Die Knochen-Baustelle (3): Mineralien

Die für unseren Knochenstoffwechsel wichtigsten Mineralien sind Calcium und Phosphat.  

Calcium 

Calcium ist dabei das mengenmäßig am häufigsten vorkommende Mineral, beim Erwachsenen können das bis zu 1,5 kg sein. Osteoblasten bauen Calcium-Verbindungen in den Knochen ein und Osteoklasten lösen sie wieder  heraus.

 Phosphat 

Phosphat ist neben Calcium der zweitwichtigste Bestandteil unserer Knochensubstanz. Fast 85% unseres gesamten Phosphats befindet sich in den Knochen und den Zähnen.

Unser Körper benötigt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Calcium und Phosphat. Wird dieses Verhältnis gestört, so leidet nicht nur unser Knochenstoffwechsel, sondern auch eine Vielzahl weitere Körperfunktionen. Ein Zuviel an Phosphat kann ernste Folgen haben: auf der Suche nach Calcium, mit dem es Verbindungen eingehen kann, mobilisiert das Phosphat es aus den Knochen.

Die Knochen-Baustelle (2): Hormone

Das Remodeling unserer Knochen wird von einer Vielzahl von Hormone gesteuert. Die wichtigsten sind Vitamin D, Parathormon, Calcitonin, Östrogen und Testosteron. 

Vitamin D 

Vitamin D gehört zu den fettlöslichen Vitaminen, kann im Körper hergestellt und auch gespeichert werden. Obwohl „Vitamin“ ist es strenggenommen ein Hormon, das für eine Vielzahl von biochemischen Abläufen in unserem Körper wichtig ist. Unter Sonneneinstrahlung kann es in unserer Haut gebildet werden und/oder wird mit der Nahrung aufgenommen. Unser Körper benötigt täglich zwischen 200 und 400 IE (IE = internationale Einheiten), zur Behandlung einer Osteoporose sind bis zu 1000 IE erforderlich. Auch Kinder benötigen eine derart hohe Zufuhr an Vitamin D damit eine normale Knochenentwicklung stattfinden kann. 

Strukturformel Vitamin D

Die wichtigsten Funktionen des Vitamin D sind:

• Erhöhung der Calcium-Aufnahme aus der Nahrung 
• Verminderung der Calcium-Ausscheidung über die Nieren 
• Aktivierung der knochenaufbauenden Osteoblasten 
• Einbau der Calcium-Phosphor-Verbindungen in den Knochen  

Parathormon 

Parathormon (PTH) steuert den Calcium-Spiegel in unserem Körper und hat somit einen entscheidenden Einfluss auf den Calcium-Gehalt unserer Knochen. Es wird in der Nebenschilddrüse gebildet und gespeichert und bei Absinken der Calcium-Konzentration im Blut freigesetzt. Es sorgt für eine Erhöhung des Calcium-Spiegels durch Freisetzung von Calcium aus den Knochen und Reduzierung der Calcium-Ausscheidung über die Nieren. Gleichzeitig senkt es den Phosphatspiegel im Blut, indem es die Phosphatausscheidung über die Nieren erhöht.

Seitenansicht Halsorgane

 PTH führt zu: 

• Freisetzung von Calcium aus den Knochen 
• Steigerung der Rückresorption von Calcium in den Nieren 
• Steigerung der Phosphatausscheidung über die Nieren 
• Senkung der Phosphatkonzentration im Blut

Als Medikament zugeführt erhöht PTH allerdings Knochendichte und Knochenbelastbarkeit und reduziert die Zahl von Knochenbrüchen.

Calcitonin

Calcitonin ist ein in der Schilddrüse hergestelltes Hormon, das den Knochenabbau durch die Osteoklasten bremst und den Aufbau von Knochensubstanz durch Osteoblasten fördert.

Östrogen

Das Hormon Östrogen zeigt am Knochen mehrere Wirkungen:

• Hemmung der Osteoklasten
• Stimulation der Osteoblasten und insbesondere der Kollagen-Herstellung
• Förderung der Calcium-Aufnahme aus unserem Magen-Darm-Trakt
• Förderung der Calcitonin-Ausschüttung
• Förderung der Parathormon-Ausschüttung
• Verbesserung der Knochendurchblutung

 Testosteron

Nicht nur Männer produzieren dieses Hormon, sondern auch Frauen. Seine Wirkungen sind vergleichbar mit denen des Östrogens.

Die Knochen-Baustelle (1): Zellen

Der permanente Auf- und Abbau unserer Knochensubstanz, das sog. Remodeling, spielt sich auf mikroskopisch kleiner Ebene ab, ohne dass wir davon etwas mitbekommen. Es handelt sich hierbei um hochkomplizierte Vorgänge, an denen eine Vielzahl von Strukturen und Substanzen fein aufeinander abgestimmt zusammenarbeiten. Die Hauptrolle beim Remodeling spielen:

• Zellen: Osteoblasten, Osteoklasten, Osteozyten
• Hormone: Vitamin D, Parathormon, Calcitonin, Östrogen, Testosteron
• Mineralien: überwiegend Calcium und Phosphat

Osteoblasten 

Osteoblasten sind knochenaufbauende Zellen, deren Vorläufer aus dem Knochenmark stammen und die Kollagen (die Kittsubstanz des Knochens) und Calcium-Phosphor-Verbindungen herstellen. Sie werden dabei von einer Vielzahl von Hormonen und anderen Substanzen gesteuert. Einige Osteoblasten bleiben dabei auf der Strecke: sie ummauern sich mit Knochensubstanz und verwandeln sich in Osteozyten, die in die Knochensubstanz eingebaut werden. Der Aufbau neuer Knochensubstanz ist ein sehr langsamer Prozess und dauert mehrere Wochen. 

Osteoblasten

Osteoklasten 

Osteoklasten sind knochenabbauende Riesenzellen, deren Vorläufer ebenfalls aus dem Knochenmark stammen und die beschädigtes, überaltertes Knochengewebe innerhalb weniger Tage eliminieren. Dazu geben sie Enzyme ab, die das Mineral und Kollagen auflösen, damit sie es aufnehmen und verdauen können. Auch die Osteoklasten werden von einer Vielzahl an Hormonen und ähnlichen Substanzen gesteuert. Östrogene hemmen die Bildung von Osteoklasten, was erklärt, warum Frauen in den Wechseljahren (dann fällt der Östrogenspiegel) einem erhöhten Knochenabbau ausgesetzt sind.

Osteoklasten

Osteozyten 

Osteozyten sind knochenüberwachende Zellen. Sie entstehen aus Osteoblasten, die sich mit der selbst gebildeten Knochensubstanz begraben haben, ein Schicksal, dass fast jeden 10. Osteoblasten ereilt. Sie sind wichtig für den Transport von Stoffen im Knocheninneren, überwachen den Alterungsprozess des Knochens und geben augenscheinlich auch das Kommando zum Ab- und Aufbau von Knochensubstanz. Die Dichte der Osteozyten ist eng an die Knochendichte gekoppelt. Nimmt im Alter die Zahl der Osteozyten ab, so kommt es zwangsläufig zur Abnahme von Knochenmasse und Knochenqualität.

Osteozyten

Das Remodeling unserer Knochen ist von großer Bedeutung für die Entstehung einer Osteoporose, denn sie entsteht, wenn über die Jahre immer ein wenig mehr Knochensubstanz abgebaut als wieder aufgebaut wird. Eine negative Knochenbilanz kann drei verschiedene Ursachen haben:

•  Erhöhte Osteoklasten-Aktivität
• Verminderte Osteoblasten-Aktivität 
• Verminderte Osteoklasten- und Osteoblasten-Aktivität

Modeling und Remodeling

Zum Zeitpunkt unserer Geburt ist die überwiegende Zahl unserer Knochen nur knorpelig angelegt oder besteht überwiegend aus Bindegewebe. Durch einen komplizierten hormonell gesteuerten Mechanismus wachsen unsere Knochen in die Länge. Das Längenwachstum spielt sich in den knorpelig angelegten Wachstumsfugen ab, den Epiphysenfugen, die sich bei den Röhrenknochen an den Enden des jeweiligen Knochens befinden. In der Wachstumsfuge wird neuer Knorpel gebildet, während gleichzeitig vom röhrenförmigen Mittelteil des Knochens her neues Knochengewebe produziert und Knorpel wieder abgebaut wird. Der Knochen wächst somit in die Länge. Sobald  Knorpelabbau und Knochenbildung schneller erfolgen als die Knorpelneubildung wird die Wachstumsfuge immer schmaler und verknöchert schließlich ganz, womit das Längenwachstum abgeschlossen ist. Je nach Röhrenknochen liegt dieser Zeitpunkt zwischen dem 13. und 25. Lebensjahr. Am Dickenwachstum der Knochen ist übrigens kein Knorpelgewebe beteiligt, es erfolgt durch Anlagerung von Knochengewebe an der Außenseite des jeweiligen Knochens. Den Prozess des Knochenwachstums bezeichnet man als „Modeling“.

Aber auch im Erwachsenenalter sind unsere Knochen weiterhin sehr stoffwechselaktiv und werden ständig umgebaut und wechselnden Bedürfnissen angepasst. Durch Mineralverlust gealtertes Knochengewebe wird permanent ab- und wieder neu aufgebaut. Es findet also zeitlebens ein reger Austausch von Knochensubstanz statt, den man als „Remodeling“ bezeichnet und folgende Aufgaben hat:

• Ersatz von altem Knochengewebe
• Reparatur von beschädigtem Knochengewebe
• Anpassung an neue Belastungsanforderungen
• Calcium-Mobilisation bei Bedarf (z. B. Schwangerschaft)

Beim Erwachsenen sind zu jedem Zeitpunkt rund 1 Mio. Umbaustellen aktiv!

Die Reparatur von beschädigtem Knochengewebe erfolgt nicht nur bei Knochenbrüchen, sondern auch bei sog. Mikrofrakturen der Knochenbälkchen (Spongiosa), die sich unbemerkt täglich millionenfach ereignen. Durch das Remodeling wird unser Skelett alle 10 Jahren komplett ausgetauscht.

Das Remodeling verläuft in mehreren Phasen und benötigt für einen kompletten Zyklus ca. 120 Tage. Während der Knochenabbau über die Osteoklasten relativ zügig erfolgt und lediglich 3 Wochen benötigt, kann die Neubildung von Knochensubstanz Monate benötigen. Pro Jahr ergibt sich eine Gesamt-Umbaurate unseres Skeletts von ca. 8%. Dabei weisen Corticalis (= 80% unseres Knochenmaterials) und Spongiosa (= 20% unseres Knochenmaterials) unterschiedlich schnelle Umbauraten auf: die dicht gebaute Corticalis hat einen hohen Calcium-Gehalt und ist stoffwechselmäßig gesehen träge, so dass der Knochenumbau sehr langsam erfolgt. Die durch ihr Trabekelwerk luftig aufgebaute Spongiosa hat eine viel größere Oberfläche und dadurch eine wesentlich schnellere Umbaurate. Jährlich baut unser Körper ca. 25% Spongiosa um, jedoch nur ca. 2,5% Corticalis. Daraus folgt, dass die Osteoporose sich in erster Linie an den spongiösen Knochen abspielt wie beispielsweise an den Lendenwirbelkörpern und Hüftgelenksknochen, die bis zu 75% aus Spongiosa bestehen.

Knochenaufbau und Knochentypen

Sägt man einen Knochen durch erkennt man eine Rindenschicht, die als Corticalis oder Compacta bezeichnet wird sowie ein darin eingeschlossenes Maschenwerk aus Knochenbälkchen, die sog. Spongiosa, in dessen Maschenräumen sich das Knochenmark befindet. Je nach Knochentyp variieren Dicke der Corticalis und Dichte der Spongiosa. Auf der Knochenrinde sind winzige Öffnungen vorhanden, durch die Blutgefäße und Nerven zu Knochenmark und Spongiosa ziehen.

Längsschnitt durch den Oberschenkelknochen

Modell eines Oberarmknochens

Die Corticalis macht ca. 75% unserer Knochenmasse aus und regeneriert sich sehr langsam, ca. 2 bis 3% pro Jahr. Knochen, die überwiegend aus Corticalis bestehen und nur wenig Spongiosa und Knochenmark enthalten sind beispielsweise die Arm- und Beinknochen sowie die Rippen. Zu den überwiegend spongiösen Knochen gehören die Wirbelkörper, Becken und Hüftknochen. Die Spongiosa ist wesentlich stoffwechselaktiver als die Corticalis und weist eine Regenerationsrate von 25% pro Jahr auf. Allerdings ist sie wegen ihres Maschenwerks deutlich anfälliger für Störungen im Knochenstoffwechsel z.B. für Calcium-Mangel und Osteoporose. Geht man von einem Skelettgewicht von 10 kg aus, so entfallen 8 kg auf die Corticalis und 2 kg auf die Spongiosa. Dafür hat die Spongiosa wegen ihres Maschenwerks jedoch eine 10fach größere Oberfläche als die Corticalis. 

Blick durch`s Mikroskop: Corticalis und ihren Knochenzellen (Osteozyten)

Knochengewebe besteht aus Knochenzellen, den Osteozyten, und aus einer organischen verkalkten Knochengrundsubstanz. Die Knochengrundsubstanz besteht zu etwa einem Drittel aus Kollagen, das ähnlich einer Kittsubstanz alles zusammenhält, und zu etwa zwei Dritteln aus Mineralsalzen. Bei den Salzen handelt es sich überwiegend um Calcium-Phosphor-Verbindungen (Hydroxylapatit).

Durch Einlegen eines Knochens in schwacher Säure lassen sich die Mineralsalze aus dem Knochen herauslösen. Als Reste der Knochengrundsubstanz bleiben das Kollagen und geschrumpfte Knochenzellen übrig. Entkalkter Knochen bewahrt zwar die äußere Form, verliert jedoch seine Festigkeit: er ist biegsam und schneidbar. Entfernt man das organische Material (also das Kollagen) durch Ausglühen, so bleibt die äußere Form im Wesentlichen erhalten, er ist aber glasartig spröde und zerbricht bereits bei leichtem Druck.

Nach der äußeren Form unterscheidet man kurze, lange und platte Knochen.

Zu den kurzen Knochen gehören Wirbelkörper, Hand- und Fußwurzelknochen. Sie besitzen nur eine dünne Corticalis, die die Spongiosabälkchen umhüllt. Eine Markhöhle, wie wir sie beispielsweise vom Oberschenkelknochen her kennen, fehlt ihnen.

Lange Knochen sind Oberarm- und Unterarmknochen, Ober- und Unterschenkelknochen, Mittelhand- und Mittelfußknochen. Sie besitzen einen röhrenförmigen Mittelteil, daher auch Röhrenknochen genannt, deren Corticalis kräftig ausgebildet ist. In ihrer Markhöhle finden sich außerordentlich feine Spongiosabälkchen.

Als platte Knochen bezeichnet man die Schädel- und Beckenknochen sowie unsere Rippen. Sie besitzen kräftige Corticalisschichten zwischen denen sich derbe Knochenbälkchen befinden.

Unser Skelett entspricht dem Prinzip der Leichtbauweise: ein Knochen enthält nur so viel Baumaterial, wie für die höchste Beanspruchung unter normalen Bedingungen erforderlich ist. Ein Zuviel an Knochensubstanz ist unökonomisch, denn Knochenmasse muss nicht nur bewegt, sondern ernährt und mit Energie versorgt werden. Energie wird auch im Ruhezustand benötigt wie auch für den stetigen Umbau der Knochensubstanz.

   

Aufgaben des Skeletts



Image: renjith krishnan / FreeDigitalPhotos.net



Unser Skelett besteht aus über 200 Einzelknochen und wiegt ca. 10 kg, was in etwa 15% unseres Körpergewichts ausmacht. Es erfüllt im Wesentlichen vier Aufgaben:

Stütz- und Bewegungsfunktion

Das menschliche Skelett gliedert sich in die Knochen des Stammes und der Extremitäten. Zum Stammskelett gehören die Knochen des Kopfes und des Rumpfes, zum Extremitätenskelett neben den Knochen unserer Arme und Beine auch die des Schulter- und Beckengürtels. Das Skelett besitzt Stützfunktionen für Rumpf und Extremitäten, liefert Ursprungs- und Ansatzstellen für die Muskulatur und Gelenkkörper für die Beweglichkeit. Die Gelenke sind bewegliche Verbindungen zwischen den Knochen und ermöglichen, dass sich diese gegeneinander bewegen. Der Bewegungsumfang ist dabei nicht nur von der Knochenform abhängig, sondern auch von den umgebenden Strukturen (Gelenkkapsel, Bänder, Muskeln).

Schutzfunktion

Die Knochen schützen unsere empfindlichen Organe vor äußeren Einflüssen. Rippen schützen unser Herz und unsere Lunge, die Schädelknochen unser Gehirn.

Produktion von Blutzellen

Im Inneren unserer Knochen befindet sich das Knochenmark, das eine enge Verknüpfung zu unserem Blut hat. Das Knochenmark produziert rote Blutkörperchen, die Erythrozyten, die unseren Körper mit Sauerstoff versorgen, weiße Blutkörperchen, die Leukozyten, die zu unserem Immunsystem gehören und Krankheitserreger abwehren und Blutplättchen, die Thrombozyten, die zu unserem Gerinnungssystem gehören und dafür sorgen, das kleine Wunden schon nach wenigen Augenblicken nicht mehr bluten.

Mineraldepotfunktion

Unsere Knochen enthalten fast 99% unseres gesamten Calciums, 85% unseres Phosphats und 50% unseres Magnesiums. Beim Calcium sind das bis zu 1,5 kg! In Mangelsituationen können die im Knochen gespeicherten Mineralien mobilisiert und an anderer Stelle im Körper verwendet werden. Mobilisation und Einlagerung von Calcium werden über das Parathormon und Vitamin D gesteuert.