22강. 골격계
추천글 : 【생물학】 생물학 목차
1. 개요 [목차]
⑴ 기능
① 신체의 지지
② 내부 기관 보호
③ 운동 링크와 근 부착점 제공
④ 무기질 저장 : 칼슘, 인 저장
⑤ 골수에서 혈구 생산
⑵ 골격의 분류
① 유체골격 : 몸속에서 근육에 의해 빈 공간에 압축될 수 없는 유체가 들어가 만들어짐
○ 예 : 강장동물(말미잘), 오징어와 문어(분사이동), 지렁이 이동
○ 지렁이 이동
○ 1st. 종주근의 수축과 환형근의 이완으로 머리 부분과 꼬리 부분의 체절은 짧고 굵어지며 강모로 지면에 고정, 나머지 체절들은 종주근의 이완과 환형근의 수축으로 길고 가늘어짐
○ 2nd. 머리 부분의 환형근의 수축으로 머리 부분이 앞으로 나아감, 머리 뒷부분 체절들과 몸의 뒷부분은 굵어지고 지면에 닿아 고정됨으로써 지렁이가 뒤로 미끄러지는 것 방지
○ 3rd. 머리 부분의 체절들은 다시 굵어지고 새로운 위치에 고정됨, 뒷부분의 체절들은 이제 지면에서 떨어지고 앞쪽으로 당겨져 이동하게 됨
② 외골격 : 몸 바깥을 이루는 단단한 껍질, 근육이 붙어 있음
○ 예 : 연체동물, 절지동물
③ 내골격 : 신체를 지지하는 내부 구조물, 근육이 붙어 있고 근육이 당기는 대상
○ 예 : 사람의 골격
⑶ 사람의 골격 (내골격)
① 구성
○ 206개의 뼈로 구성
○ 중축 골격 : 척추골, 두개골, 흉곽뼈
○ 부속지 골격 : 고관절, 어깨, 사지뼈
② 척추(spine)
○ 척추의 분류
○ 경추(cervical vertebra) : 목쪽의 척추, 7개의 척추뼈
○ 흉추(thoracic vertebra) : 가슴쪽의 척추, 12개의 척추뼈
○ 요추(lumbar vertebra) : 허리쪽의 척추, 5개의 척추뼈
○ 천추(천골, 엉치뼈, saerum) : 엉덩이 쪽의 척추, 5개의 척추뼈
○ 미추(미골, coccyx) : 꼬리뼈 쪽의 척추, 4~5개의 척추뼈
○ 운동분절 : 척추의 기능적 단위
○ 운동분절 앞부분 : 추간체(vertebral body), 추간판(intervertebral disc), 종축인대(longitudinal ligament)로 구성
○ 운동분절 뒷부분 : 척추 궁, 추간 관절(intervertebral joint), 다양한 돌기, 다양한 인대로 구성
○ 추간판(척추사이원반) : 추간체의 물리적 완충 작용. 추간판이 받는 부하는 외부의 약 1.5배. 추간판이 받는 부하는 꼬리쪽으로 갈수록 커짐
○ 인대 (황색인대 제외) : 척추의 신장성을 제한하는 높은 콜라겐 물질 보유
○ 황색인대 : 탄력성 ↑. 항상 긴장 상태. 척추 인장 시 수축 유도
○ 질환 1. 추간판 탈출증(디스크) : 척추와 척추 사이의 추간판이 으깨지는 질환. 척수를 압박하여 통증이 발생
○ 목 디스크 : 경추 추간판 탈출증
○ 허리 디스크 : 요추 추간판 탈출증
○ 질환 2. 척추협착증 : 척추 중앙에 신경이 지나는 관이 좁아져 통증 유발 등을 수반하는 신경증세
○ 추간판 탈출증보다 더 심한 질환 : 척추협착증과 달리 추간판 탈출증은 보험 처리를 안 하는 경우도 많음
③ 골격구조에 있어서 성적 차이
○ 성호르몬이 골격과 근육 발달에 영향 → 사춘기에 운동에서 성 차이가 나타남
○ 여자는 남자보다 사춘기가 빨리 오므로 키가 많이 크는 시기 더 빠름
○ 사춘기가 늦게 올수록 나중까지 클 가능성이 높음
○ 평균적으로 남자는 여자보다 사지가 더 길어 키가 15 cm 더 크다.
○ 남성의 긴 팔, 다리 → 지렛대 작용에서 더 큰 힘
○ 여성은 중력 중심이 더 낮은 곳에 있어서 균형을 더 잘 잡음 (예 : 리듬체조)
○ Q각 (Q-angle)
○ 정의 : 슬개골과 대퇴골이 이루는 각(하중 방향)
○ 남성의 Q각 : 12°, 여성의 Q각 : 16°
○ 여자가 큰 Q각을 가지므로 착지 시 골반 뼈가 벌어지는 방향으로의 힘 성분이 어느 정도 있어 무릎 부상이 많음
2. 뼈의 구조와 생성 [목차]
⑴ 뼈의 성분
① 일반 조직과 달리 무기질이 많음
② 물은 뼈 전체 중량의 5-8%
○ 물의 85%는 유기질, 교원섬유(collagenous fiber), 기질, 뼈결정체의 수화층에 분포
○ 물의 15%는 뼈의 관(canal)이나 공동(cavity)에 분포
③ 유기질은 뼈 건조 중량의 33%, 뼈 부피의 50%
○ 기능 : 뼈의 유연성과 탄성 제공
○ 대부분이 콜라겐으로 구성
○ 콜라겐(교원섬유, collagen fiber, type Ⅰ) : 90%. 신장력에 약함
○ 무형 기질(amorphous ground substance) : 10%
○ 골형성 부전증(brittle bone syndrome) : 콜라겐 변이 및 결핍
④ 무기질은 뼈 건조 중량의 67%, 뼈 부피의 25%
○ 기능 : 뼈를 단단하게 만듦
○ 무기질의 85%는 인산칼슘. 무기질의 15%는 탄산칼슘
○ 칼슘은 뼈 건조 중량의 39% : 인체 칼슘의 99% (나머지 1%는 치아에 있음)
○ 인산염은 뼈 건조 중량의 17% : 인체 인의 90%
○ 탄산염은 뼈 건조 중량의 9.7% : 인체 탄산염의 80%
○ 나트륨은 뼈 건조 중량의 0.7% : 인체 나트륨의 35%
○ 마그네슘은 뼈 건조 중량의 0.4% : 인체 마그네슘의 50%
○ 칼륨은 뼈 건조 중량의 0.2% : 인체 칼륨의 4%
⑤ 칼슘의 교체
○ 칼슘의 99%가 치아와 뼈에 분포
○ 뼈의 칼슘 성분을 생후 첫 1년 동안 100%, 아동기에 약 10%, 성인기에 연당 2~4% 교체
○ 성인기에 칼슘의 합성과 분해 정도가 큼
○ 약 40~50세에 뼈의 합성보다 분해가 빨라져 뼈의 손실이 발생
⑵ 뼈의 구조
① 뼈는 크게 치밀골과 해면골로 구성
○ 치밀골(피질골, compact bone, cortical bone) : 뼈의 겉부분
○ 조밀하고 뼈의 단단한 외곽을 이룸
○ 강도 : 100 ~ 150 MPa
○ 해면골(뼈지주, sponge bone, trabecular bone) : 뼈의 속부분
○ 다공질이며 벌집과 같은 내부 구조를 이룸
○ 강도 : 8 ~ 50 MPa
○ 골막(periosteum)
○ 치밀한 섬유막. 혈관과 연결된 볼크만관이 지남. 신경섬유의 통로
○ 내층 : 캠비움층(cambium layer) 또는 골발생층(osteogenic layer)이라고도 함. 골모세포가 엉성하게 배열. 혈관이 풍부. 신행 골형성 활발
○ 중간층 : 미분화된 골전구세포가 있는 부위
○ 외층 : 불규칙하게 배열한 콜라겐 섬유 및 탄력섬유로 된 두꺼운 섬유 결합조직층. 섬유층(fibrous layer)이라고도 부름
○ 샤피 섬유(Sharpey's fiber) : 골막에서 피질골 속으로 깊숙이 파고 들어가 있는 섬유 다발
○ 골내막(endosteum)
○ 골구강 벽과 해면골 골소주 표면을 덮고 있는 얇은 세포성 결합 조직층
○ 대다수는 골전구세포(골내막세포, osteoprogenitor cell, endosteal cell) : 골모세포의 전구 세포
○ 장골(long bone)에만 존재
○ 골수강을 둘러쌈 : 골수강은 뼈의 최중심부
② 치밀골의 구성
○ 치밀골은 많은 골원들로 구성
③ 골원 (osteon) : 나이테 모양. 하버시안 계(Haversian system)라고도 함
○ 골원의 크기 : 직경 200 ㎛
○ 하버시안관 : 골원의 중심관
○ 혈관 → 볼크만관 → 하버시안관 → 뼈세관 → 뼈소강 ⥇ 시멘트 라인
○ 볼크만관(Volkmann's canal) : 골막 외층에서 골막을 뚫고 피질뼈 안으로 들어옴. 수평으로 통과
○ 신경섬유들이 분포하고 있음
○ 층판(lamellae) : 구심성 구조의 무기질
○ 뼈소강(lacunae) : 층판의 경계를 따라 존재하는 공간. 한 개의 뼈소강에는 한 개의 뼈세포가 존재
○ 뼈세관(canaliculi) : 뼈세강으로부터 각 층판에 수직하게 있는 관. 하버시안 계와 연결되기 위한 통로
○ 결합선(cement line) : 골원의 가장 바깥층
○ 뼈세관 및 교원섬유가 통과 못함 : 뼈의 미세구조 중 가장 약한 이유
○ GAG로 구성
○ 간질층판(interstitial lamellae) : 골원 사이에 위치. 골원과 외형적 차이가 있으나 조성적 차이는 없음
④ 해면골의 구성
○ 뼈층판 및 뼈소강 존재
○ 해면골에는 하버시안 계가 없음
○ 해면뼈 사이의 공간은 적색 골수로 차 있음 : 적색골수로부터 영양 공급
○ 골수 : 뼈의 내부로 혈구 세포를 생산
⑤ 골세포 등
○ 영양소 및 기체 교환 : 혈관(blood vessel), 볼크만관(Volkmann's canal)을 거쳐 전달됨
○ 구성 1. 파골세포(osteoclast)
○ 뼈(골세포)를 분해하면서 혈액으로 칼슘을 내보냄
○ 지름이 20 ~ 100 ㎛
○ 백혈구 중 단핵구-대식세포의 일종
○ 단핵 파골세포가 다핵 파골세포(약 50개의 거대핵)가 된 뒤 골 표면에 점착하여 골 분해 효소(리소좀 효소) 분비
○ 구성 2. 조골세포(osteoblast)
○ 뼈(골세포)를 형성하면서 혈액의 칼슘 제거
○ 골모세포라고도 함
○ 골 기질을 합성, 분비하고 기질에 칼슘, 마그네슘 등의 무기질을 침착 → 골 조직을 석회화
○ 구성 3. 골세포(osteocyte, bone cell) : 분열능 ×
○ 뼈 속 공간에 위치
○ 소관계로 연결되어 간극연접을 통해 작은 물질들을 주고 받음
○ 구성 4. 골원성 세포(osteogenic cell) : 분열능 ○
○ 구성 5. 혈관, 신경섬유
○ 구성 6. 부갑상샘 호르몬 : 뼈의 분해 촉진
○ 구성 7. 갑상샘의 칼시토닌 : 뼈의 형성 촉진
○ 구성 8. 혈중 칼슘 : 혈액 응고, 근 수축, 활동전위 생성, 효소 활성
⑥ 연골
○ 혈관, 림프관, 신경지배가 되지 않음. 세포 밀도가 낮음
○ 세포 내에 물이 30% 존재
○ 관절의 윤활작용에 중요
○ 연골은 콜라겐 타입 Ⅱ를 방출하기 때문에 사프라닌(safranin-O)에 의해 염색됨
○ 연골 조직에서의 황산염 흡수율은 뼈의 성장을 측정하는 지표로 이용됨
○ 성장인자
○ IGF(insulin-like growth factor)
○ TGF-β(transforming growth factor-beta)
○ b-FGF(fibroblast growth factor basic)
○ BMP(bone morphogenic protein)
○ PDGF(platelet-derived growth factor)
⑦ 뼈의 리모델링
○ 정의 : 외부 환경에 따라 파골세포가 뼈를 분해하고 조골세포가 뼈를 생성하여 뼈의 구조가 시시각각 바뀌는 것
○ 뼈는 지속적인 리모델링 과정에 있음
○ 울프의 법칙(볼프의 법칙, Wolff's law) (ref)
○ 정의 : 뼈의 리모델링 중 역학적 변화를 지칭
○ 줄리어스 울프(Joulius Wolff, 1836-1902)에 의해 제안
○ 요약 : 뼈는 쓰면 쓸수록 강해짐
○ 뼈에 가해지는 물리적 충격이 강하면 보상작용으로 강도 및 강직도 증가
○ 뼈에 가해지는 물리적 충격이 약해지면 인체는 신진대사를 줄이기 위해 강도 및 강직도 감소
○ 강도 및 강직도는 골밀도, 두께 등과 관련이 있음
⑶ 뼈의 생장
① 뼈의 시기적 구분
○ 망상뼈(woven bone)
○ 종양, 빠제트뼈(pagetic bone), 태아, 여양, 골절시의 가골, 성장뼈의 골간단에서 발견
○ 파제트뼈 : 골다공증 다음으로 흔한 골질환. 파골세포의 과활성화로 비정상적으로 뼈가 커지고 통증 수반.
○ 층판뼈(lamellar bone)
○ 출생 1년 이후부터 형성하기 시작
○ 성숙한 뼈로서 망상뼈를 대체
② 1st. 배 발생 시기 : 모든 뼈는 연골로 구성
③ 2nd. 골 형성 시작
○ 연골의 중심에 1차 골화 중심이 생기면서 골화 진행
○ 골 분화 마커 : alkaline phosphate (in vitro; 7 ~ 10일) → osteopontin → osteonectin → osteocalcin (in vitro; 3주)
④ 3rd. 2차 골화 중심 생성
○ 1차 골화 중심으로부터 충분히 골화가 진행되면 뼈의 말단에 새로운 골 생성 중심(2차 골화 중심)이 생김
○ (참고) osteoconductive : 골 세포가 인접 영역으로 전도되는 것
○ (참고) osteoinductive : 자체적으로 골 조직을 형성시키는 것
⑤ 4th. 생장판 폐쇄
○ 호르몬의 작용으로 조골모세포가 연골모세포보다 더 빨리 증식하여 두 골화 중심 사이에 골단 생장판이 닫히게 됨 → 길이 생장 중단
○ 호르몬 : 생장호르몬, 갑상샘 호르몬, 성 호르몬
○ 골단 생장판 : 두 골화 중심 사이에 존재하는 연골 영역
⑥ 5th. 뼈의 노화 : 골밀도 감소, 뼈 길이 감소, 뼈 두께 감소
○ 골밀도
○ 성장기에 증가하여 25세경에 최고에 달함
○ 70세경에는 최고치의 60% 수준까지 낮아짐
○ 칼슘의 흡수율
○ 영아기에 가장 높음 : 60%
○ 사춘기 이전 : 28%
○ 사춘기 이후 : 34%
○ 성인 여성 : 25%
○ 임신 말기의 마지막 2 ~ 3개월 : 칼슘 흡수율이 일시적으로 증가함
○ 폐경, 저칼슘식이, 비타민 D 부족, 다이어트, 운동 부족은 뼈의 노화를 가속화시킴
3 .뼈의 기계적 연결 [목차]
⑴ 관절(joint) : 뼈와 뼈의 연결
① 부동관절(immovable joint)
○ 섬유성 관절(Fibrous joint)
○ 아교섬유, 탄력섬유에 의해 형성되는 결합, 인대 결합, 봉합, 정식의 세 가지 형태
○ 봉합의 대표적인 예로 두개골이 있음
○ 연골성 관절(Cartilaginous joint)
○ 종류 1. 관절결합(연골결합) : 연골조직이 관절에 관여
○ 종류 2. 섬유연골결합
○ 척추는 어느 정도 운동성을 가지므로 반관절(amphiarthrosis)로 분류되기도 함
② 가동관절(movable joint) : 가장 전형적인 관절
○ 활막성 관절, 평면관절, 경첩관절, 중쇠관절,타원관절, 안장관절, 절구관절로 세분
○ 활막성 관절(Synovial joint) : 마주보는 연골 + 윤활액 + 관절주머니
○ 절구관절(ball-and-socket joint) : 3개의 축을 따라 움직이는 관절
○ 예 : 위팔뼈와 가슴뼈가 만나는 관절, 넓적다리뼈와 골반뼈가 만나는 부위, 구와관절, 엉덩관절
○ 경첩관절(hinge joint) : 1개의 축을 따라 움직이는 관절
○ 예 : 위팔뼈와 자뼈의 머리부분이 만나는 부위, 무릎관절
○ 중쇠관절(pivot joint) : 길이가 긴 쪽을 축으로 회전할 수 있는 관절
○ 예 : 팔꿈치, 목, 환자관절, 차축관절
③ 활막성 관절(관절연골) : 가동관절 중 가장 대표적인 관절
○ 이형의 물질로 취급 : 간질액 형태(비압축성, 비혼합성) + 고형 형태(다공성, 투과성)
○ 관절과 관절 사이는 100 ㎚
○ 구조 1. 천층
○ 가장 위층
○ 연골세포가 타원형으로 배열 : 장축이 표면과 평행하게 배열
○ 교원섬유는 표면과 평행하게 배열
○ 프로테오글리칸의 농도가 가장 낮음
○ 구조 2. 중간층
○ 연골세포 모양이 둥근 형태
○ 천층에 비해 직경이 큰 콜라겐 섬유 다발이 배열
○ 구조 3. 심층
○ 연골세포는 구형이며 원주형으로 배열
○ 직경이 큰 콜라겐 섬유 다발이 관절 표면에 수직하게 배열
○ 프로테오글리칸의 농도가 가장 높음
○ 물의 농도가 가장 낮음
○ 구조 4. 석회층
○ 가장 아래픙
○ 연골하골과 초자연골로 구분
○ 핵 농축형의 작은 연골세포가 분화
○ H&E 염색법(haematoxylin and eosin staining)으로 진한 푸른색 선이 나타남
○ 성분 1. 콜라겐(collagen)
○ 인체에서 가장 풍부한 단백질
○ 모교원질 : 교원질의 기본 단위
○ α 사슬 프로콜라겐 → 3개가 모여 3중 나선 형성 → 나선이 모여 띠 모양의 원섬유 형성
○ 인장에 대한 저항력이 강함
○ 압축에 대한 저항력이 약함 : 프로테오글리칸이 압축에 대한 저항력 제공
○ 성분 2. 프로테오글리칸
○ 당단백질, 몇 개의 글리코스아미노글리칸(GAG)이 부착된 중심단백질로 이루어진 큰 단백질
○ 압축 → 프로테오글리칸 변형 및 내부용액 방출 → 전하밀도가 높아져 저항력 증가
○ (참고) 돈난 삼투 부종 압력(Donnan osmosis edema pressure) : 압박 → 어그리칸스끼리 모여 음전하 밀도를 높임 → 물을 끌어당겨 부풀어 오름 (부종)
④ 관절염
○ 퇴행성 관절염 : 노화로 관절 연골 감소 및 활액 점성도 감소. 히알루론 등을 주사하여 치료
○ 류마티스 관절염 : 관절 조직에 대한 자가면역 질환으로 활막에 염증, 연골 손상 등 발생
⑵ 골격과 근육의 연결
① 인대(ligament) : 뼈와 뼈를 연결
○ 교원질 섬유가 완전평행이 아님. 서로 가까이 얽혀 있음 : 다른 방향으로도 작게나마 장력부하를 견딜 수 있음
○ 엘라스틴이 거의 존재하지 않음
② 힘줄(건, tendon) : 근육과 뼈를 연결 → 운동을 가능케 함
○ 신체 중심부 뼈대에 기점, 말단부의 뼈대에 착점
○ 교원질 섬유가 질서 있고 평행하게 정렬 : 높은 단방향의 장력부하를 견딜 수 있음. 50 MPa의 장력강도
○ 콜라겐 함량이 80%. 엘라스틴이 거의 존재하지 않음. 혈관이 비교적 적음
○ 건방조직(paratendon) : 혈관성. 보호기능을 위해 수초(sheath)를 형성
○ 건초(epitenon) : 무혈관성. 활액세포 有. 활액에 의해 건의 활주 촉진
③ 인대와 힘줄에 최소 혈액 공급 → 상처 회복이 느림
4. 뼈의 역학적 특성 [목차]
⑴ 뼈의 비등방성
① 강도 : 종방향 ＞ 횡방향
② 강직도 : 종방향 ＞ 횡방향
③ 연성 : 종방향 ＞ 횡방향
⑵ 피로부하
⑶ 골절의 양상
① 치밀뼈는 압박부하(170 MPa), 장력부하(130 MPa), 전단부하(70 MPa) 순으로 항복응력이 높음
② 압박골절
○ 뼈의 항복은 골원의 틈에서 발생
○ 뼈는 인장보다 압축에 더 강함
○ 안정성 골절 : 깨끗이 금만 감
○ 대개 척추에서 발생
③ 인장골절
○ 뼈의 항복은 시멘트 라인과 골원들의 탈결합으로 일어남
○ 해면뼈가 많으면 장력부하에 의한 골절 빈발
○ 불안정성 골절
④ 전단골절
○ 해면뼈가 많으면 전단부하에 의한 골절 빈발
○ 불안정성 골절
⑷ 기타
5. 뼈의 질환 및 치료 [목차]
⑴ 뼈의 질환
① 골절
② 골다공증 : 뼈의 석회화가 떨어지고 뼈의 군데군데 구멍이 뚫리는 증세
⑵ 뼈의 치료
① 골 재생
○ 중간엽 줄기세포
○ 스캐폴드
○ 혈관내피세포
○ 성장인자(BMP) : 일반적으로 BMP2, BMP4를 사용
② 연골 재생 방법
○ 줄기세포 이식 후 분화
○ 골 연골조직 이식법
○ 관절표면성형술
○ 연골 세표 이식술
③ 골수 자극을 통한 미세골절술
○ 뼈에 구멍을 뚫어서 피가 나오게 함
○ 피 속에 있는 줄기세포가 연골을 재생시킴
○ 골수 유래 줄기세포가 지방 유래 줄기세포보다 더 뛰어남
입력: 2015.07.26 10:43
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