саркоплазматический ретикулум очень богат клетками скелетных мышц и тесно связан с МИОФИБРИЛАМИ (и, следовательно, МИОФИЛАМЕНТАМИ). Мембрана SR хорошо приспособлена для обработки кальция: существуют «насосы» (активный транспорт) для кальция, так что кальций постоянно «закачивается» в SR из цитоплазмы мышечной клетки (так называемая SARCOPLASM). В результате в расслабленной мышце наблюдается очень высокая концентрация кальция в SR и очень низкая концентрация в саркоплазме (и, следовательно, среди миофибрилл и миофиламентов).Кроме того, в мембране есть специальные отверстия или «ворота» для кальция. В расслабленной мышце эти ворота закрыты, и кальций не может проходить через мембрану. Итак, кальций остается в SR. Однако, если импульс проходит по мембране SR, кальциевые «ворота» открываются, и, следовательно, кальций быстро диффундирует из SR в саркоплазму, где расположены миофибриллы и миофиламенты. Как вы увидите, это ключевой шаг в сокращении мышц.
Миофибриллы состоят из миофиламентов двух типов: толстых и тонких.В скелетных мышцах эти миофиламенты расположены очень правильным и точным образом: толстые миофиламенты обычно окружены 6 тонкими миофиламентами (вид с торца). На виде сбоку тонкие миофиламенты можно увидеть над и под каждым толстым миофиламентом.
Поперечный разрез миофибрилл, показывающий расположение толстых и тонких миофиламентов.
Бар = 100 нм. Изображение Widrick et al. (2001)
Источник: Цховребова, Триник (2003).
Строение мышц
Каждая миофибрилла состоит из множества субъединиц, выстроенных встык. Эти субъединицы, конечно, состоят из миофиламентов и называются SARCOMERES. Рисунки выше и ниже показывают лишь очень маленькую часть всего длина миофибриллы, поэтому вы можете увидеть только один полный SARCOMERE.
В каждом саркомере тонкие миофиламенты проходят с каждого конца.Толстый миофиламенты находятся в середине саркомера и не расширяются до конца. Из-за такого расположения при просмотре скелетных мышц под микроскопом концы саркомера (там, где только тонкие миофиламенты найдены) кажутся светлее, чем центральная часть (которая темная, потому что наличия толстых миофиламентов). Таким образом, миофибрилла имеет чередующиеся светлые и темные области, потому что каждая состоит из множества выстроенных в линию саркомеров концы с концами. Вот почему скелетная мышца называется ПОЛОСКОЙ МЫШЦЫ (т.е., чередующиеся светлые и темные участки выглядят как полосы или полосы). Светлые области называются I-BAND, а более темные — A-BAND. Рядом с центром каждой I-BAND есть тонкая темная линия, называемая Z-LINE (или Z-мембрана на рисунке ниже). Z-LINE — это место, где соседние саркомеры сходятся вместе, и тонкие миофиламенты соседних саркомеров перекрываются немного. Таким образом, саркомер можно определить как область между Z-линиями.
Используется с разрешения Джона
W.Kimball
Толстые миофиламенты состоят из белка под названием МИОЗИН. Каждый МИОЗИН молекула имеет хвост, который образует ядро толстой миофиламента плюс головка, выступающая из сердцевины нити. Эти головы MYOSIN также обычно называют ПЕРЕКРЕСТНЫМИ МОСТАМИ.
МИОЗИН HEAD имеет несколько важных характеристик:
- у него есть АТФ-связывающие сайты, в которые помещаются молекулы АТФ.АТФ представляет собой потенциальная энергия.
- у него есть сайты связывания ACTIN, в которые помещаются молекулы ACTIN. Актин часть тонкой миофиламента и будет обсуждаться более подробно в ближайшее время.
- он имеет «шарнир» в том месте, где он выходит из ядра толстой миофиламента. Это позволяет голове поворачиваться вперед и назад, а «поворот» как будет описано вкратце, что на самом деле вызывает сокращение мышц.
Молекулы актина (или G-актин, как указано выше) имеют сферическую форму и образуют длинные
цепи. Каждая тонкая миофиламент содержит две такие цепочки, которые обвиваются вокруг
друг с другом. Молекулы ТРОПОМИОЗИНА — это одиночные, тонкие молекулы, которые обвивают
цепочка ACTIN. В конце каждого тропомиозина находится молекула ТРОПОНИНА.
Молекулы ТРОПОМИОЗИНА и ТРОПОНИНА связаны друг с другом.Каждый
из этих 3 белков играет ключевую роль в сокращении мышц:
- АКТИН — когда актин объединяется с ГОЛОВКОЙ МИОЗИНА, АТФ, связанный с голова распадается на АДФ. Эта реакция высвобождает энергию, которая вызывает МИОЗИН ГОЛОВА ПОВОРОТА.
- ТРОПОМИОЗИН — В расслабленной мышце МИОЗИНОВЫЕ ГОЛОВКИ толстой миофиламента лежат против молекул ТРОПОМИОЗИНА тонкой миофиламента.Пока ГОЛОВКИ МИОЗИНА остаются в контакте с ТРОПОМИОЗИНОМ, ничего не происходит (т. Е. мышца остается расслабленной).
- ТРОПОНИН — молекулы тропонина имеют участки связывания для ионов кальция. Когда ион кальция заполняет это место, он вызывает изменение формы и положения ТРОПОНИНА. И когда ТРОПОНИН смещается, он притягивает ТРОПОМИОЗИН, к которому он прилагается. Когда ТРОПОМИОЗИН перемещается, ГОЛОВА МИОЗИНА, которая касалась теперь тропомиозин вступает в контакт с лежащей в основе молекулой ACTIN.
Нити раздвижные
Сокращение мышц
1 — Поскольку скелетная мышца является произвольной мышцей, для ее сокращения требуется нервный импульс. Итак, шаг 1 в сокращении — это когда импульс передается. от нейрона к САРКОЛЕММЕ мышечной клетки.
2 — Импульс проходит по САРКОЛЕММЕ и вниз ТРУБКИ.От Т-ТРУБОК импульс переходит в САРКОПЛАЗМИЧЕСКУЮ РЕТИКУЛУМ.
3 — Когда импульс движется по саркоплазматической сети (SR), кальциевые ворота в мембране СР открываются. В результате КАЛЬЦИЙ диффундирует вне SR и среди миофиламентов.
4 — Кальций заполняет сайты связывания в молекулах ТРОПОНИНА. Как отмечалось ранее, это изменяет форму и положение ТРОПОНИНА, что, в свою очередь, вызывает движение присоединенной молекулы ТРОПОМИОЗИНА.
5 — Движение ТРОПОМИОЗИНА позволяет ГОЛОВЕ МИОЗИНА контактировать с АКТИНОМ (анимации: сокращение миофиламентов и разрушение АТФ и движение поперечного моста).
6 — При контакте с ACTIN ГОЛОВКА МИОЗИНА поворачивается.
7 — Во время поворота ГОЛОВКА МИОЗИНА прочно прикреплена к ACTIN.
Итак, когда ГОЛОВКА поворачивается, она тянет ACTIN (и, следовательно, весь
тонкий миофиламент) вперед. (Очевидно, одна ГОЛОВА МИОЗИНА не может тянуть
вся тонкая миофиламентная нить.Многие МИОЗИНОВЫЕ ГОЛОВКИ вращаются одновременно,
или почти так, и их коллективных усилий достаточно, чтобы вытащить все
тонкая миофиламент).
8 — В конце вертлюга АТФ входит в сайт связывания на поперечный мост и это разрывает связь между поперечным мостом (миозин) и актин. ГОЛОВА МИОЗИНА затем поворачивается назад. Когда он поворачивается назад, ATP распадается на ADP & P, и поперечный мостик снова связывается с актином. молекула.
9 — В результате HEAD снова прочно привязан к ACTIN. Однако, поскольку ГОЛОВА не была прикреплена к актину, когда она поворачивалась назад, HEAD будет связываться с другой молекулой ACTIN (т.е. на тонком миофиламенте). После присоединения HEAD к ACTIN перекрестный мост снова вертится, ТАК ШАГ 7 ПОВТОРЯЕТСЯ.
Пока присутствует кальций (присоединенный к ТРОПОНИНУ), шаги с 7 по 9 продолжу. И при этом тонкая миофиламент «вытягивается» МИОЗИНОВЫМИ ГОЛОВКАМИ толстой миофиламента.Таким образом, THICK & THIN миофиламенты действительно скользят мимо друг друга. При этом расстояние между Z-линиями саркомер уменьшается. По мере того как саркомеры становятся короче, миофибриллы, конечно, становится короче. И, очевидно, мышечные волокна (и вся мышца) становятся короче.
Скелетные мышцы расслабляются, когда прекращается нервный импульс. Нет импульса значит что мембрана SARCOPLASMIC RETICULUM больше не проницаема к кальцию (т.д., отсутствие импульса означает, что КАЛЬЦИЕВЫЕ ВОРОТА закрываются). Итак, кальций больше не распространяется. НАСОС КАЛЬЦИЯ в мембране теперь будет транспортировать кальций обратно в SR. При этом ионы кальция покидают связывающую сайты, посвященные МОЛЕКУЛАМ ТОПОНИНА. Без кальция ТРОПОНИН возвращается к своему исходная форма и положение, как и прилагаемый ТРОПОМИОЗИН. Это означает что ТРОПОМИОЗИН теперь снова на месте, в контакте с ГОЛОВКОЙ МИОЗИНА. Таким образом, головка MYOSIN больше не контактирует с ACTIN и, следовательно, мышца перестает сокращаться (т.э., расслабляет).
Сокращение
Итак, в большинстве случаев кальций является «переключателем», который заставляет мышцы «включение и выключение» (сокращение и расслабление). Когда мышца используется для расширенного Период, запасы АТФ могут уменьшиться. Когда концентрация АТФ в мышцах снижается, ГОЛОВКИ МИОЗИНА остаются связанными с актином и больше не могут поворачиваться. Это снижение в уровне АТФ в мышцах вызывает МЫШЕЧНУЮ УСТАЛОСТЬ. Хотя кальций все еще присутствует (и нервный импульс передается мышце), сокращение (или, по крайней мере, сильное сокращение) невозможно.
Анимация, иллюстрирующая сокращение мышц:
Сокращение мышечных клеток
Сокращение скелетных мышц
Механизм скольжения нити при сокращении миофибриллы (Wiley)
Потенциалы действия и сокращение мышц
Виды сокращений:
- 1 — изотонический — напряжение или сила, создаваемая мышцей, больше
чем нагрузка и мышца укорачиваются
2 — изометрический — нагрузка больше, чем создаваемое натяжение или сила мышцами и мышца не укорачивается
Twitch — реакция скелетной мышцы на однократную стимуляцию (или действие потенциал):
- латентный период — без изменения длины; время, в течение которого движется импульс вдоль сарколеммы и вниз по Т-канальцам до саркоплазматической сети, кальций высвобождается и так далее (другими словами, мышцы не могут сокращаться мгновенно!)
- период схватывания — растяжение увеличивается (поперечные перемычки качаются)
- период релаксации — мышцы расслабляются (напряжение уменьшается) и имеет тенденцию к возвращению до исходной длины
Важной характеристикой скелетных мышц является их способность сокращаться. в разной степени.Мышца, как и бицепс, сокращается с разной степенью силы в зависимости от обстоятельств (это также называется отклик). Мышцы делают это с помощью процесса, называемого суммированием, а именно: мотором единичное суммирование и волновое суммирование.
Суммирование моторного блока — степень сокращения скелета На мышцу влияет количество стимулируемых двигательных единиц (с двигательная единица, представляющая собой мотонейрон, плюс все мышечные волокна, которые он иннервирует; см. диаграмму ниже).Скелетные мышцы состоят из множества двигательных единиц и, следовательно, стимуляция большего количества двигательных единиц вызывает более сильное сокращение.
Волновое суммирование — увеличение частоты, с которой мышца стимулируется увеличивает силу сокращения. Это проиллюстрировано в (б). При быстрой стимуляции (настолько быстрой, что мышца не полностью расслабиться между последовательными стимуляциями), мышечное волокно повторно стимулируется пока еще есть некоторая сократительная активность.В результате получается «суммирование» сократительной силы. Кроме того, при быстрой стимуляции между последовательными стимуляциями не хватает времени, чтобы удалить все кальций из саркоплазмы. Итак, с помощью нескольких последовательных стимуляций, уровень кальция в саркоплазме повышается. Больше кальция — значит активнее поперечные мосты и, следовательно, более сильное сжатие. (Wiley анимация)
Если мышечное волокно стимулируется так быстро, что оно не расслабляется при
все между раздражителями происходит плавное, устойчивое сокращение, называемое столбняком (показано прямой линией в c выше и на диаграмме
ниже).
Используется с разрешения Джона
В. Кимбалл
ГЛАДКИЕ МЫШЦЫ:
- непроизвольная мышца; иннервируется вегетативной нервной системой (висцеральной эфферентные волокна)
- в основном обнаруживается в стенках полых органов и трубок
- Веретенообразные ячейки, как правило, размещены в листах Клетки
- не имеют Т-канальцев и имеют очень маленький саркоплазматический ретикулум Клетки
- не содержат саркомеров (поэтому не имеют бороздок), но состоят из толстые и тонкие миофиламенты.Тонкие нити в гладкой мускулатуре не содержат тропонин. Кальций
- связывается не с тропонином, а, скорее, с белком под названием кальмодулин. Комплекс кальций-кальмодулин «активирует» миозин, который затем связывается с актином, и начинается сокращение (поворот поперечных мостиков).
Два типа гладкой мускулатуры:
1 — висцеральный, или унитарные, гладкие мышцы
- найдено в стенках полых органов (напр.г., мелкие кровеносные сосуды, пищеварительные тракта, мочевыделительной системы и репродуктивной системы)
- несколько волокон сжимаются как единое целое (поскольку импульсы легко проходят через щелевые переходы от клетки к клетке) и, в некоторых случаях, самовозбудимые (генерируют спонтанные потенциалы действия и сокращения)
- 2 — гладкая мускулатура многокомпонентная
- состоит из двигательных единиц, которые активируются нервной стимуляцией
- обнаружен в стенках крупных кровеносных сосудов, в глазу (корректирует форму линзы, чтобы разрешить размещение и размер зрачка, чтобы отрегулировать количество света, попадающего в глаз) и у основания волосяного фолликула (мышцы «гусиная шишка»)
Полезные ссылки:
Актин Миозиновая анимация
Введение к физиологии мышц и дизайну
Макгроу-Хилл: Скелетно-мышечная система
Цитированная литература:
Бретт, Ф., и К. Орчард. 2007. Возрождение исследования сердечных Т-канальцев. Физиология 22: 167-173.
Дэвис К. Э. и К. Дж. Новак. 2006. Молекулярные механизмы мышечных дистрофий: старые и новые игроки. Nature Reviews Molecular Cell Biology 7: 762-773.
Хирш, Н. П. 2007. Нервно-мышечный переход в здоровье и болезни. Британский журнал анестезии 99: 132-138.
Хопкинс, П. М. 2005. Основы анестезии, второе изд. Мосби, Лондон.
Юркат-Ротт, К., и Ф. Леманн-Хорн. 2005. Мышечные каналопатии и критические точки в функциональных и геномных исследованиях. Журнал клинических исследований 115: 2000-2009.
Цховребова Л. и Дж. Триник. 2003. Титин: собственность и семейные отношения. Nature Reviews Molecular Cell Biology 4: 679-689.
Видрик, Дж. Дж., Дж. Дж. Роматовски, К. М. Норенберг, С. Т. Кнут, Дж. Л. В. Бейн, Д. А. Райли, С. В. Траппе, Т. А. Траппе, Д. Л. Костилл и Р. Х. Фиттс. 2001. Функциональные свойства медленных и быстрых волокон икроножной мышцы после 17-дневного космического полета.