38.2 Bein

Hæfniviðmið

Í lok þessa hluta getur þú gert eftirfarandi:

• flokkað mismunandi gerðir beina í beinagrindinni
• útskýrt hlutverk mismunandi frumugerða í beinum
• útskýrt hvernig bein myndast á þroskaskeiði

Bein, eða beinvefur, er bandvefur sem myndar innri stoðgrindina. Í honum eru sérhæfðar frumur og millifrumuefni úr steinefnasöltum og kollagenþráðum.

Steinefnasöltin eru einkum hýdroxýapatít, steinefni sem myndast úr kalsíumfosfati. Kölkun er ferli þar sem steinefnasölt setjast á kollagenþráðanet, kristallast og herða vefinn. Kölkun á sér aðeins stað þegar kollagenþræðir eru til staðar.

Bein mannabeinagrindarinnar eru flokkuð eftir lögun: rörbein, stutt bein, flöt bein, saumabein, sinabein og óregluleg bein (mynd 38.16).

Rörbein eru lengri en þau eru breið og hafa skaft og tvo enda. Beinskaftið, eða miðhluti beinsins, inniheldur beinmerg í mergholi. Ávalir beinaendarnir eru þaktir liðbrjóski og fylltir rauðum beinmerg, sem framleiðir blóðfrumur (mynd 38.17). Flest bein útlima eru rörbein, til dæmis lærleggur, sköflungur, öln og sveif. Undantekningar eru hnéskelin og bein úlnliðs og ökkla.

Stutt bein eru um það bil jafn breið og þau eru löng og eru því teningslaga. Úlnliðsbein og ökklabein eru til dæmis stutt bein (mynd 38.16).

Flöt bein eru þunn og tiltölulega breið. Þau finnast þar sem líffæri þurfa mikla vernd eða þar sem vöðvar þurfa breiða festifleti. Dæmi um flöt bein eru bringubein, rifbein, herðablöð og þak höfuðkúpunnar (mynd 38.16).

Óregluleg bein hafa flókna lögun. Þau geta haft stutta, flata, skorótta eða kambótta yfirborðsfleti. Dæmi um óregluleg bein eru hryggjarliðir, mjaðmabein og nokkur bein höfuðkúpunnar.

Sinabein eru lítil, flöt bein sem líkjast sesamfræjum að lögun. Hnéskeljar eru sinabein (mynd 38.18). Sinabein þroskast inni í sinum og geta fundist nálægt liðamótum við hné, hendur og fætur.

Saumabein eru lítil, flöt og óreglulega löguð bein. Þau geta fundist á milli flötu beina höfuðkúpunnar og eru breytileg að fjölda, lögun, stærð og staðsetningu.

Beinvefur

Bein eru talin líffæri vegna þess að þau innihalda ýmsar tegundir vefja, svo sem blóð, bandvef, taugar og beinvef. Beinfrumur, lifandi frumur beinvefsins, mynda steinefnaríkt millifrumuefni beina. Beinvefur er tvenns konar: þéttbein og frauðbein.

Þéttbein

Þéttbein, eða barkarbein, myndar harða ytra lagið á öllum beinum og umlykur mergholið, eða beinmerginn. Það veitir beinum vernd og styrk. Þéttbein er byggt úr einingum sem kallast beinungar eða Havers-kerfi. Beinungar eru sívalar byggingar með steinefnaríku millifrumuefni og lifandi beinfrumum sem tengjast með smágöngum. Þeir liggja samsíða lengdarás beinsins. Hver beinungur samanstendur af lamellum, lögum af þéttu millifrumuefni sem umlykja miðlægan gang, Havers-gang. Havers-gangurinn, eða beinungsgangurinn, inniheldur blóðæðar og taugaþræði beinsins (mynd 38.19). Beinungar í þéttbeini liggja í sömu stefnu eftir álagslínum og hjálpa beininu að standast beygju eða brot. Því er þéttbein áberandi á svæðum beins þar sem álag verkar aðeins úr fáum áttum.

Myndræn tengsl

Hver eftirfarandi fullyrðinga um beinvef er röng?

1. Þéttbein er gert úr sívölum beinungum sem raðast þannig að þeir liggja eftir endilöngu beininu.
2. Havers-göng innihalda eingöngu blóðæðar.
3. Havers-göng innihalda blóðæðar og taugaþræði.
4. Frauðbein finnst innst í beininu og þéttbein finnst yst.

Réttur valkostur er B.

Frauðbein

Þéttbein myndar ytra lag allra beina, en frauðbein, eða svampbein, myndar innra lag allra beina. Frauðbein inniheldur ekki beinunga eins og þéttbein. Í staðinn samanstendur það af beinbjálkum, sem eru lamellur raðaðar í staflaga eða plötulaga grind. Rauður beinmergur er á milli beinbjálkanna. Blóðæðar í þessum vef flytja næringarefni til beinfrumna og fjarlægja úrgang. Rauði beinmergurinn í lærleggnum og innviðum annarra stórra beina, svo sem mjaðmarbeinsins, myndar blóðfrumur.

Frauðbein minnkar þéttleika beinsins og gerir endum rörbeina kleift að þjappast saman vegna álags sem verkar á beinið. Frauðbein er áberandi á svæðum beina sem verða ekki fyrir miklu álagi eða þar sem álag kemur úr mörgum áttum. Beinaendar, til dæmis lærleggshálsinn, verða fyrir álagi úr mörgum áttum. Ímyndaðu þér þunga innrammaða mynd liggja flata á gólfinu. Þú gætir haldið annarri hlið myndarinnar uppi með tannstöngli ef tannstöngullinn væri hornréttur á gólfið og myndina. Boraðu nú gat og stingdu tannstönglinum inn í vegginn til að hengja myndina upp. Í því tilviki er hlutverk tannstöngulsins að flytja þrýsting myndarinnar niður í vegginn. Krafturinn á myndina stefnir beint niður að gólfinu, en kraftarnir á tannstöngulinn eru annars vegar myndavírinn sem togar niður og hins vegar botn gatsins í veggnum sem ýtir upp. Tannstöngullinn brotnar þá alveg við vegginn.

Lærleggshálsinn er láréttur eins og tannstöngullinn í veggnum. Líkamsþyngdin þrýstir honum niður nálægt liðnum, en lóðrétt beinskaft lærleggsins þrýstir honum upp við hinn endann. Lærleggshálsinn verður að vera nógu sterkur til að flytja niðurkraft líkamsþyngdarinnar lárétt yfir í lóðrétt skaft lærleggsins (mynd 38.20).

Tengill á námsefni

Skoðaðu smásjármyndir af vefjum stoð- og hreyfikerfis um leið og þú rifjar upp líffærafræðina.

Frumugerðir í beinum

Bein samanstendur af fjórum gerðum frumna: beinmyndunarfrumum, beinátfrumum, beinfrumum og beinforverafrumum. Beinmyndunarfrumur sjá um beinmyndun. Þær mynda og seyta lífrænum og ólífrænum hlutum millifrumuefnis beinvefsins, þar á meðal kollagenþráðum. Þegar beinmyndunarfrumur lokast inni í eigin seyti sérhæfast þær í minna virkar beinfrumur. Beinátfrumur eru stórar beinfrumur með allt að 50 kjarna. Þær fjarlægja beinvef með því að losa leysikornaensím og sýrur sem leysa upp beinmillifrumuefnið. Steinefnin sem losna úr beinum út í blóðið hjálpa til við að stjórna kalsíumstyrk í líkamsvökvum. Bein geta einnig verið endursoguð við endurmótun þegar álag á þau breytist. Beinfrumur eru þroskaðar beinfrumur og aðalfrumur beinvefs; þær geta ekki skipt sér. Beinfrumur viðhalda eðlilegri beinbyggingu með því að endurvinna steinefnasölt í beinmillifrumuefninu. Beinforverafrumur eru flatar stofnfrumur sem skipta sér og mynda dótturfrumur sem sérhæfast í beinmyndunarfrumur. Þær eru mikilvægar við viðgerð beinbrota.

Þroskun beina

Beinmyndun er ferli þar sem beinmyndunarfrumur mynda bein. Beinmyndun er annað ferli en kölkun; kölkun á sér stað við beinmyndun en getur einnig átt sér stað í öðrum vefjum. Beinmyndun hefst í fósturvísinum um það bil sex vikum eftir frjóvgun. Fyrir þann tíma er fósturbeinagrindin eingöngu úr trefjahimnum og glærbrjóski. Þroskun beina úr trefjahimnum kallast himnubeinmyndun; þroskun úr glærbrjóski kallast brjóskbeinmyndun. Beinvöxtur heldur áfram til um það bil 25 ára aldurs. Bein geta vaxið að þykkt alla ævi, en eftir 25 ára aldur starfar beinmyndun fyrst og fremst við endurmótun og viðgerð beina.

Himnubeinmyndun

Himnubeinmyndun er beinþroski úr trefjahimnum. Hún kemur við sögu við myndun flatu beina höfuðkúpunnar, neðri kjálka og viðbeina. Beinmyndun hefst þegar mesenkýmfrumur mynda mót fyrir verðandi bein. Þær sérhæfast síðan í beinmyndunarfrumur í beinmyndunarmiðju. Beinmyndunarfrumur seyta millifrumuefni og leggja kalsíum í það, sem herðir millifrumuefnið. Ósteinefnaður hluti beinsins, ósteóíðið, heldur áfram að myndast í kringum blóðæðar og myndar frauðbein. Bandvefur í millifrumuefninu sérhæfist í rauðan beinmerg í fóstrinu. Frauðbeinið er endurmótað í þunnt lag af þéttbeini á yfirborði frauðbeinsins.

Brjóskbeinmyndun

Brjóskbeinmyndun er beinþroski út frá glærbrjóski. Öll bein líkamans, að undanskildum flötum beinum höfuðkúpunnar, neðri kjálka og viðbeinum, myndast með brjóskbeinmyndun.

Í rörbeinum mynda brjóskfrumur mót úr glærbrjóski fyrir beinskaftið. Sem svar við flóknum þroskaboðum byrjar millifrumuefnið að kalkast. Kölkunin hindrar flæði næringarefna inn í millifrumuefnið, sem veldur dauða brjóskfrumna og myndun holrýma í brjóski beinskaftsins. Blóðæðar vaxa inn í holrýmin og beinmyndunarfrumur og beinátfrumur breyta kalkaða brjóskmillifrumuefninu í frauðbein. Beinátfrumur brjóta síðan niður hluta frauðbeinsins og mynda merghol í miðju beinskaftsins. Þéttur, óreglulegur bandvefur myndar slíður, beinhimnuna, utan um beinin. Beinhimnan hjálpar til við að festa beinið við nærliggjandi vefi, sinar og liðbönd. Beinið heldur áfram að vaxa og lengjast eftir því sem brjóskfrumur við beinaendana skipta sér.

Á síðasta stigi beinþroska fyrir fæðingu byrja miðjur beinaendanna að kalkast. Síðkomin beinmyndunarsvæði myndast í beinaendunum þegar blóðæðar og beinmyndunarfrumur fara inn á þessi svæði og breyta glærbrjóski í frauðbein. Fram að kynþroskaaldri helst glærbrjósk eftir í vaxtarlínunni, eða vaxtarplötunni, svæðinu milli beinskafts og beinaenda sem ber ábyrgð á lengdarvexti rörbeina (mynd 38.21).

Vöxtur beina

Rörbein geta haldið áfram að lengjast fram á unglingsár með viðbót beinvefs við vaxtarlínuna. Þau þykkna einnig með yfirborðsvexti.

Lenging rörbeina

Brjóskfrumur beinaendamegin við vaxtarlínuna skipta sér; ein fruma helst ósérhæfð nálægt beinaendanum og önnur færist í átt að beinskaftinu. Frumurnar sem ýtt er frá beinaendanum þroskast og eyðast við kölkun. Þetta ferli skiptir brjóski út fyrir bein beinskaftsmegin við vaxtarplötuna og lengir þannig beinið.

Rörbein hætta að vaxa um 18 ára aldur hjá konum og um 21 árs aldur hjá körlum í ferli sem kallast lokun vaxtarlínu. Í þessu ferli hætta brjóskfrumur að skipta sér og öllu brjóski er skipt út fyrir bein. Vaxtarlínan hverfur smám saman og skilur eftir sig vaxtarrák, eða leifar vaxtarlínu, og beinaendi og beinskaft renna saman.

Þykknun rörbeina

Yfirborðsvöxtur er aukning á þvermáli beina með viðbót beinvefs á yfirborði þeirra. Beinmyndunarfrumur á beinyfirborði seyta beinmillifrumuefni og beinátfrumur á innra yfirborði brjóta niður bein. Beinmyndunarfrumurnar sérhæfast í beinfrumur. Jafnvægi milli þessara tveggja ferla gerir beininu kleift að þykkna án þess að verða of þungt.

Endurmótun og viðgerð beina

Endurnýjun beina heldur áfram eftir fæðingu og fram á fullorðinsár. Endurmótun beina er þegar gömlum beinvef er skipt út fyrir nýjan beinvef. Hún felur í sér beinútfellingu af völdum beinmyndunarfrumna og beinát af völdum beinátfrumna. Eðlilegur beinvöxtur krefst D-, C- og A-vítamína auk steinefna eins og kalsíums, fosfórs og magnesíums. Hormón á borð við kalkkirtlahormón, vaxtarhormón og kalsítónín eru einnig nauðsynleg fyrir eðlilegan vöxt og viðhald beina.

Beinvelta er mjög hröð; fimm til sjö prósent af beinmassa eru endurunnin í hverri viku. Veltuhraði er mismunandi milli svæða í beinagrindinni og milli svæða innan sama beins. Til dæmis getur beinið í lærleggshöfðinu endurnýjast að fullu á sex mánaða fresti, en beinið meðfram skaftinu breytist mun hægar.

Endurmótun beina gerir beinum kleift að aðlagast álagi með því að verða þykkari og sterkari þegar þau verða fyrir álagi. Bein sem verða ekki fyrir eðlilegu álagi, til dæmis þegar útlimur er í gifsi, byrja að tapa massa. Sprungið eða brotið bein gengur í gegnum viðgerð í fjórum stigum:

• Blóðæðar í brotna beininu rifna og blæða, sem leiðir til myndunar storknaðs blóðs, eða blóðkýlis, á brotstaðnum. Storknunarferlið lokar rifnum blóðæðum við brotna enda beinsins og beinfrumur sem verða án næringar byrja að deyja.
• Innan fárra daga frá brotinu vaxa háræðar inn í blóðkýlið og átfrumur byrja að hreinsa burt dauðar frumur. Þótt leifar blóðtappans kunni að vera eftir fara trefjakímfrumur og beinmyndunarfrumur inn á svæðið og byrja að endurmynda bein. Trefjakímfrumur framleiða kollagenþræði sem tengja saman brotnu beinendana og beinmyndunarfrumur byrja að mynda frauðbein. Viðgerðarvefurinn milli brotnu beinendanna kallast trefjabrjóskkallus, þar sem hann er samsettur úr bæði glærbrjóski og trefjabrjóski (mynd 38.22). Sumar stoðnálar geta einnig birst á þessu stigi.
• Trefjabrjóskkallusnum er breytt í beinkallus úr frauðbeini. Það tekur um tvo mánuði fyrir brotnu beinendana að tengjast tryggilega eftir brotið. Þetta líkist brjóskbeinmyndun, þar sem brjósk kalkast; beinmyndunarfrumur, beinátfrumur og beinmillifrumuefni eru til staðar.
• Beinkallusinn er síðan endurmótaður af beinátfrumum og beinmyndunarfrumum; umframefni utan á beininu og inni í mergholinu er fjarlægt. Þéttbeini er bætt við til að mynda beinvef sem líkist upprunalega, óbrotna beininu. Þessi endurmótun getur tekið marga mánuði og beinið getur verið ójafnt í mörg ár.

Tenging við vísindalega aðferð

Afkölkun beina

Spurning: Hvaða áhrif hefur það á byggingu beina að fjarlægja kalsíum og kollagen?

Bakgrunnur: Leitaðu heimilda um hlutverk kalsíums og kollagens við að viðhalda beinbyggingu. Leitaðu einnig heimilda um sjúkdóma þar sem beinbygging skerðist.

Tilgáta: Settu fram tilgátu sem spáir fyrir um sveigjanleika, styrk og massa beina sem kalsíum- og kollagenhlutar hafa verið fjarlægðir úr. Settu einnig fram tilgátu um tilraun til að bæta kalsíum aftur í afkölkuð bein.

Prófun tilgátunnar: Prófaðu spána með því að fjarlægja kalsíum úr kjúklingabeinum með því að setja þau í krukku með ediki í sjö daga. Prófaðu tilgátuna um að bæta kalsíum aftur í afkölkuð bein með því að setja afkölkuðu kjúklingabeinin í krukku með vatni sem kalsíumbætiefnum hefur verið bætt út í. Prófaðu spána með því að eðlissvipta kollagenið í beinunum með því að baka þau við 250 °C í þrjár klukkustundir.

Greining gagna: Búðu til töflu sem sýnir breytingar á sveigjanleika, styrk og massa beina í þremur mismunandi umhverfum.

Niðurstöður: Við hvaða aðstæður var beinið sveigjanlegast? Við hvaða aðstæður var beinið sterkast?

Ályktun: Studdu niðurstöðurnar tilgátuna eða hröktu þær hana? Hvernig samræmast niðurstöðurnar úr þessari tilraun sjúkdómum sem eyða beinvef?