Какие органические и неорганические вещества содержатся в костной ткани

Кости занимают строго определенное место в организме человека. Как и любой орган, кость представлена разными видами тканей, основное место среди которых занимает костная ткань, являющаяся разновидностью соединительной ткани.

Кость (os) имеет сложное строение и химический состав. В живом организме в составе кости взрослого человека присутствует до 50 % воды, 28,15 % органических и 21,85 % неорганических веществ. Неорганические вещества представлены соединениями кальция, фосфора, магния и других элементов. Мацерированная кость на 1/3 состоит из органических веществ, получивших название «оссеин», на 2/3 – из неорганических веществ.

Прочность кости обеспечивается физико-химическим единством неорганических и органических веществ и особенностями ее конструкции. Преобладание органических веществ обеспечивает значительную упругость, эластичность кости. При увеличении доли неорганических соединений (в старческом возрасте, при некоторых заболеваниях) кость становится ломкой, хрупкой. Соотношение неорганических веществ в составе кости у разных людей неодинаково. Даже у одного и того же человека оно изменяется на протяжении жизни, зависит от особенностей питания, профессиональной деятельности, наследственности, экологических условий и др.

Большинство костей взрослого человека состоит из пластинчатой костной ткани. Из нее образовано компактное и губчатое вещество, распределение которых зависит от функциональных нагрузок на кость.

Компактное вещество (substantia compacta) кости образует диафизы трубчатых костей, в виде тонкой пластины покрывает снаружи их эпифизы, а также губчатые и плоские кости, построенные из губчатого вещества. Компактное вещество кости пронизано тонкими каналами, в которых проходят кровеносные сосуды, нервные волокна. Одни каналы располагаются преимущественно параллельно поверхности кости (центральные, или гаверсовы, каналы), другие открываются на поверхности кости питательными отверстиями (foramina nutricia), через которые в толщу кости проникают артерии и нервы, а выходят вены.

Стенки центральных (гаверсовых) каналов (canales centrales) образованы концентрическими пластинками толщиной 4-15 мкм, как бы вставленными друг в друга. Вокруг одного канала от 4 до 20 таких костных пластинок. Центральный канал вместе с окружающими его пластинками называют остеоном (гаверсова система). Остеон является структурно-функциональной единицей компактного вещества кости. Пространства между остеонами заполнены вставочными пластинками. Наружный слой компактного вещества сформирован наружными окружающими пластинками, являющимися продуктом костеобразующей функции надкостницы. Внутренний слой, ограничивающий костно-мозговую полость, представлен внутренними окружающими пластинками, образующимися из остеогенных клеток эндоста.

Губчатое (трабекулярное) вещество кости (substantia spongiosa) напоминает губку, построенную из костных пластинок (балок) с ячейками между ними. Расположение и размеры костных балок определяются нагрузками, которые испытывает кость в виде растяжения и сжатия. Линии, соответствующие ориентации костных балок, называют кривыми сжатия и растяжения. Расположение костных балок под углом друг к другу способствует равномерной передаче на кость давления (мышечной тяги). Такая конструкция придает кости прочность при наименьшей затрате костного вещества.

Вся кость, кроме ее суставных поверхностей, покрыта соединительнотканной оболочкой – надкостницей. Надкостница (periosteum) прочно срастается с костью за счет соединительнотканных прободающих (шарпеевых) волокон, проникающих в глубь кости. У надкостницы выделяют два слоя. Наружный фиброзный слой образован коллагеновыми волокнами, придающими особую прочность надкостнице. В нем проходят кровеносные сосуды и нервы. Внутренний слой – ростковый, камбиальный. Он прилежит непосредственно к наружной поверхности кости, содержит остеогенные клетки, за счет которых кость растет в толщину и регенерирует после повреждения. Таким образом, надкостница выполняет не только защитную и трофическую, но и костеобразующую функции.

Изнутри, со стороны костно-мозговых полостей, кость покрыта эндостом. Эндост (endost) в виде тонкой пластинки плотно прилежит к внутренней поверхности кости и также выполняет остеогенную функцию.

Кости отличаются значительной пластичностью. Они легко перестраиваются под действием тренировок, физических нагрузок, что проявляется в увеличении или уменьшении количества остеонов, изменении толщины костных пластинок компактного и губчатого веществ. Для оптимального развития кости предпочтительны умеренные регулярные физические нагрузки. Сидячий образ жизни, малые нагрузки способствуют ослаблению и истончению кости. Кость приобретает крупноячеистое строение и даже частично рассасывается (резорбция кости, остеопороз). Профессия также оказывает влияние на особенность строения кости. Существенную роль, помимо внешнесредовых, играют также наследственно-половые факторы.

Пластичность костной ткани, ее активная перестройка обусловлены образованием новых костных клеток, межклеточного вещества на фоне разрушения (резорбции) имеющейся костной ткани. Резорбция обеспечивается деятельностью остеокластов. На месте разрушающейся кости формируются новые костные балки, новые остеоны.

[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]

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

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

Соединения, формирующие скелет

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

Превращения в различных средах

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

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

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

Через микроскоп

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

Основные функции соединений разной природы

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

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

Состав костей в детском возрасте

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

Для правильного формирования тканей ребёнка крайне важно потребление витаминов. В частности, такого, как Д3. Только в его присутствии химический состав костей в полной мере пополняется кальцием. Дефицит этого витамина может привести к развитию хронических заболеваний и излишней хрупкости скелета из-за того, что ткань вовремя не наполнилась солями Са2+.

Скелет взрослого

Химический состав костей человека, прошедшего подростковый возраст, значительно отличается от детского. Теперь соотношение минеральной и оссеиновой частей примерно сравниваются. Исчезает особая гибкость костной ткани, зато прочность скелета за счёт неорганической составляющей увеличивается в разы. Физические свойства её сравнимы с железобетонной конструкцией или чугуном, а упругость даже больше, чем у древесины дуба.

В полном объёме обеспечить сбалансированный химический состав костей человека (таблица, приведённая ниже, содержит данные о нормальном процентном содержании всех веществ, составляющих скелет) можно благодаря правильному образу жизни, рациональному питанию и заботе о здоровье.

Изменения химического состава костей у пожилых людей

Химический состав костей человека нарушается к старости, что приводит к серьёзным последствиям. Люди преклонного возраста жалуются на проблемы с опорно-двигательной системой, у них чаще случаются переломы, которые заживают дольше, чем у ребенка или взрослого. Это следствие увеличения содержания неорганических солей в составе скелета, их количество доходит до 80%. Нехватка коллагена, следовательно, уменьшение такого свойства, как упругость, приводит к тому, что кости становятся крайне хрупкими. Восстановление баланса возможно с помощью специальных медицинских препаратов, но всё равно этот процесс невозможно остановить или повернуть вспять. Такова физиологическая особенность организма.

Для здоровья и нормальной работы скелета необходимо с детства следить за правильным наполнением костной ткани всеми химическими элементами и соединениями, только в этом случае представляется возможность вести полноценный и активный образ жизни.

Изучение
химического состава костной ткани сопряжено со значительными трудностями,
поскольку для выделения органического матрикса требуется провести
деминерализацию кости. Кроме того, содержание и состав органического матрикса
подвержены значительным изменениям в зависимости от степени минерализации
костной ткани.

Известно, что
при продолжительной обработке кости в разведенных растворах кислот ее
минеральные компоненты растворяются и остается гибкий мягкий органический
остаток (органический матрикс), сохраняющий форму интактной кости. Межклеточный
органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические
вещества – 70% и вода – 10%. В губчатой кости преобладают органические
компоненты, которые составляют более 50%, на долю неорганических соединений
приходится 33–40%. Количество воды сохраняется в тех же пределах, что и в
компактной кости (Ю.С. Касавина, В.П. Торбенко).

По данным А.
Уайта и соавт., неорганические компоненты составляют около 1/4
объема кости; остальную часть занимает органический матрикс. Вследствие
различий в относительной удельной массе органических и неорганических
компонентов на долю нерастворимых минералов приходится половина массы кости.

Неорганический состав костной ткани. Более 100 лет назад было высказано предположение, что
кристаллы костной ткани имеют структуру апатита. В дальнейшем это в
значительной мере подтвердилось. Действительно, кристаллы кости относятся к
гидроксилапатитам, имеют форму пластин или палочек и следующий химический
состав – Са10(РО4)6(ОН)2. Кристаллы
гидроксилапатита составляют лишь часть минеральной фазы костной ткани, другая
часть представлена аморфным фосфатом кальция Са3(РО4)2.
Содержание аморфного фосфата кальция подвержено значительным колебаниям в
зависимости от возраста. Аморфный фосфат кальция преобладает в раннем возрасте,
в зрелой кости преобладающим становится кристаллический гидроксилапатит. Обычно
аморфный фосфат кальция рассматривают как лабильный резерв ионов Са2+
и фосфата.

В организме
взрослого человека содержится более 1 кг кальция, который почти целиком
находится в костях и зубах, образуя вместе с фосфатом нерастворимый
гидроксилапатит. Большая часть кальция в костях постоянно обновляется.
Ежедневно кости скелета теряют и вновь восстанавливают примерно 700–800
мг кальция.

В состав
минеральной фазы кости входит значительное количество ионов, которые обычно не
содержатся в чистом гидроксилапатите, например ионы натрия, магния, калия,
хлора и др. Высказано предположение, что в кристаллической решетке
гидроксилапатита ионы Са2+ могут замещаться другими двухвалентными
катионами, тогда как анионы, отличные от фосфата и гидроксила, либо
адсорбируются на поверхности кристаллов, либо растворяются в гидратной оболочке
кристаллической решетки.

Органический матрикс костной ткани. Приблизительно 95% органического матрикса приходится на
коллаген. Вместе с минеральными компонентами коллаген является главным
фактором, определяющим механические
свойства кости. Коллагеновые фибриллы костного матрикса образованы коллагеном
типа 1. Известно, что данный тип коллагена входит также в состав сухожилий и
кожи, однако коллаген костной ткани обладает некоторыми особенностями. Есть
данные, что в коллагене костной ткани несколько больше оксипролина, чем в коллагене
сухожилий и кожи. Для костного коллагена характерно большое содержание
свободных ε-амино-групп лизиновых и оксилизиновых остатков. Еще одна
особенность костного коллагена – повышенное по сравнению с коллагеном других
тканей содержание фосфата. Большая часть этого фосфата связана с остатками
серина.

В сухом
деминерализованном костном матриксе содержится около 17% неколлагеновых белков,
среди которых находятся и белковые компоненты протеогликанов. В целом
количество протеогликанов в сформировавшейся плотной кости невелико.

В состав
органического матрикса костной ткани входят гликозамино-гликаны, основным
представителем которых является хондроитин-4-суль-фат. Хондроитин-6-сульфат,
кератансульфат и гиалуроновая кислота содержатся в небольших количествах.

Принято
считать, что гликозаминогликаны имеют непосредственное отношение к оссификации
. Показано, что окостенение сопровождается изменением гликозаминогликанов:
сульфатированные соединения уступают место несульфатированным. Костный матрикс
содержит липиды, которые представляют собой непосредственный компонент костной
ткани, а не являются примесью в результате недостаточно полного удаления
богатого липидами костного мозга. Липиды принимают участие в процессе
минерализации. Есть основания полагать, что липиды могут играть существенную
роль в образовании ядер кристаллизации при минерализации кости.

Биохимические
и цитохимические исследования показали, что остеобласты – основные клетки
костной ткани – богаты РНК . Высокое содержание РНК в костных клетках
отражает их активность и постоянную биосинтетическую функцию (табл. 22.1).

Своеобразной
особенностью костного матрикса является высокая концентрация цитрата: около 90%
его общего количества в организме приходится на долю костной ткани. Принято
считать, что цитрат необходим для минерализации костной ткани. Вероятно, цитрат
образует комплексные соединения с солями кальция и фосфора, обеспечивая
возможность повышения концентрации их в ткани до такого уровня, при котором
могут начаться кристаллизация и минерализация.

Кроме
цитрата, в костной ткани обнаружены сукцинат, фумарат, малат, лактат и другие
органические кислоты.