Анатомия и физиология костно-мышечной

Анатомия и физиология костно-мышечной

Sterling West, M.D.

1. Назовите две основные функции костно-мышечной системы.

Поддержание тела в вертикальном положении и целенаправленные движения Двигательная активность человека зависит от эффективного взаимодействия суставов и нейромышечных структур

2. Назовите пять составляющих костно-мышечной системы.

(1) Мышцы, (2) сухожилия, (3) связки, (4) хрящи, (5) кости. Все эти структуры обеспечивают функции суставов

3. Соединительные ткани различаются строением макромолекул. Назовите мак-ромолекулярный состав структурных элементов соединительной ткани.

Коллаген, эластин, адгезины, протеогликаны.

КОЛЛАГЕН

4. Сколько типов коллагена существует? В каких тканях конкретные типы встречаются наиболее часто?

Коллагены являются самыми распространенными белками организма и составляют 20-30 % от общей массы тела Существует как минимум 14 типов коллагена Уникальные свойства и строение каждого из них позволяют тканям, которые они формируют, выполнять определенные функции

Типы коллагена и их распространение в тканях

VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV Нефибриллярный Нефибриллярный Короткоцепочечный FACIT Короткоцепочечный Интерстициальный FACIT Нефибриллярный FACIT Интима аорты, кожа, почки, мышцы Амнион, дермоэпидермальные фиксирующие волокна Эндотелиальные клетки, мембрана десцеметова оболочка См. коллаген II типа, роговица Зона роста хряща Гиалиновый хрящ См. коллаген 1 типа Эндотелиальные клетки Кожа, сухожилия

FACIT — волокносвязанные коллагены с тремя разорванными спиралями (Fibril-associated collagens with interrupted triple helices).

5. Опишите особенности строения молекул всех типов коллагена. Тройная спираль является отличительной чертой строения молекул всех типов коллагена. Уникальность структуры обусловлена наличием трех полипептидных цепей (а-цепей), закрученных относительно друг друга и главной цепи вправо. Растянутые от аминогрупп до карбоксильных концов обе а-цепи имеют нецепочечные компоненты, называемые телопептидами. В главных интерстициальных коллагенах спиралевидные цепи непрерывны, тогда как в коллагенах другого класса (нефибриллярных, короткоцепочечных, FACIT) цепи могут иметь неспиралевидные участки протяженностью 1-12 сегментов.

Первичная структура а-цепей характеризуется повторяющимся триплетом Х-Y-Глицин. X и Y могут быть любыми аминокислотами, но чаще всего это, соответственно, пролин и гидроксипролин. В целом примерно 25 % остатков в триплете цепочек состоит из пролина и гидроксипролина. Также часто обнаруживается гидроксили-зин. В абсолютном большинстве интерстициальных коллагенов (1,11 типов) триплет цепочки содержит около 1000 аминокислотных остатков — (Х-У-Глицин)3зз-

Структура молекулы интерстициального (фибриллярного) коллагена в форме тройной спирали с концевыми телопептидами

6. Назовите основные классы и типы коллагена, соответствующие каждому классу.

• Интерстициальные (фибриллярные) коллагены — типы I, II, III, V, XI. Наиболее крупный класс коллагенов, которые образуют внеклеточные структуры большинства соединительных тканей. Они характеризуются таким же пределом прочности на разрыв, как стальная проволока.

• FACIT (фибриллярные коллагены с перерывами в спиралевидной структуре) — типы IX, XII, XIV. Эти коллагены связаны с интерстициальными (фиб-риллярными) и встречаются в тех же тканях.

• Коллагены со специфической структурой и функциями:

— коллаген базальной мембраны — тип IV;

— нефибриллярные коллагены — типы VI, VII, XIII;

— короткоцепочечные коллагены — типы VIII, X.

7. Как синтезируются интерстициальные коллагены?

1. Выявлено как минимум 20 генов, кодирующих различные цепи коллагена. Установлено, что эти гены содержат кодирующие последовательности (эксоны), разделенные большими некодирующими последовательностями (нитронами). ДНК считывается с образованием мРНК-предшественницы, которая переводится в функциональную мРНК путем иссечения и сращивания, что сопровождается удалением мРНК, закодированной нитронами. Обработанная мРНК покидает ядро и транспортируется к полирибосомам в эндоплазматическом ретикулуме, где образуются полипептидные цепи.

2. Полипептидные цепи гидроксилируются пролилгидроксилазой и лизингидро-ксилазой. Для работы этих ферментов в качестве кофакторов необходимы О2, Fe2+, сс-кетоглютарат и аскорбиновая кислота. Снижение содержания гидроксипролина клинически проявляется цингой (дефицитом аскорбиновой кислоты), которая является следствием нестабильности молекул из-за изменения их структуры и разрушения протеазами.

3. Происходит гликозилирование остатков гидроксилизина, что важно для секреции молекул мономеров проколлагена.

4. Формируются межцепочечные дисульфидные мостики, что сопровождается образованием спиралевидной структуры коллагена.

5. Секреция проколлагена во внеклеточное пространство.

6. Переход проколлагена в коллаген за счет отщепления проколлагенпептидазой концевых амино- и карбоксилтелопептидов.

7. Организация молекул мономеров коллагена в фибриллы (микрофибриллы) и переплетение фибрилл.

8. Агрегация «конец в конец» и боковая агрегация фибрилл с образованием колла-геновых волокон.

Размеры молекулы коллагена составляют 300 нм в длину и 1,5 нм в ширину, причем каждая молекула имеет пять выдвинутых участков длиной 68 нм. Эти участки расположены по одной линии в сформированных фибриллах, хотя каждая молекула коллагена подвижна по отношению к другой приблизительно на ‘/4 часть своей длины. Поэтому очевидно, что существует множество этапов, где в процессе биосинтеза коллагена могут возникнуть дефекты, приводящие к болезням (глава 59).

Самоорганизация молекул коллагена в волокна за счет поперечных сшивок

8. Какие ферменты участвуют в разрушении коллагена? Как регулируется их функция?

Самые важные коллагенолитические ферменты, отвечающие за расщепление коллагена I типа, принадлежат к матричной металлопротеиназной группе. Этот фермент (ММП1) секретируется в неактивной форме, а при активации расщепляет молекулу коллагена в единственном специфическом участке — 75 % от аминоконца (между 775-776-м остатками а!(1)цепи). Желатиназы и стромализин разрушают затем раскрывающиеся фрагменты.

Активность коллагеназ способны блокировать сс2-макроглобулин и тканевой ингибитор металлопротеаз (ТИМП). Вероятно, что для других типов коллагена имеются
специфичные коллагеназы, способные их разрушать. Для определения скорости обмена (синтеза и разрушения) коллагена измеряют концентрации проколлагеновых пепти-дов в сыворотке крови, гидроксипролина и пиридоксина/деоксипиридинолина в моче.

ЭЛАСТИН И АДГЕЗИН

9. Что такое эластин, где он находится?

Эластиновые волокна — это элементы соединительной ткани, способные удлиняться при гидратировании и возвращаться к исходной длине. Они составляют значительную часть массы сухого вещества многих органов (связки — до 70-80 %; легкие и крупные кровеносные сосуды, такие как аорта,— 30-60 %; кожа — 2-5 %). Эластин — полимер, состоящий из мономеров тропоэластина, который содержит 850 аминокислот, преимущественно валин, пролин, глицин и аланин. При образовании из молекул тропоэластина волокна — остатки лизина поперечно связываются с формированием десмозина и изодесмозина, которые присущи только эластину. Эластазы, являющиеся сериновыми протеазами, отвечают за разрушение эластина. Эластазы содержатся в тканях, макрофагах, лейкоцитах и тромбоцитах; они способны повреждать стенки кровеносных сосудов с последующим формированием аневризм при васкулитах. Концентрация десмозина в моче служит критерием деградации эластина.

10. Перечислите важнейшие адгезины, присутствующие внутри клеток и в составе базальной мембраны.

Фибронектин — соединительная ткань Ламинин — базальная мембрана Хондронектин — хрящи Остеонектин — кости Эти белки имеют специфичные адгезивные и другие важные свойства.

11. Что такое фибриллин?

Фибриллин — больших размеров гликопротеин, кодируемый геном, расположенным в 15-й хромосоме. Фибриллин функционирует в составе микрофибриллярных протеинов, формирующих основу эластина. Этот гликопротеин обнаруживается в виде изолированных пучков микрофибрилл кожи, кровеносных сосудов и некоторых других тканей. Нарушения в строении и функции фибриллина являются причиной синдрома Марфана (глава 59).

ПРОТЕОГЛИКАНЫ

12. Каковы различия между протеогликанами и гликозоаминогликанами? Протеогликаны — это гликопротеины, содержащие одну или несколько сульфатиро-ванных гликозоаминогликановых цепей (ГАГ). Их классифицируют по центральному протеину, кодируемому отдельными генами. ГАГ подразделяются на пять типов: хондроитин сульфат, дерматан сульфат, гепаран сульфат, гепарин и кератан сульфат. ГАГ являются частью протеогликанов.

13. Где расположены протеогликаны?

Протеогликаны синтезируются клетками соединительной ткани. Они могут оставаться связанными с поверхностью клеток (синдекан, бетагликан), межклеточными соединениями (серглицин) или базальной мембраной (пергликан). Связанные с клетками протеогликаны содержат в основном гепарин/гепаран сульфат или хондроитин сульфат. Протеогликаны также секретируются во внеклеточный матрикс (аг-грекан, визикан, декорин, бигликан, фибромодулин); в этом случае главным компонентом их являются хондроитин сульфат, дерматан сульфат или кератан сульфат.

14. Расскажите о метаболизме протеогликанов в организме.

Протеогликаны разрушаются протеиназами, освобождают ГАГ; последние захватываются клетками путем эндоцитоза, а затем происходит их разрушение в лизосомах гликозидазами и сульфатазами. Дефекты в строении и функции этих ферментов приводят к возникновению заболеваний, называемых мукополисахаридозами.

КОСТНО-МЫШЕЧНАЯ СИСТЕМА

15. Как классифицируются сочленения костей?

Синартрозы: швы на черепе, в месте соединения отдельных костей тонкой фиброзной тканью.

Амфиартрозы: смежные кости соединены гибким волокнистым хрящом, позволяющим ограничивать объем движений (лобковый симфиз, часть крестцово-под-вздошного сочленения, межпозвоночные диски).

Диартрозы (синовиальные суставы): это самые распространенные и подвижные суставы, имеющие синовиальную оболочку. Подразделяются на шарообразные и имеющие впадину (тазобедренный), блоковидные, или шарнирные (межфаланго-вые), седловидные (первый пястно-запястный) и плоские (тугоподвижные), пател-ло-феморальный.

16. Какие основные ткани формируют диартрозоподобный (синовиальный) сустав?

Диартрозоподобный сустав состоит из гиалинового хряща, покрывающего поверхности двух или более противоположных костей. Ткани сустава окружены синовиальной капсулой. Некоторые суставы содержат мениски из фиброхряща. Не стоит забывать, что полость сустава — пространство, в котором может скапливаться нечто постороннее. В норме давление внутри сустава отрицательное (-5,7 см вод. ст.), сравнимо с окружающим атмосферным.

17. Опишите микроскопическое строение нормальной синовиальной оболочки.

Синовиальная выстилка в норме сформирована слоем синовиальных клеток, толщина которого 1-3 клетки. Она покрывает все внутрисуставные структуры, кроме контактирующих между собой суставных хрящей. Клетки синовиальной оболочки, находящиеся в матриксе, богаты коллагеном I типа и протеогликанами.

Существует два основных типа клеток синовиальной оболочки, различить их удается только с помощью электронной микроскопии. Клетки типа А — макрофаго-подобные, являются первичными фагоцитами. Клетки типа В — фибробластоподоб-ные, секретируют гиалуронат, повышающий вязкость синовиальной жидкости.

В синовиальной жидкости обнаружены другие клетки — антигенпрезентирующие, называемые дендритными, и тучные. Синовиальная оболочка не имеет ограничительной базальной мембраны; содержит жир и лимфатические сосуды, фенестрированные микрососуды и нервные волокна, исходящие из капсулы и околосуставных тканей.

18. Почему синовиальная жидкость вязкая?

Вязкость ей придает гиалуроновая кислота, синтезируемая синовиальными клетками типа В. Синовиальная жидкость по консистенции и внешнему виду в норме напоминает белок куриного яйца.

19. Каковы физические характеристики синовиальной жидкости коленного сустава в норме.

Цвет — бесцветная и прозрачная.

Количество — тонкая пленка, покрывающая синовиальную оболочку и хрящи внутри сустава.

Количество клеток — < 200/мм3, нейтрофилов — < 25 %. Белок — 1,3-1,7 г/дл (13-17 г/л)(20 % содержания плазмы крови). Глюкоза — до 20 мг/дл (до 0,1 ммоль/л) в сыворотке через 6 ч после еды. Температура — 32 °С (периферические суставы холоднее, чем тело). рН — 7,4.

20. Каковы функции, строение и состав суставного хряща?

Суставные хрящи не васкуляризованы и не имеют иннервации; эти функции выполняет окружающая соединительная ткань, которая способна поглощать энергию ударов и противостоит силам сдвига. Эти свойства обусловлены уникальным строением внеклеточного матрикса.

Нормальный хрящ состоит из обширной популяции специализированных клеток, называемых хондроцитами и обеспечивающих синтез и восстановление внеклеточного матрикса. Этот матрикс представлен в основном коллагеном и протеоглика-нами. В частности, коллаген II типа (> 90 %) составляет 50-60 % массы сухого вещества хряща. Коллаген образует сеть из волокон, что формирует определенную структуру хрящевой ткани.

Протеогликаны — второй значительный компонент суставного хряща. Они образуют супрамолекулярные скопления (аггрекан) с молекулярной массой (ММ) 2-3 млн. Данное образование протеогликанов состоит из центрально расположенной тонкой нити гиалуроновой кислоты, к которой нековалентно присоединены и стабилизированы протеином мономеры протеогликанов (преимущественно состоящих из кератан сульфата и хондроитин сульфата).

Образование напоминает по виду ершик для мытья бутылок и имеет молекулярную массу 200 млн. Протеогликаны встраиваются в структуру коллагена. Отрицательно заряженные Протеогликаны, взаимоотталкиваясь, вызывают растяжение коллагена, которому противодействуют эластические силы (устанавливается равновесие между силами растяжения и сокращения). В состав хряща входят также другие типы коллагена (V, VI, IX, X, XI), два белка (хондронектин, анхорин) и липиды.

Схема агрегации протеогликанов суставного хряща. Гиалуроновая кислота (ГК) является основой. Мономеры протеогликана (аггрекан) увеличивают промежутки по разные стороны от гиалуроновой кислоты. СБ — связанный белок; КС — кератан сульфат; ХС — хондроитин сульфат

Вода также является одним из самых важных компонентов суставного хряща и составляет до 80 % его массы. Она удерживается в хряще за счет взаимодействия с агрегатами протеогликанов.

21. Что такое четыре зоны хряща?

Различные молекулярные компоненты хряща образуют высокоорганизованную структуру, которая неодинакова на разной его глубине. Выделяют четыре зоны, среди которых:

1. Поверхностная (тангенциальная) зона (10%) — самая маленькая. Волокна коллагена тонкие и расположены горизонтально по отношению к подхрящевой кости. Содержит мало ГАГ. Эта зона называется блестящей пластинкой.

2. Средняя (промежуточная) зона (50 %) — самая большая зона. Коллагеновые волокна толще и располагаются в форме радиальных пучков. Содержит много пpo^ теогликанов и воды.

3. Глубокая (радиальная) зона (20 %) содержит самое большое количество колла-геновых волокон, расположенных радиально (перпендикулярно) по отношению к подхрящевой кости, в ней много хондроцитов.

4. Зона обызвествления отделяет хрящ от кости. Коллагеновые волокна проникают через эту зону и скрепляют хрящ с костью.

22. Как хондроциты получают питательные вещества, если хрящ не имеет кровоснабжения?

Сформированный хрящ не снабжен сосудами, хондроциты получают питание за счет диффузии из синовиальной жидкости. Диффузия облегчается при увеличении нагрузки на сустав. При нагрузке вода из хряща переходит в синовиальное пространство. В состоянии покоя гидрофильные свойства протеогликанов хряща способствуют всасыванию воды обратно в хрящ, что обеспечивает диффузию питательных веществ из синовиальной жидкости.

23. Почему пациенты с остеоартритами чувствуют боль, несмотря на то, что хрящ не имеет собственной иннервации?

Пациенты ощущают боль из-за раздражения субхондральной кости, которая подвергается разрушению так же, как и хрящ. Кроме того, избыточное скопление синовиальной жидкости является причиной растяжения суставной капсулы или синовиальной оболочки, имеющих иннервацию. Даже незначительное воспаление синовиальной оболочки причиняет боль.

24. Каковы антифрикционные свойства жидкости в диартроидальных суставах?

Диартроидальные (синовиальные) суставы — это механические структуры, в которых коэффициент трения ниже, чем при катании на коньках по льду. Существуют три источника смазки для суставов.

• Гидродинамическая смазка: при нагрузке на суставной хрящ вода выходит из него. Она образует водяной слой, отделяющий и защищающий взаимодействующие поверхности хряща.

• Пограничный слой смазки: малый гликопротеин, называемый любрицином, вырабатывается клетками синовиальной оболочки. Он расположен на суставном хряще, в участках, где формируется защитный слой из молекул воды.

• Гиалуроновая кислота продуцируется клетками синовиальной оболочки, ее молекулы смазывают контактирующую поверхность между синовиальной  оболочкой и хрящом. Не участвует в смазке соприкасающихся хрящевых поверхностей.

25. Как происходит обмен матрикса суставного хряща?

В здоровом суставном хряще хондроциты делятся редко. Хондроциты синтезируют и замещают основные компоненты внеклеточного матрикса. Протеогликаны чаще обновляются (примерно за неделю), чем коллаген (требуется около месяца). Разрушение этих макромолекул осуществляется протеолитическими ферментами. Ме-таллопротеазы (коллагеназы и стромализин) являются самыми важными участниками этого процесса. Цитокины (интерлейкин-1 и а-фактор некроза опухоли) могут быть дополнительными регуляторами дегенеративного процесса, в то время как трансформирующий р-фактор роста и инсулиноподобный фактор роста-1 оказывают анаболическое действие на метаболизм хондроцитов. Для определения степени (скорости) разрушения хряща проводится анализ жидких сред организма с применением моноклональных антител к коллагену II типа и протеогликанам (кератан сульфату).

26. В чем отличие между связками и сухожилиями?

Связки — это специализированный тип соединительной ткани, позволяющий соединяться костям. Они нередко укрепляют капсулу и обеспечивают стабильность сустава. Сухожилия прикрепляют мышцы к костям. Оба образования состоят в основном из коллагена I типа.

27. Опишите типы и строение костей.

Кость является минерализованной соединительной тканью, представленной двумя подтипами: кортикальной (или компактной) и губчатой (или трабекулярной). Кортикальные кости формируют 80 % скелета и тела длинных трубчатых костей. Губчатые кости контактируют с клетками костного мозга и образуют тела позвонков, тазовые кости, проксимальные отделы бедренных костей.

Костная ткань состоит преимущественно из коллагена I типа и представлена тремя видами клеток: рассасывающими минерализованную кость — остеокластами, синтезирующими белки костного матрикса — остеобластами, а также остеоцитами, являющимися, возможно, остебластами, которые секретируют костный матрикс и остаются в нем. Остеоциты связаны между собой системой канальцев. Скелет содержит 99 % кальция всего организма, 80-85 % фосфора и 66 % магния.

28. Сколько мышц в организме человека?

Примерно 640. Мышцы составляют 40 % массы тела взрослого человека.

29. Опишите строение мышц.

Скелетная мышца состоит из клеток, называемых волокнами. Волокна группируются в пучки.

Мышечные волокна являются частью двигательных единиц, включающих мотонейрон передних рогов спинного мозга и все мышечные волокна, иннервируемые из этого участка. Мышечные волокна, входящие в одну двигательную единицу, одинаковы. Различные волокна внутри одного пучка иннервируются разными мотонейронами.

По характеру метаболизма и реакции на раздражение мышечные волокна делят на три типа: 1, 2а и 2Ь. Тип волокон может измениться в результате реиннервации мотонейроном другого типа, физических нагрузок (дискутабельно) и заболеваний.

Однако наследственность — самый важный фактор распространенности волокна того или иного типа. В среднем мышцы состоят на 40 % из волокон 1-го типа и на 60 % из волокон 2-го типа.

Каждое мышечное волокно окружено плазматической мембраной — сарколеммой. Волокна содержат миофибриллы, актин, тропонин, тропомиозин и миозин, которые являются сократительными белками. Миофибрилламенты погружены в саркоплазму и объединены в волокна более крупного размера — фибриллы, которые окружены саркоплазматическим ретикулумом. Связь между сарколеммой и сарко-плазматическим ретикулумом осуществляется через сеть канальцев, называемую Т-канальцевой системой.

30. Охарактеризуйте три типа мышечных волокон.

• Тип 1 (медленные, окислительные волокна; красные волокна). Медленно отвечают на электростимуляцию. Устойчивы к утомлению при повторной стимуляции. Содержат много митохондрий и высших липидов. При тренировке выносливости (бег на длинные дистанции) метаболизм в этих волокнах возрастает.

• Тип (быстрые, окислительно-гликолитические волокна): по свойствам занимают промежуточное место между типом 1 и типом 2Ь.

• Тип 2Ь (быстрые, гликолитические волокна; белые волокна): быстро реагируют, развивают значительную силу сокращения, но и быстро устают. В этих волокнах содержится больше гликогена и выше активность миофосфорилазы и миоаденилат дезаминазы. Интенсивные физические нагрузки (у тяжеловесов, спринтеров, прыгунов) ведут к гипертрофии этих волокон.

31. Как происходит сокращение и релаксация мышц?

Мышечные сокращения происходят благодаря наличию коротких миофиламентов в мышечном волокне. Стимуляция вызывает потенциал действия, проводящийся по сарколемме, затем через Т-канальцевую систему к саркоплазматическому ретикулу-му. Это вызывает высвобождение кальция в саркоплазме. Повышается концентрация кальция, актин переводится из неактивного состояния, формирует актин-мио-зиновые поперечные связи и вызывает сокращение коротких миофиламентов. Мышечные волокна остаются сократившимися до тех пор, пока кальций путем активного транспорта не удаляется в саркоплазматический ретикулум, что приводит к релаксации. АТФ, электролиты (натрий, калий, кальций, магний) и три АТФ-азы необходимы для нормального сокращения и расслабления волокон (глава 76).

Избранная литература

The musculoskeletal system. In: Schumacher H. R. Jr. (ed.). Primer on the Rheumatic Diseases, 10th ed Atlanta, Arthritis Foundation, 1993,5-15.

Structural molecules of connective tissues. In: Schumacher H. R. Jr. (ed.). Primer on the Rheumatic Diseases, 10th ed Atlanta, Arthritis Foundation, 1993,16-26.

"Анатомия и физиология костно-мышечной"
поделиться

Depils

Depils

Я люблю в жизни каждое мгновение, замечаю повсюду счастье и любовь, наслаждаюсь собой и общением с миром. А вы как?

Вас может заинтересовать...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Комментарии проходят премодерацию и будут опубликованы после проверки, если они не нарушают правила сайта.

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!