Опорно-двигательная система

Опорно-двигательный аппарат состоит из костей скелета, их соединений и мышц.

Функции опорно-двигательного аппарата:

• опорная: является опорой всего тела; к костям прикрепляются мягкие ткани и органы;
• двигательная: система рычагов с подвижными соединениями, приводимых в движение мышцами;
• защитная: образует полости для жизненно важных органов — позвоночный канал для спинного мозга; черепная коробка — для головного мозга; грудная полость — для сердца и легких; тазовые кости — для защиты органов мочеполовой системы;
• минеральный обмен: кости являются депо для минеральных солей: фосфора, кальция, железа, меди; регулируют постоянство минерального состава внутренней среды организма;
• кроветворная (гемопоэтическая функция): из стволовых гемопоэтических клеток костного мозга образуются клетки крови и иммунной системы.

  

Химический состав костной ткани

В состав костной ткани входят:

• органические вещества (в основном белки): придают костям гибкость и упругость;
• неорганические вещества (вода, соли кальция, магния, фосфаты): минеральные соли придают костям твердость.

Органическое вещество костной ткани называется оссеином. В состав оссеина входят белки (коллаген и др.), небольшая доля липидов (лецитин и др.) и углеводов (гликоген).

Коллаген — основной белок костной ткани.

Специфической особенностью костной ткани является содержание в ней значительного количества солей лимонной кислоты — 70% от всего запаса ее в организме, что обусловлено особенностями биосинтеза ткани.

В детском возрасте количество органических веществ максимально, кости детей упругие, устойчивы к переломам, однако легко деформируются при чрезмерных нагрузках.

С возрастом количество органических веществ уменьшается, а доля минеральных солей увеличивается. Кости приобретают твердость и прочность.

У пожилых людей в костях уменьшается доля минеральных веществ, из-за этого их кости становятся более хрупкими.

В растворах кислот минеральные соли костной ткани растворяются — остается оссеин, и кости становятся пористыми и эластичными, но сохраняют свою форму.

Только правильное сочетание органических и неорганических веществ делает кость твердой и упругой. Прочность скелета значительно возрастает благодаря сложной архитектуре внутреннего строения костей.

Строение костей

В состав скелета человека входит более 200 костей (у новорожденного — более 300 костей). Точное количество костей определить невозможно, т.к. в детском возрасте продолжается замена хрящевых частей костными. Количество копчиковых позвонков у людей варьирует от 3 до 5.

Внутреннее строение кости

Надкостница

Снаружи кость покрыта надкостницей (кроме зон суставного хряща).

Надкостница — тонкий слой прочной соединительной ткани, в которой много кровеносных и лимфатических сосудов и нервных окончаний.

Надкостница прочно сращена с костью с помощью соединительнотканных волокон, проникающих в глубину кости.

Наружный слой надкостницы волокнистый и образован преимущественно коллагеновыми волокнами.

Внутренний слой надкостницы прилегает к костной ткани. В нем расположены стволовые остеогенные  (образующие кость) клетки. Они интенсивно митотически делятся и образуют остеобласты.

Функция надкостницы:

• механическая защита внутренней структуры кости;
• рост кости в толщину;
• регенерация кости после повреждения.

Губчатое вещество

Губчатая костное вещество состоит из тонких костных пластинок (трабекул), которые пересекаются между собой. Направление перекладин в губчатом веществе совпадает с кривыми сжатия и растяжения, образуя конструкции сводчатых арок. Такое расположение костных балок обеспечивает равномерное распределение напряжения в кости.

Костный мозг

Костный мозг не имеет ничего общего с головным и спинным мозгом. Он не относится к нервной системе и не имеет нейронов.

Различают два вида костного мозга:

• красный костный мозг: у взрослого человека - находится в эпифизах длинных трубчатых костей и в губчатом веществе позвонков;
• жёлтый костный мозг: у взрослого человека - заполняет костномозговые полости диафизов длинных (трубчатых) костей. В жёлтом костном мозгу преобладает жировая ткань, заместившая ретикулярную.

Функция: гемопоэз — образование клеток крови.

Ребенок рождается с красным костным мозгом в полостях трубчатых костей, но к 25 годам в диафизах длинных трубчатых костей красный костный мозг полностью замещается желтым костным мозгом. Красный костный мозг — основной кроветворный орган человека.  

В желтом костном мозге  кроветворные элементы отсутствуют. После больших кровопотерь на месте желтого костного мозга может образоваться красный костный мозг.

Общие принципы строения костей

П. Ф. Лесгафт сформулировал ряд общих принципов строения костей:

• губчатое костное вещество образуется в местах наибольшего сжатия или растяжения;
• развитие костной ткани зависит от деятельности присоединенных к данной кости мышц;
• трубчатое и арочное строение кости обеспечивает наибольшую прочность при минимальных затратах костного материала;
• внешняя форма кости зависит от давления на нее окружающих тканей и органов, в первую очередь мышц, форма кости меняется при уменьшении или увеличении давления;
• изменение формы кости зависит от внешних сил.

Разные кости скелета отличаются между собой как по форме, так и по функции. Структура и функция кости взаимосвязаны и взаимообусловлены.

Виды костей

Длинные кости — кости с длинным трубчатым диафизом: составляют в основном скелет конечностей — бедренная, большая и малая берцовые, плечевая и кости предплечья.

Плоские кости — кости из тонкого слоя губчатого вещества, покрытого снаружи компактным веществом: лопатка, кости таза, кости черепа.

Короткие кости — кости из губчатого вещества, покрытого снаружи тонким слоем компактного вещества; имеют множество мелких костно-мозговых полостей: кости запястья, предплюсны.

Смешанные кости — сочетают элементы разных типов костей — коротких и плоских костей: позвонки, кости лицевой части черепа; короткие и трубчатые: кости фаланг пальцев.

Пневматические, или воздухоносные, кости — кости, которые имеют внутри полость, выстланную слизистой оболочкой и заполненную воздухом, что облегчает вес кости, не уменьшая ее прочности: кости черепа.

Сесамовидные кости — кости, расположенные в толще сухожилий и обычно лежащие на поверхности других костей. Сесамовидные кости отмечаются в областях, где сухожилия перекидываются через суставы (например, в области запястья, коленного сустава, стопы). Они обеспечивают защиту сухожилий и удерживают сухожилия в некотором отдалении от центра сустава, увеличивая плечо силы.

Типы соединения костей

1. Неподвижное соединение костей; повышает прочность соединения;

   - образование шва: кости черепа;

   - срастание костей: кости таза.
2. Полуподвижное соединение костей с помощью хрящей: баланс между подвижностью и защитой: соединение позвонков (защита спинного мозга), соединение ребер с грудиной (защита органов грудной клетки).
3. Подвижное соединение — сустав.

Строение сустава

Сустав — подвижное соединения костей скелета, разделённых щелью, покрытые синовиальной оболочкой и суставной сумкой.

Функция —  движение костей: сгибание — разгибание, отведение — приведение, вращение.

Каждый сустав образован суставными поверхностями эпифизов костей, покрытыми гиалиновым хрящом, суставной полостью, содержащей небольшое количество синовиальной жидкости, суставной сумкой (фиброзной капсулой) и синовиальной оболочкой.

Строение скелета

Скелет взрослого человека состоит более чем из 200 костей, которые соединены между собой.

Скелет головы

Череп состоит из мозгового и лицевого отделов.

Мозговой отдел черепа образован прочно и неподвижно соединенными между собой с помощью швов костями. Это парные теменные и височные, непарные лобная и затылочная кости. В височной кости имеется отверстие наружного слухового прохода. На нижней поверхности затылочной кости есть большое затылочное отверстие, через которое полость черепа соединяется с позвоночным каналом.

В лицевом отделе черепа 15 костей. Самые крупные из них челюстные.

Нижнечелюстная кость — единственная подвижная кость черепа. На обеих челюстях имеются ячейки, в которых расположены корни зубов.

Скелет туловища

Позвоночник, или позвоночный столб, у большинства людей состоит из 32 - 34 коротких костей — позвонков.

Каждый позвонок имеет тело и несколько отростков. Позвонки расположены друг над другом.

Между позвонками находятся прослойки упругой хрящевой ткани, обеспечивающие гибкость позвоночника —  межпозвоночные диски.

Внутри позвоночника в позвоночном канале расположен спинной мозг.

Пять отделов позвоночника:

1. шейный (7 позвонков): первый — атлант, второй — эпистрофей.
2. грудной (12 позвонков)
3. поясничный (5 позвонков)
4. крестцовый (5 сросшихся позвонков)
5. копчиковый (3 — 5 сросшихся позвонков)

Грудная клетка

Грудная клетка образована 12 парами ребер и грудиной. С каждым грудным позвонком сочленена одна из 12 пар ребер, из них:

7 пар — истинные ребра, соединенные хрящом с грудиной;

3 пары — ложные ребра, так как присоединяются своими хрящами не к грудине, а к хрящу предыдущего ребра;

2 пары — колеблющиеся (свободные) ребра, то есть не соединённые ни с грудиной, ни с другими рёбрами через хрящ.

У некоторых людей может отсутствовать 11-я или 12-я пара ребер, или быть дополнительная 13-я пара свободных рёбер.

Сочленение ребер с позвонками позволяет изменять их положение: приподниматься во время вдоха и опускаться во время выдоха.

Функция грудной клетки:

• защита органов грудной полости: сердца и легких;
• дыхание.

В скелет плечевого пояса входят:

• парные ключицы: дополнительная фиксация плечевого сустава.
• парные лопатки: обеспечивает сочленение плечевой кости с ключицей.

Ключица имеет изогнутую S-образную форму. Ключица соединяется с грудиной и лопаткой, может двигаться вверх и вниз, вперед и назад.

Лопатка плоская кость треугольной формы. Суставная впадина лопатки служит для соединения с плечевой костью.

Функция: фиксация верхних конечностей.

В скелет свободных верхних конечностей входит:

• плечевая кость
• кости предплечья: локтевая и лучевая
• кости кисти: кости запястья, пястные кости и фаланги пальцев.

Кости конечностей соединены подвижно с помощью суставов и действуют как сложные системы рычагов.

Скелет пояса нижних конечностей:

Две массивные плоские тазовые кости состоят из сросшихся лобковой, седалищной и подвздошной костей. Тазовые кости срастаются сзади с крестцом, а спереди соединены между собой. Они составляют пояс нижней конечности.

Скелет свободных нижних конечностей

Во впадину каждой из тазовых костей входит шаровидная головка бедренной кости.

В скелет свободной нижней конечности входит:

• бедренная кость
• кости голени: большая и малая берцовая кости
• кости стопы: кости предплюсны (в т. ч. пяточная и таранная кости), плюсневые кости и фаланги пальцев.

Особенности скелета человека

Человека характеризует вертикальное положение тела, опирающегося только на нижние конечности. В связи с этим  имеются особенности строения скелета.

1. Позвоночник взрослого человека имеет 4 изгиба: 2 кифоза (вперед) и 2 лордоза (назад).

   Функция: амортизация.
2. Сводчатая стопа. Функция: амортизация.

   

3. Чашевидный таз. Функция: опора внутренних органов брюшной полости.
4. Массивные кости нижних конечностей человека толще и прочнее костей рук, так как ноги несут на себе всю тяжесть тела.

Мышцы

Скелетные мышцы состоят из поперечно-полосатой мышечной ткани.

Иннервируются мышцы соматической нервной системой. Кровеносная система транспортирует к мышцам кислород и питательные вещества, а от мышц — углекислый газ и другие продукты метаболизма.

Клетка мышечной ткани — миоцит — имеет вид длинного и тонкого волокна, поэтому ее называют мышечное волокно. Каждое мышечное волокно представляет собой многоядерную клетку (симпласт), полученную в результате слияния большого количества клеток.

Свойства мышечных клеток: возбудимость и сократимость.

Различают два типа мышечных волокон:

Функциональной единицей мышечного волокна является миофибрилла. Миофибриллы занимают практически всю цитоплазму мышечного волокна, оттесняя ядра на периферию.

Строение миофибрилл

Миофибриллы — цилиндрические нити толщиной 1 — 2 мкм, идущие вдоль от одного конца мышечного волокна до другого.

Саркомер — сократимая единица мышечного волокна. Границы саркомер соседних мышечных волокон совпадают, чем объясняется поперечная исчерченность миофибрилл.

Саркомеры состоят из белковых нитей двух видов:

• толстые — из белка миозина
• тонкие — из белка актина

Мышечное сокращение

Все скелетные мышцы находятся под контролем воли и сокращаются только при получении сигнала от соответствующих мотонейронов.

Нервный импульс, проходящий по мотонейрону, стимулиреют выброс в нервно-мышечный синапс ацетилхолина, который вызывает в цитоплазматической мембране мышечной клетки потенциал действия. В ответ на это эндоплазматическая сеть выбрасывает в цитоплазму большое количество ионов кальция. Резкое повышение концентрации кальция вызывает сокращение миофибрилл. Так как сигнал доходит до саркомера за несколько миллисекунд, все миофибриллы мышечной клетки сокращаются одновременно.

При мышечном сокращении каждый саркомер укорачивается в результате скольжения толстых филаментов относительно тонких, причем длина тех и других остается неизменной.

Толстые нити миозина образуют поперечные мостики, направленные к нитям актина. Мостики заканчиваются белковыми головками, которые как крючочки цепляются за нити актина. Каждая миозиновая головка "шагает" вдоль прилежащего актинового филамента. Она упирается в актиновый филамент и заставляет его смещаться относительно толстого филамента. В те периоды, когда данная миозиновая головка отделена от актиновой нити, последнюю продолжают сдвигать остальные головки, входящие в состав того же самого толстого филамента, так что в каждый момент времени в сокращающейся мышце только часть миозиновых головок прикреплена к актиновым филаментам, другие же остаются свободными. Каждый толстый филамент содержит около 500 миозиновых головок и каждая из них при быстром сокращении мышцы совершает около 5 "шагов" в секунду.

Все перемещения миозиновых головок, в т. ч. их отделение от актина, сопровождается энергетическими затратами (гидролизом АТФ).

В мышечном волокне происходит распад и окисление органических веществ, в основном — углеводов.

гликоген -— глюкоза

глюкоза + кислород = углекислый газ + вода + химическая энергия (АТФ)

энергия АТФ = механическая энергия (работа мышц) + тепловая энергия (поддержание температуры тела)

При активной работе может создаться дефицит кислорода. Кислорода не хватает для окисления глюкозы. Продукт неполного окисления глюкозы — молочная кислота — накапливается в мышечной ткани, вызывая утомление и боль в мышцах.

Работа мышц

Одновременно в мышце сокращается только часть мышечных волокон.

Одиночный нервный импульс вызывает быстрое сокращение и последующее расслабление мышцы.

Плавное продолжительное сокращение мышц обеспечиваются непрерывными потоками нервных импульсов от мозга к мотонейронам. Находясь под влиянием постоянных нервных импульсов мышцы нашего тела находятся в тонусе (в состоянии длительного сокращения).

При интенсивной мышечной работе может наступать утомление мышц.

Утомление мышц — временное понижение их работоспособности.

Причины утомления:

1. накопление  в мышцах продуктов обмена (молочной кислоты);
2. истощение запасов энергии (гликогена, АТФ);
3. утомление нервных центров, управляющих работой мышц.

После некоторого периода отдыха мышцы восстанавливают свою работоспособность.

И. М. Сеченов изучал закономерности работы скелетных мышц и развития в них утомления.

Результаты работ И. М. Сеченова:

• сочетание определенного ритма сокращений мышц с оптимальной нагрузкой обеспечивает продолжительную работу мышц без особого утомления;
• мышечная работа стимулирует умственную работу;
• активный отдых наиболее эффективен.

Регуляция сокращения мышечных волокон

1. Двигательные нейроны выделяют нейромедиатор ацетилхолин в нервно-мышечные синапсы. Ацетилхолин способствует образованию потенциала действия на постсинаптической мембране. Возбуждение передается на множество мышечных клеток. В течение нескольких миллисекунд реализуется рассмотренный выше цикл сокращения мышечного волокна.
2. Эндоплазматическая сеть мышечной клетки содержит высокую концентрацию ионов Са2+. Выброс ионов Са2+ в пространство между филаментами актина и миозина является пусковым механизмом процесса сокращения миофибрилл.
3. Комплекс белков тропонина и тропомиозина занимают на молекуле актина участок связывания с миозином. Ионы кальция связываются с тропонином, тропонин изменяет свою структуру, белковый комплекс разрушается и освобождает на молекуле актина участок связывания с миозином. Это инициирует цикл мышечного сокращения. При снижении концентрации ионов кальция в цитоплазме, комплекс Са2+ с тропонином диссоциирует, тропонин восстанавливает исходную конформацию, место связывания миозина на актине блокируется и мышца расслабляется.

Строение скелетных мышц

Каждое мышечное волокно имеет собственную обертку из рыхлой волокнистой соединительной ткани — эндомизий. Пучки объединяются в еще более плотные пучки, разделенные прослойками — перимизием, в которой находятся кровеносные и лимфатические сосуды и нервы.

Мышца в целом окружена соединительнотканным эпимизием (фасцией). На концах мышечных волокон сарколемма (клеточная мембрана) и эндомизий образуют волокна сухожилий.

Фасции — соединительнотканные чехлы для мышц, которые отграничивают мышцы друг от друга, создают опору для брюшка при сокращении, ослабляют трение мышц друг о друга, препятствуют сдавливанию сосудов.

У каждой мышцы есть проксимальный (ближе к центральной оси тела) и дистальный (ближе к периферии тела) конец.

В состав мышцы входит головка, тело (брюшко) и хвост.

Сосуды и нервы входят в мышцу с внутренней стороны. Артерии, вены и лимфатические сосуды, вступающие в мышцу ветвятся до капилляров, которые образуют сеть вдоль мышечного волокна.

Мышцы различаются по количеству головок:

• двуглавые (бицепс)
• трехглавые (трицепс)
• четырехглавые

Мышцы-антагонисты: противоположно действующие (например, сгибатели и разгибатели);

Мышцы-синергисты: расположены по одну сторону оси сустава и действуют в одном направлении.

Сфинктеры — круговые мышцы (круговая мышца рта, сфинктеры пищеварительного канала).

Функции скелетных мышц

• приводят в движение костные рычаги;
• поддержание равновесия;
• передвижение в пространстве;
• мимика;
• участвуют в образовании стенок полостей тела;
• входят в состав стенок некоторых внутренних органов (глотки, верхней части пищевода, гортани);
• осуществляют движение глаза (глазодвигательная мышца);
• дыхание и глотание.

У человека приблизительно 400 мышц (40 % массы тела).