Rund um den Knochen

Knochen ist das stabilste und härteste Gewebe in unserem Körper und dennoch so biegsam, dass es starken Druckausübungen standhält. Dieser Artikel soll einen vertieften Einblick in den Aufbau und die vielen Eigenschaften des Knochens geben. Auch wird die Bedeutung von verschiedenen Spurenelementen und Vitaminen in Bezug auf den Knochen angesprochen.

Knochen und Knorpel – Zwei verschiedene Gewebsarten des Stützgewebes
Die kollagenen Fasern in unserem Körper sind sehr zugfest und gleichzeitig sehr biegsam. Diese Biegsamkeit ist zum Beispiel bei Sehnen und Bändern erwünscht, nicht aber beim Skelett. Der Grund ist, dass hier Kräfte in wechselnder Richtung angreifen und es dennoch zu keiner Gestaltsveränderung kommen darf. Diese gewünschte Steifigkeit wird erreicht, in dem die kollagenen Fasern mit einer festen Grundsubstanz umhüllt werden. Ist diese Grundsubstanz rein aus organischen Stoffen aufgebaut (v.a. Chondroitinsulfat), handelt es sich um Knorpelgewebe. Kommen in der Grundsubstanz jedoch eingebaute anorganische Stoffe wie Calcium- und Magnesiumkristalle vor, entsteht daraus ein Knochengewebe.

Der Knorpel
An vielen Stellen im Körper ist ein Knorpelgewebe sinnvoller als ein Knochengewebe. Zum Beispiel würden wir uns ständig die Nase oder das Ohr brechen, wären diese aus Knochengewebe anstatt aus dem biegsamen und anpassungsfähigen Knorpelgewebe.

Der Knorpel zeichnet sich durch seine hohe Druckfähigkeit, seiner Belastbarkeit und seiner Gleitfähigkeit verschiedener Komponente aus. Da Knochen eine raue Oberfläche besitzen, würde eine ständige Reibung aneinander eine schnelle Abnutzung dieser zur Folge haben. So wird den Gelenkknochen zur Glättung der Oberfläche Knorpelgewebe aufgelagert.

Da die Knorpelzellen (Chondrozyten) und die Fasern von einer grossen Menge an fester Grundsubstanz umlagert werden, steigt ihre Druckfähigkeit erheblich an. Ausserdem besitzt der Knorpel keine Blutgefässe, sondern wird ausschliesslich durch Diffusion versorgt. Die Regenerationsfähigkeit ist gering. Das bedeutet, dass Knorpelverletzungen schlecht heilen. Grund dafür ist deren niedrige Stoffwechselaktivität.  Es gibt drei verschiedene Arten von Knorpelgewebe.

Der hyaline Knorpel ist die am häufigsten vorkommende Form des Knorpelgewebes.

Er ist druckfest und dennoch elastisch. Das Licht fällt hindurch wie durch mattes Glas. Diese Art von Knorpelgewebe überzieht Gelenkflächen und bildet unter anderem die Rippenknorpel mit. Ausserdem sind die Nasenscheidewand, das Kehlkopfgerüst und die Spangen der Luftröhre aus dieser Knorpelart. Von grosser Bedeutung ist wie erwähnt seine Funktion als Gelenkknorpel. Sterben die hyalinen Knorpelzellen ab, entwickeln sich an ihrer Stelle knochenbildende Zellen (Osteoblasten). So wird das Längenwachstum bis zur Erwachsenengrösse ermöglicht. Nach Abschluss des Wachstums verbleibt der Knorpel an den gelenkbildenden Knochenenden.

Der Knorpel erfüllt dann seine Aufgabe als ca. 2 mm dicker Gelenkknorpel.

Ein Längsschnitt durch ein Fingergelenk zeigt, dass die Gelenkenden der Knochen mit hyalinem Knorpel überzogen sind. Hier fehlt die Knorpelhaut, da der hyaline Knorpel keine besitzt. Somit fehlen ihm auch Blutgefässe und die Ernährung muss somit von der Gelenkschmiere und vom Knochen erfolgen.
Da dieses Ernährungssystem mit den Jahren immer störanfälliger wird, kommt es im Alter zu Abnutzungserscheinungen  der Gelenke (Arthrosen).

Bildquelle: Universität Fribourg, Anatomy

Eine weitere Knorpelart ist der elastische  Knorpel. Er kommt wesentlich seltener vor als der hyaline Knorpel. Durch seinen hohen Anteil an elastischen Fasern anstelle von kollagenen Fasern, hat er eine hohe Elastizität und Belastbarkeit. Seine gelbliche Farbe kommt von den erwähnten Fasern. Der elastische Knorpel kann sich nicht und verknöchert nicht wie der hyaline Knorpel. Der Kehldeckel und der Knorpel der Ohrmuschel sind zum Beispiel aus diesem Gewebe.

Die dritte Knorpelart ist der Faserknorpel. Er ist durch zahlreiche, dicht gepackte kollagene Bindegewebsfasern durchzogen, wodurch er sehr widerstandsfähig ist. Er hat nur noch einen geringen Anteil an amorphoser Grundsubstanz. Diese Gewebsart kommt in den Bandscheiben, in der Knorpelscheibe des Knies und in der Verbindung zwischen den Schambeinen (Schambeinfuge) vor.


Bildquelle: Universität Fribourg, Anatomy

Der Knochen
Knochengewebe ist 2-3 mal schwerer als die meisten übrigen Gewebe in unserem Körper. Aufgrund des hohen Gewichtes, spart der Körper wo er kann an Knochenmasse. Deshalb sind die langen Knochen rohrförmig gebaut: aussen ein kompakter Knochen und innen ein schwammartiger Knochen (Spongiosa). Der Knochen ist in ständigem Umbau um sich an die veränderte Belastung anzupassen und um den konstanten Kalciumspiegel im Blut zu gewährleisten. Zum Beispiel wird der vor der Geburt gebildete primitive Geflechtknochen nach und nach durch den hochwertigen Lamellenknochen ersetzt. Beim gesunden Knochen ist dieser Auf- und Abbauprozess in einem Gleichgewicht. Beim kranken Knochen (z.B. Osteoporose) wird diese Gleichgewicht verschoben in dem mehr abgebaut als aufgebaut wird.
Ein grosser Unterschied zwischen Knochen- und Knorpelgewebe ist, dass der Knochen im Vergleich zum Knorpel viele Gefässe hat, was zu einer hohen Stoffwechselrate und somit auch zu einer schnellen Heilungsrate führt. Zu beobachten ist diese hohe Blutversorgung des Knochens bei einem Bruch, bei dem es generell stark blutet.

Er ist sehr widerstandsfähig gegenüber Druck, Biegung und Dehnung. Die einzelnen Bestandteile des Knochens sind Wasser (ca. 25 Prozent), organische Stoffe (hauptsächlich das Protein Ossium) und schliesslich anorganische Mineralien: Kalzium, Phosphor, Magnesium sowie in geringen Mengen Eisen, Kalium, Natrium, Chlor und Fluor. Diese Salze sind für die Festigkeit und die Härte eines Knochens zuständig. Ein salzfreier, entkalkter Knochen ist demnach biegsam wie es  zum Beispiel bei einer Rachitis der Fall ist. Es werden zwei Knochenarten unterschieden. Der Lamellenknochen kommt ausschliesslich im erwachsenen Skelett vor. Der Knochen ist feinfaserig. Der Geflechtknochen hingegen bildet das Skelett des Embrions und wird später durch Abbau und erneutem Aufbau in Lamellenknochen umgewandelt. Osteoklasten fressen Kanäle in den Geflechtknochen. In diese Kanäle wachsen Blutgefässe ein und die Osteoblasten bauen schalenartige Knochenhülsen um diese Gefässe. Nach einem Bruch zum Beispiel entsteht immer zuerst ein Geflechtknochen-Gewebe für die Heilung. Später wird aus diesem nach und nach ein Lamellenknochen.

Zellen des Knochens und die Intrazellulärsubstanz
Die Knochenzellen werden Osteozyten genannt. Sie liegen einzeln in kleinen Knochenzellhöhlen die von Interzellularsubstanz umgeben sind. Sie sind flach und haben allseitig lange Fortsätze, die sich in feinen Knochenkanälchen befinden. Diese Knochenbälkchen kommunizieren miteinander und die Fortsätze der Knochenzellen stehen durch Nexus in Verbindung. So erfolgt auch ein Stoffaustausch.

Es werden ausserdem drei verschiedene Zelltypen im Knochen unterschieden, die für die Fähigkeit zum Umbau verantwortlich sind. Dieser erfolgt wenn sich der Knochen an neue Bedingungen anpassen muss. Zum Beispiel wenn sich die Belastung oder die Ernährung ändert.

Jeder Umbau des Knochens und auch jede Heilung einer Knochenbruchstelle ist mit den Knochenzellen Osteoblasten und Osteoklasten verbunden.

Osteoblasten gehen durch differentielle Zellteilung aus Knochenvorläuferzellen des am oder im Knochen vorhandenen Bindegewebes hervor. Sie produzieren Tropokollagene und saure wie auch neutrale Proteoglykane für die Knochenmatrix. Die Osteoblasten scheiden diese Substanzen nach allen Seiten ab, so dass sie sich allmählich einmauern. Sobald die Osteoblasten rundherum von Interzellularsubstanz umgeben sind werden sie schliesslich als Osteozyten bezeichnet. Osteoblasten sind somit für den Knochenaufbau zuständig.

Osteoklasten sind vielkernige Riesenzellen die von den Monozyten (Makrophagen) abstammen. Sie dienen dem Knochenabbau. In ihnen sind oft Vakuolen zu finden, in denen Bruchstücke von aufgenommenen Kollagenfibrillen und Knochenkristallen vorkommen. . Sie sind für die Auflösung des Knochens bei der Umbauphase des Skelettes von Geflechtknochen zu Lamellenknochen zuständig. Dies bedeutet, dass Sie vor allem im Wachstum und auch nach Knochenbrüchen aktiv sind.

Die Intrazellulare Substanz

Sie wird auch Knochengrundsubstanz oder Knochenmatrix genannt. Sie setzt sich aus organischen und anorganischen Bestandteilen zusammen. Bei den organischen Bestandteilen handelt es sich zu 95% um Kollagenfasern (Kollagen Typ 1). Der Rest sind Glykosaminoglykane und spezielle Proteine wie zum Beispiel Osteonektin und Osteokalzin. Bei den anorganischen Substanzen, welche ca. 50 % des Trockengewichts ausmachen, handelt es sich vor allem um Hydroxylapatit in Kristallform welches für die Druckfestigkeit des Knochens verantwortlich ist.

Der Aufbau des Knochens (des Lamellenknochens)
Lamellenknochen sind feinfaserige Knochen des menschlichen Skeletts. Ein Neugeborenes hat überwiegend Geflechtknochen, welche grobfaserig sind. Nach und  nach werden diese Geflechtknochen zu den stärker differenzierten  und stabileren Lamellenknochen umgewandelt. Die Geflechtknochen, auch Deckknochen oder Bindegewebsknochen genannt, besteht aus locker verflochtenen Knochenbälkchen (Trabehel). Beim entwickelten Lamellenknochen können schliesslich zwei verschiedene Gewebstypen unterschieden werden. Die äussere, dichte Knochenschicht (Kompakta) und die innere Bälkchenknochenschicht (Spongiosa). Die Kompakta ist vor allem im Knochenschaft (Diaphyse) zu finden, die Spongiosa eher an den Knochenenden (Epiphysen). Diese zwei verschiedenen Arten von Knochengewebe hat die positive Eigenschaft, dass mit einem Minimum an Material ein Maximum an Festigkeit erreicht werden kann.

Bildquelle: GEK

Die Kompakta

In der Kompakta  werden durch kollagene Fasern der Knochengrundmasse feine und dünne Plättchen (Lamellen) gebildet. Diese sind nur ein Bruchteil eines Millimeters dick und geben der Knochenart ihren Namen. Ungefähr 30 dieser Osteon-Lamellen ordnen sich jeweils röhrenförmig um einen Havers-Kanal an. Im Havers-Kanal befinden sich kleine Blutgefässe, welche die Lamellenknochen versorgen. Volkmann-Kanäle durchlaufen den Knochen radiär und stellen so die Querverbindung zu den Havers-Kanälen dar.  Rund um die Blutgefässe finden sich Osteozyten und die Extrazellularmatrix. Die Osteozyten liegen dabei zwischen den Lamellen, in denen die Kollagenfasern spiralförmig angeordnet sind. Untereinander stehen die Zellen über Zellfortsätze, die in winzigen Knochenkanälchen verlaufen (Canaliculi) verlaufen, in Verbindung und können so auch Nährstoffe von den Blutgefässen nach aussen weiterreichen. So entstehen die Havers-Säulen, auch Osteone genannt. Sie bilden die Baueinheit des Knochens. Osteone laufen fast immer in Längsrichtung und bestimmen so die Biegefestigkeit eines Knochens. Schaltlamellen füllen dabei die Lücken zwischen den Osteonen, während die grossen General-Lamellen den ganzen Knochen umgeben und ihn nach innen zum Periost begrenzen. Das ganze Gebilde aus Osteonen, General-Lamellen und Blutgefässen (Havers- und Volkmannkänle) nennt sich Kortikalis.

Die Spongiosa

Als Gegensatz zur Kompakta hat der Lamellenknochen auch noch die Spongiosa, welche aus Trabekel (Knochenbälkchen) und aus dem Markraum (Knochenmarkhöhle) besteht. Da die Knochenzellen der Spongiosa einen hohen Stoffwechsel haben und ebenfalls mit Nährstoffen versorgt werden müssen, können die Trabekel nur eine bestimmte Dicke erreichen (ca. 0,5 mm), denn der Stoffausstausch erfolgt nur durch Diffusion des umgebenen Knochenmarks. Das Knochenmark findet sich an zwei Stellen des Knochens. Einerseits befindet sich in den Hohlräumen zwischen den Spongiosatrabekeln das rote, blutbildende Knochenmark. Andererseits gibt es im Bereich der Markhöhle des Knochenschaftes (Diaphyse) das gelbe Knochenmark (Fettmark).

Nach aussen hin wird der Lamellenknochen schliesslich von der Periost (Knochenhaut) überzogen. Diese besteht einerseits aus der Faserschicht, welche aus Kollagen und elastischen Fasern besteht und aus der Keimschicht. Sie enthält Knochenstammzellen, Nerven und Gefässe. Sie ist sehr schmerzempfindlich und dient neben Schutz und Ernährung des Knochens, auch dem Ansatz von Sehnen und Bänder.

Bildquelle: Ebenhöh, Knochen

Wichtige Mineralstoffe und Vitamine im Überblick
Calcium und Phosphat

Diese beiden Mineralstoffe liegen im Knochen als Calciumphosphat vor. Sie werden dort gespeichert und können kurzfristig daraus gelöst werden, um den Calcium und Phosphatspiegel im Blut zu erhöhen. Da Parathormon aus der Nebenschilddrüse bewirkt diesen Vorgang. Das Hormon arbeitet dabei mit den Osteoklasten zusammen, welche für den Knochenabbau zuständig sind. Sie aktivieren hierfür ihre Hydrolasen und schütten Kollagenasen aus. So wird schliesslich Calcium und Phosphat herausgespalten und ins Blut abgegeben.
Calcium ist zu 99% zusammen mit Phosphat in Knochen und Zähnen eingelagert. Nur 1% befindet sich im Extrazellulärraum und innerhalb der Zellen. Calcium ist wichtig für den Aufbau des Skeletts, der Muskelkontraktion, der Blutgerinnung, der Exozytose und als zweiter Botenstoff. Das Phosphat ist zu 85% im Knochen gespeichert. 1% befindet sich in der Extrazellulärflüssigkeit und 14% in den Zellen. Der Phosphatspiegel beträgt ca. 1-2 mmol/l. Es ist wichtig als Calciumphosphat im Knochen, als Bestandteil von Phospholipiden und der Nuleinsäure.

Magnesium

Magnesium ist Bestandteil des Knochens (0,7 %). Circa 60 % des Körpermagnesiums befindet sich im Knochen. Magnesium spielt eine wichtige Rolle im Vitamin D- und Parathormonstoffwechsel.

Folsäure

Einerseits ist Folsäure an der Herstellung von Nukleinsäure (Träger der Erbinformation) beteiligt. Somit spielt sie auch bei der Zellteilung der Knochenzellen eine Rolle. Andererseits ist Folsäure an der Bildung der roten Blutkörperchen im Knochenmark beteiligt. (Horn, 2005)

Calcitriol (Form von Vitamin D)

Es bildet den Gegenspieler zum Parathormon. Es ist ein Steroidhormon aus der Niere und  hat die Fähigkeit Osteoblasten zu stimulieren und so die Knochenmineralisierung zu verstärken. Also auch den Einbau von Calcium und Phosphat. Nur durch Vitamin D ist eine Einlagerung dieser möglich. Ausserdem fördert Calcitriol die Aufnahme von Calcium aus dem Darm und der Niere.

Vitamin B12

Dieses Vitamin ist für die Bildung von roten Blutkörperchen unerlässlich. Da diese im Knochenmark gebildet werden, steht Vitamin B12 im engen Zusammenhang mit dem Knochen. Ein unbehandelter B12-Mangel führt zur Anämie da im Knochenmark zu wenig rote Blutkörperchen gebildet werden.

Vitamin K

Im Osteoblast erfolgt eine Carboxylierung des Knochenproteins Osteokalzin. Vitamin K ist an der Bildung von diesem Protein beteiligt. Es bindet dabei an Calcium und Hydroxylapatit. Es ist wichtig für die Qualität des Knochens und ein Mangel kann auch Grund für eine Osteoporose sein. 
 
Vitamin B6

Es ist ein essentieller Cofaktor für das Enzym Ornithin-Decarboxylase, ein geschwindigkeitsbestimmendes Enzym bei der Bildung von Putrescin. Putrescin reguliert die Glukose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Aktivität der Osteoblasten und damit die NADPH-Konzentration. NADPH ist wiederum essentiell für den Vitamin-K-Zyklus. Ohne Vitamin B6 kann Vitamin K also gar nicht die Carboxylierung von Osteocalcin durchführen

Vitamin C

Es ist für die Herstellung von Kollagen wichtig, welches ein wichtiges Eiweiss im Binde- und Stützegewebe ist und somit auch für den Knochen eine wichtige Rolle spielt. Ausserdem braucht der Körper Vitamin C zur Knochen- und Knorpelbildung. Vitamin C steigert ausserdem die Eisenaufnahme aus dem Darm was zur Bildung der roten Blutkörperchen wichtig ist da Eisen auch Bestandteil derer ist. Es besteht die Vermutung, dass neben Wunden auch Knochenbrüche durch die Gabe von Vitamin C schneller heilen. (Menche, 2008)

 
Protein

Proteine kommen als Gerüstsubstanzen im Bindegewebe (Kollagen) und somit auch im Knochen vor. Sie sind Stützsubstanzen in Knochen, Nägeln und Haaren. Auch für den Transport von Ferritin und Hämoglobin sind Proteine von Bedeutung und somit auch für die Bildung der roten Blutkörperchen im Knochenmark. Enzyme, welche für den Knochenstoffwechsel und die Blutbildung im Knochenmark benötigt werden, bestehen aus Proteinen. Dem Protein wird auch zugeschrieben, die Calciumresorption zu stimulieren. (Dawson-Hughes & Burkhardt, 2006)

Literaturverzeichnis:
Biesalski, H. K., Köhrle, J., & Schümann, K. (2002). Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Stuttgart/New York: Georg Thieme Verlag. Seite 33-40

Clinical Chemistry. (1998). Vitamin B6 Deficiency May Also Be Important. Abgefragt am 5.5.,2010 unter folgendem Link >>

Dawson-Hughes, B., & Burkhardt, P. (Eds.) (2006). Protein intake and calcium absorption – potential role of the calcium sensor receptor [Electronic version]. Nutritional Aspects
of Osteoporosis, Seite 217-228

Faller, A., Schünke, M., & Schünke, G. (2004). Der Körper des Menschen – Einführung in Bau und Funktion. Schtuttgart: Georg Thieme Verlag. Seite 85-93

Horn, F., Moc, I., Schneider, N., Grillhösl, Ch., Berghold, S., Lindenmerier, G. (2005) Biochemie des Menschen. Ein Lehrbuch für das Medizinstudium. (3. Aufl.). Stuttgart: Georg
Thieme Verlag. Seite 483

Menche, N., & Engelhardt, S. (Eds.) (2008). Biologie, Anatomie, Physiologie: Kompaktes Lehrbuch für Pflegeberufe (6., überarb. Aufl., [Nachdr.]). München: Elsevier Urban & Fischer. Seite 57, 67-68, 321