Химический состав костей человека. Каков химический состав костей?
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.
Читайте также: Полиэфир что за ткань дышит
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 Са 2+ .
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.
| Название или тип соединения | Процентное содержание | Название минерального соединения | Процентное содержание |
| Вода | 50% | Фосфорнокислый кальций | 85% |
| Жир | 16% | Фосфористый кальций | 9% |
| Органические 3вещества (оссеин) | 12% | Углекислый кальций | 3% |
| Неорганичекие вещества | 22% | Фосфорнокислый магний | 1,5% |
| Хлористый натрий | 0,25% | ||
| Хлористый калий | 0,25% | ||
| Другие неорганические вещества | 1% | ||
| Всего | 100% | 100% |
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.
Химический состав костной ткани
Биохимия костной ткани
Костная ткань – особый вид соединительной ткани. Клеточными элементами костной ткани являются остеобласты, остеоциты, остеокласты.
Остеобласты- достаточно большое количество гликогена, глюкозы. Синтез АТФ на 60% связан с реакциями гликолиза. В клетках протекают реакции ЦТК, и наибольшей активностью обладает цитратсинтаза. Синтезируемый цитрат используется в дальнейшем для связывания Са 2+ , необходимого в процессах минерализации. Поскольку функцией остеобластов является создание органического межклеточного матрикса, эти клетки содержат большое количество РНК, необходимой для синтеза белков. В остеобластах синтезируются и выделяются во внеклеточное пространство глицерофосфолипиды, которые связывают кальций и участвуют в процессах минерализации. Остеобласты синтезируют и выделяют в межклеточное вещество фибриллы коллагена, протеогликаны и гликозаминогликаны и обеспечивают непрерывный рост кристаллов гидроксиапатитов. По мере старения остеобласты превращаются в остеоциты.
Остеоциты- зрелая отросчатая клетка костной ткани, вырабатывающая компоненты межклеточного вещества. Остеоциты контактируют друг с другом через отростки.
Остеокласты– образуются из макрофагов, содержат много лизосом и митохондрий. Они осуществляют непрерывный управляемый процесс реконструкции и обновления костной ткани.
Химический состав костной ткани
Межклеточный органический матрикс компактной кости составляет около 20%, неорганические вещества 70%, вода 10%.
Межклеточное вещество состоит из основного вещества (состоящего из внеклеточной жидкости, гликопротеинов, протеогликанов), коллагеновых волокон (90-95%), минеральных веществ, представленных кристаллами, преимущественно гидроксиапатитом Са10(РО4)6(ОН)2. Кроме того, в кости обнаружены ионы Mg 2+ , Na + ,K + , SO4 2- ,НСО 3- , гидроксильные и другие.
Основными белками межклеточного матрикса являются коллагеновые белки I типа, которые составляют около 90% органического матрикса кости. Коллаген I типа содержит 33% глицина, 21% пролина и гидроксипролина, 1% гидроксилизина и малое количество углеводов. Находится в составе костей, дентина, пульпы зуба, цемента, периодонтальных волокон. Этот тип коллагеновых волокон участвует в процессах минерализации. Первичная структура коллагена представлена α-цепями, состоящими из 1000 аминокислотных остатков. Три альфа-цепи скручиваются между собой и образуют тропоколлаген. Формируя фибриллы, молекулы тропоколлагена располагаются ступенчато, смещаясь относительно друг друга на одну четверть длины, что придает фибриллам характерную исчерченность.(Рис. 1)
Читайте также: Художественная роспись по ткани относится
Рис. 1. Структуры коллагена.
Между альфа-цепями тропоколлагена возникают водородные связи, в образовании которых участвуют гидроксипролин, гидроксилизин и гликозилированный гидроксилизин. В реакциях гидроксилирования пролина и лизина участвует аскорбиновая кислота. В дальнейшем с помощью лизилоксидазы, фермента содержащего Сu 2+ , образуются альдегидные производные лизина и 5-гидроксилизина, которые способствуют образованию межмолекулярных ковалентных связей между фибриллами коллагена. Образование межмолекулярных связей влияет на прочность коллагеновых фибрилл.
Поэтому недостаток в организме аскорбиновой кислоты(цинга), ионов Сu 2+ , генетические дефекты, аутоиммунные состояния приводят к нарушению синтеза коллагена. Клинические проявления будут в виде изменений со стороны зубочелюстной системы : кровоточивость десен, подвижность и выпадение зубов, множественный кариес.
В костной ткани содержится около 10% неколлагеновых белков. Они представлены:10% протеогликанов, 15% костный сиалопротеин, 15% остеонектин, 10% α2HSгликопротеин, 3% альбумин сыворотки, 15% остеокальцин, 32% другие белки. Эти белки синтезируются остеобластами и способны связывать фосфаты или кальций.
Какие химические элементы содержится в костной ткани
Кость, os, ossis, как орган живого организма состоит из нескольких тканей, главнейшей из которых является костная.
Химический состав кости и ее физические свойства.
Костное вещество состоит из двоякого рода химических веществ: органических (1/3), главным образом оссеина, и неорганических (2/3), главным образом солей кальция, особенно фосфорнокислой извести (более половины — 51,04 %). Если кость подвергнуть действию раствора кислот (соляной, азотной и др.), то соли извести растворяются (decalcinatio), а органическое вещество остается и сохраняет форму кости, будучи, однако, мягким и эластичным. Если же кость подвергнуть обжиганию, то органическое вещество сгорает, а неорганическое остается, также сохраняя форму кости и ее твердость, но будучи при этом весьма хрупким. Следовательно, эластичность кости зависит от оссеина, а твердость ее — от минеральных солей. Сочетание неорганических и органических веществ в живой кости и придает ей необычайные крепость и упругость. В этом убеждают и возрастные изменения кости. У маленьких детей, у которых оссеина сравнительно больше, кости отличаются большой гибкостью и потому редко ломаются. Наоборот, в старости, когда соотношение органических и неорганических веществ изменяется в пользу последних, кости становятся менее эластичными и более хрупкими, вследствие чего переломы костей чаще всего наблюдаются у стариков.
Строение кости
Структурной единицей кости, видимой в лупу или при малом увеличении микроскопа, является остеон, т. е. система костных пластинок, концентрически расположенных вокруг центрального канала, содержащего сосуды и нервы.
Остеоны не прилегают друг к другу вплотную, а промежутки между ними заполнены интерстициальными костными пластинками. Остеоны располагаются не беспорядочно, а соответственно функциональной нагрузке на кость: в трубчатых костях параллельно длиннику кости, в губчатых — перпендикулярно вертикальной оси, в плоских костях черепа — параллельно поверхности кости и радиально.
Вместе с интерстициальными пластинками остеоны образуют основной средний слой костного вещества, покрытый изнутри (со стороны эндоста) внутренним слоем костных пластинок, а снаружи (со стороны периоста) — наружным слоем окружающих пластинок. Последний пронизан кровеносными сосудами, идущими из надкостницы в костное вещество в особых прободающих каналах. Начало этих каналов видно на мацерирован-ной кости в виде многочисленных питательных отверстий (foramina nutricia). Проходящие в каналах кровеносные сосуды обеспечивают обмен веществ в кости. Из остеонов состоят более крупные элементы кости, видимые уже невооруженным глазом на распиле или на рентгенограмме, — перекладины костного вещества, или трабекулы. Из этих трабекул складывается двоякого рода костное вещество: если трабекулы лежат плотно, то получается плотное компактное вещество, substantia compacta. Если трабекулы лежат рыхло, образуя между собою костные ячейки наподобие губки, то получается губчатое, трабекулярное вещество, substantia spongiosa, trabecularis (spongia, греч. — губка).
Читайте также: Кукла из кружочков ткани своими руками
Распределение компактного и губчатого вещества зависит от функциональных условий кости. Компактное вещество находится в тех костях и в тех частях их, которые выполняют преимущественно функцию опоры (стойки) и движения (рычаги), например в диафизах трубчатых костей.
В местах, где при большом объеме требуется сохранить легкость и вместе с тем прочность, образуется губчатое вещество, например в эпифизах трубчатых костей.
Перекладины губчатого вещества располагаются не беспорядочно, а закономерно, также соответственно функциональным условиям, в которых находится данная кость или ее часть. Поскольку кости испытывают двойное действие — давление и тягу мышц, постольку костные перекладины располагаются по линиям сил сжатия и растяжения. Соответственно разному направлению этих сил различные кости или даже части их имеют разное строение. В покровных костях свода черепа, выполняющих преимущественно функцию защиты, губчатое вещество имеет особый характер, отличающий его от остальных костей, несущих все 3 функции скелета. Это губчатое вещество называется диплоэ, diploe (двойной), так как оно состоит из неправильной формы костных ячеек, расположенных между двумя костными пластинками — наружной, lamina externa, и внутренней, lamina interna. Последнюю называют также стекловидной, lamina vftrea, так как она ломается при повреждениях черепа легче, чем наружная.
Костные ячейки содержат костный мозг — орган кроветворения и биологической защиты организма. Он участвует также в питании, развитии и росте кости. В трубчатых костях костный мозг находится также в канале этих костей, называемом поэтому костномозговой полостью, cavitas medullaris.
Таким образом, все внутренние пространства кости заполняются костным мозгом, составляющим неотъемлемую часть кости как органа.
Костный мозг бывает двух родов: красный и желтый.
Красный костный мозг, medulla ossium rubra (детали строения см. в курсе гистологии), имеет вид нежной красной массы, состоящей из ретикулярной ткани, в петлях которой находятся клеточные элементы, имеющие непосредственное отношение к кроветворению (стволовые клетки) и костеобразованию (костесозидатели — остеобласты и костеразруши-тели — остеокласты). Он пронизан нервами и кровеносными сосудами, питающими, кроме костного мозга, внутренние слои кости. Кровеносные сосуды и кровяные элементы и придают костному мозгу красный цвет.
Желтый костный мозг, medulla ossium flava, обязан своим цветом жировым клеткам, из которых он главным образом и состоит.
В периоде развития и роста организма, когда требуются большая кроветворная и костеобразующая функции, преобладает красный костный мозг (у плодов и новорожденных имеется только красный мозг). По мере роста ребенка красный мозг постепенно замещается желтым, который у взрослых полностью заполняет костномозговую полость трубчатых костей.
Снаружи кость, за исключением суставных поверхностей, покрыта надкостницей, periosteum (периост).
Надкостница — это тонкая, крепкая соединительнотканная пленка бледно-розового цвета, окружающая кость снаружи и прикрепленная к ней с помощью соединительнотканных пучков — прободающих волокон, проникающих в кость через особые канальцы. Она состоит из двух слоев: наружного волокнистого (фиброзного) и внутреннего костеобразующего (остеогенного, или камбиального). Она богата нервами и сосудами, благодаря чему участвует в питании и росте кости в толщину. Питание осуществляется за счет кровеносных сосудов, проникающих в большом числе из надкостницы в наружное компактное вещество кости через многочисленные питательные отверстия (foramina nutricia), а рост кости осуществляется за счет остеобластов, расположенных во внутреннем, прилегающем к кости слое (камбиальном). Суставные поверхности кости, свободные от надкостницы, покрывает суставной хрящ, cartilage articularis.
Таким образом, в понятие кости как органа входят костная ткань, образующая главную массу кости, а также костный мозг, надкостница, суставной хрящ и многочисленные нервы и сосуды.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом