Thành phần và cấu trúc xương

Xương là một mô mà trong đó các tế bào chỉ chiếm từ 2%-5% thể tích, chất liệu không sống chiếm tới 95% đến 98%. Những chất liệu không sống đó giúp cho xương có độ cứng rắn và sự phục hồi với những thuộc tính cơ học cơ bản. Chất liệu không sống này bao gồm một chất nền protein mà phần ngoài được khoáng hóa với các chất khoáng chiếm một nửa thể tích, nửa còn lại là chất nền hữu cơ. Không giống như các mô liên kết khác, hầu như không có nước tự do tồn tại bên trong chất liệu xương. Nhúng trong chất rắn của xương là những tế bào được gọi là nguyên bào xương. Các nguyên bào xương trú tại những chỗ khuyết trong chất nền và kết nối với nhau thông qua một mạng lưới rộng lớn các tiến trình tế bào dài diễn ra trong những kênh gọi là những rãnh nhỏ, những rãnh nhỏ này phân nhánh khắp xương. Kết quả của sự sắp xếp này là thể tích xương bình thường thực sự không nhiều hơn vài mico mét khối trong một tế bào sống. Hơn nữa, ngay cả trong khối xương đặc của các trục xương dài có một mạng lưới rộng lớn các kênh mạch máu, do đó khoảng cách giữa các nguyên bào xương với các mao quản xa nhất cũng không vượt quá 90 micromet.

Chất khoáng của xương là những chất khoáng được hydro hóa không hoàn toàn, giàu muối carbon, và có số lượng tham gia vào các phản ứng tạo hợp chất phong phú. Canxi chiếm khoảng 37% đến 40%, phosphat chiếm khoảng 50% đến 58% và carbonat chiếm từ 2% đến 8% tổng lượng khoáng. Những giá trị này khác nhau ở mỗi loài, và thành phần carbonat đặc biệt nhạy cảm với trạng thái axít bazơ toàn thân (giảm trong nhiễm toan và tăng trong nhiễm kiềm). Ngoài ra, chất khoáng xương còn chứa một lượng nhỏ Natri, Kali, Magne, Citrat và một số ion khác hiện diện trong dịch ngoại bào tại thời điểm chất khoáng được tích tụ, hấp thu lên những bề mặt tinh thể và bị giữ lại ở đó, do đó, nước có trong chất nền khi đó bị thay thế bởi các tinh thể khoáng ngày càng tăng.

Chất nền protein của xương, cũng như của gân, dây chằng và lớp hạ bì chủ yếu là collagen, chiếm khoảng 90% chất nền hữu cơ. Đối với xương, collagen thuộc loại 1, là một sợi protein dài, cuộn lại thành chuỗi xoắn 3. Đối với các phân tử protein không có chuỗi bên, để cuộn chặt, có thể hướng phần thân peptitde ở bên vào trong. Do đó, mỗi axít amin vị trí thứ 3 trong phần thân của phân tử collagen là glycine, nó không có nhánh bên. Tuy nhiên, hướng ra ngoài là những chuỗi bên của nhiều loại axít amin khác, như là lysine, cho phép hình thành những liên kết hóa trị chặt chẽ có thể tịnh tiến về sau giữa các sợi collagen. Sự liên kết chéo này giúp ngăn ngừa các sợi trượt lên nhau theo trục của các sợi.

Protein không collagen chiếm khoảng 10% của chất nền hữu cơ của xương. Những protein này bao gồm một họ các protein mà trong đó lượng axít glutamic đã được chuyển hóa thành muối cacbon ở vị trí γ, được gọi là các gla-protein, trong số đó osteocalcin (gla-protein của xương) được nghiên cứu nhiều nhất, nó có 1,5% protein nền. Các gla-protein khác bao gồm osteonectin, fibronectin, gla-protein nền, osteopontin, sialoprotein của xương. Chức năng của các thành phần này vẫn chưa được biết rõ. Một số điều chưa rõ như là chất hấp dẫn hóa học đối với hủy cốt bào hay như những điểm gắn của hủy cốt bào mà ở đó, các tác nhân khác kích thích hủy cốt bào nằm xuống lớp xương mới. Do những đặc tính của các protein nền, xươngdường như có chứa một số các tín hiệu hóa học cho riêng mình để tự tu sửa.

Hình dạng và cấu trúc ba chiều của xương xác định bởi protein nền của xương. Một xương đã được hoàn toàn khử khoáng trong phòng thí nghiệm (bằng cách ngâm trong ethylene-diamine-tetra-acetic hoặc các acid khác) trông hoàn toàn bình thường; và khi cắt, nhuộm màu, và quan sát dưới kính hiển vi, sẽ thấy được tất cả các cấu trúc tinh tế của xương. Thực tế, trước khi khử khoáng, xương đã qua bước truyền thống đầu tiên trong nghiên cứu mô (bởi vì chất khoáng trong xương có thể làm hỏng dao vi phẫu được sử dụng bởi các nhà mô học để cắt xương).