الجهاز الهيكلي

الهيكل العظمي البشري هو هيكل داخلي يتكون من 206 عظمة في البالغين. يتطور الهيكل الداخلي داخل الجسم بدلاً من خارجه مثل الهيكل الخارجي للحشرات. للهيكل العظمي خمس وظائف رئيسية: توفير الدعم للجسم، تخزين المعادن والدهون (الليبيدات)، إنتاج خلايا الدم، حماية الأعضاء الداخلية، والسماح بالحركة. ينقسم الجهاز الهيكلي في الفقاريات إلى الهيكل المحوري (الذي يتكون من الجمجمة والعمود الفقري والقفص الصدري)، والهيكل الطرفي (الذي يتكون من عظام الأطراف، والحزام الصدري أو الكتفي، والحزام الحوضي).

يشكل الهيكل المحوري (axial skeleton) المحور المركزي للجسم ويشمل عظام الجمجمة، وعظيمات الأذن الوسطى، والعظم اللامي في الحلق، والعمود الفقري، والقفص الصدري (قفص الأضلاع) (شكل 16.15).

شكل 16.15 يتكون الهيكل المحوري، الموضح باللون الأزرق، من عظام الجمجمة، وعظيمات الأذن الوسطى، والعظم اللامي، والعمود الفقري، والقفص الصدري. ويتكون الهيكل الطرفي، الموضح باللون الأحمر، من عظام الأطراف الصدرية، والحزام الصدري، والأطراف الحوضية، والحزام الحوضي. (المصدر: تعديل لعمل ماريانا رويز فيلاريل)

تدعم عظام الجمجمة (skull) تراكيب الوجه وتحمي الدماغ. تتكون الجمجمة من عظام قحفية وعظام وجهية. تشكل العظام القحفية التجويف القحفي، الذي يحيط بالدماغ ويعمل كموقع ارتباط لعضلات الرأس والرقبة. في البالغين، تكون متصلة بإحكام بنسيج ضام ولا تتحرك العظام المجاورة.

تنقل العظيمات السمعية (auditory ossicles) في الأذن الوسطى الأصوات من الهواء كاهتزازات إلى القوقعة المليئة بالسائل. تتكون العظيمات السمعية من عظمتي المطرقة، وعظمتي السندان، وعظمتي الركاب، واحدة على كل جانب. توفر عظام الوجه تجاويف لأعضاء الحس (العينين والفم والأنف)، وتعمل كنقاط ارتباط لعضلات الوجه.

يقع العظم اللامي (hyoid bone) أسفل الفك السفلي في مقدمة الرقبة. يعمل كقاعدة متحركة للسان ويتصل بعضلات الفك والحنجرة واللسان. يشكل الفك السفلي مفصلاً مع قاعدة الجمجمة. يتحكم الفك السفلي في فتحة الفم، وبالتالي في مجرى الهواء والجهاز الهضمي.

العمود الفقري، أو العمود الشوكي، يحيط بالحبل الشوكي ويحميه، ويدعم الرأس، ويعمل كنقطة ارتباط للأضلاع وعضلات الظهر والرقبة. يتكون من 26 عظمة: 24 فقرة، والعجز، والعصعص. يحتوي كل جسم فقري على فتحة كبيرة في المنتصف يمر من خلالها الحبل الشوكي وصولاً إلى مستوى الفقرة القطنية الأولى. أسفل هذا المستوى، تحتوي الفتحة على أعصاب شوكية تخرج بين الفقرات. توجد شق على كل جانب من الفتحة يمكن للأعصاب الشوكية من خلاله الخروج من الحبل الشوكي لخدمة مناطق مختلفة من الجسم. يبلغ طول العمود الفقري (vertebral column) حوالي 70 سم (28 بوصة) في البالغين وهو منحني، ويمكن رؤيته من المنظر الجانبي.

تقع الأقراص الفقرية المكونة من الغضاريف الليفية بين الفقرات المتجاورة من الفقرة العنقية الثانية إلى العجز. يساعد كل قرص في تكوين مفصل متحرك قليلاً ويعمل كوسادة لامتصاص الصدمات الناتجة عن حركات مثل المشي والجري.

يتكون القفص الصدري (thoracic cage)، المعروف أيضًا باسم قفص الأضلاع، من الأضلاع، وعظم القص، والفقرات الصدرية، والغضاريف الضلعية. يحيط القفص الصدري بأعضاء التجويف الصدري ويحميها، بما في ذلك القلب والرئتين. كما يوفر الدعم لأحزمة الكتف والأطراف العلوية ويعمل كنقطة ارتباط للحجاب الحاجز وعضلات الظهر والصدر والرقبة والكتفين. تتيح التغيرات في حجم الصدر التنفس. عظم القص، أو عظم الصدر، هو عظم طويل مسطح يقع في الجزء الأمامي من الصدر. مثل الجمجمة، يتكون من العديد من العظام في الجنين، والتي تندمج في البالغ. الأضلاع هي 12 زوجًا من العظام الطويلة المنحنية التي تتصل بالفقرات الصدرية وتنحني نحو الجزء الأمامي من الجسم، مكونة قفص الأضلاع. تربط الغضاريف الضلعية الأطراف الأمامية لمعظم الأضلاع بعظم القص.

يتكون الهيكل الطرفي (appendicular skeleton) من عظام الأطراف العلوية والسفلية. ويشمل أيضًا الحزام الصدري، أو حزام الكتف، الذي يربط الأطراف العلوية بالجسم، والحزام الحوضي، الذي يربط الأطراف السفلية بالجسم (شكل 16.15).

تنقل عظام الحزام الصدري (pectoral girdle) القوة الناتجة عن العضلات التي تعمل على الطرف العلوي إلى الصدر. يتكون من الترقوتين (أو عظمي الترقوة) في الأمام، ولوحي الكتف (أو عظمي الكتف) في الخلف.

يحتوي الطرف العلوي على عظام الذراع (من الكتف إلى المرفق)، والساعد، واليد. عظم العضد هو أكبر وأطول عظم في الطرف العلوي. يشكل مفصلاً مع الكتف ومع الساعد عند المرفق. يمتد الساعد من المرفق إلى الرسغ ويتكون من عظمتين. تشمل اليد عظام الرسغ، وراحة اليد، وعظام الأصابع.

يتصل الحزام الحوضي (pelvic girdle) بالأطراف السفلية للهيكل المحوري. وبما أنه مسؤول عن تحمل وزن الجسم وعن الحركة، فإن الحزام الحوضي متصل بإحكام بالهيكل المحوري بواسطة أربطة قوية. كما يحتوي على تجاويف عميقة بأربطة قوية تتصل بإحكام بعظم الفخذ. يتكون الحزام الحوضي بشكل أساسي من عظمتي ورك كبيرتين. تتصل عظمتا الورك معًا في الجزء الأمامي من الجسم عند مفصل يسمى الارتفاق العاني ومع عظام العجز في الجزء الخلفي من الجسم.

يتكون الطرف السفلي من الفخذ والساق والقدم. عظام الأطراف السفلية أكثر سمكًا وقوة من عظام الأطراف العلوية لدعم وزن الجسم بالكامل والقوى الناتجة عن الحركة. عظم الفخذ هو أطول وأثقل وأقوى عظم في الجسم. يشكل عظم الفخذ والحوض مفصل الورك. في طرفه الآخر، يشكل عظم الفخذ، جنبًا إلى جنب مع عظم الساق والرضفة، مفصل الركبة.

المفاصل وحركة الهيكل العظمي

النقطة التي تلتقي فيها عظمتان أو أكثر تسمى المفصل (joint)، أو التمفصل. المفاصل مسؤولة عن الحركة، مثل حركة الأطراف، وعن الثبات، مثل الثبات الموجود في عظام الجمجمة.

هناك طريقتان لتصنيف المفاصل: بناءً على تركيبها أو بناءً على وظيفتها. يقسم التصنيف التركيبي المفاصل إلى مفاصل ليفية وغضروفية وزليلية اعتمادًا على المادة المكونة للمفصل ووجود أو عدم وجود تجويف في المفصل. ترتبط عظام المفاصل الليفية (fibrous joints) معًا بواسطة نسيج ضام ليفي. لا يوجد تجويف، أو مسافة، بين العظام، لذا فإن معظم المفاصل الليفية لا تتحرك على الإطلاق، أو تكون قادرة على حركات طفيفة فقط. تعد المفاصل بين عظام الجمجمة وبين الأسنان وعظم تجاويفها أمثلة على المفاصل الليفية (شكل 16.16أ).

المفاصل الغضروفية (cartilaginous joints) هي مفاصل تتصل فيها العظام بالغضاريف (شكل 16.16ب). يوجد مثال على ذلك في المفاصل بين الفقرات، ما يسمى بـ "أقراص" العمود الفقري. تسمح المفاصل الغضروفية بحركة قليلة جدًا.

المفاصل الزليلية (synovial joints) هي المفاصل الوحيدة التي تحتوي على مسافة بين العظام المتجاورة (شكل 16.16ج). تسمى هذه المسافة بالتجويف المفصلي وهي مملوءة بالسائل. يعمل السائل على تليين المفصل، مما يقلل الاحتكاك بين العظام ويسمح بحركة أكبر. تغطى أطراف العظام بالغضاريف ويحيط بالمفصل بأكمله كبسولة. المفاصل الزليلية قادرة على أكبر قدر من الحركة بين أنواع المفاصل. الركبتان والمرفقان والكتفان أمثلة على المفاصل الزليلية.

شكل 16.16 (أ) الدروز هي مفاصل ليفية توجد فقط في الجمجمة. (ب) المفاصل الغضروفية هي عظام متصلة بالغضاريف، كما هو الحال بين الفقرات. (ج) المفاصل الزليلية هي المفاصل الوحيدة التي تحتوي على مسافة أو "تجويف زليلي" في المفصل.

تنتج مجموعة واسعة من الحركات التي تسمح بها المفاصل الزليلية أنواعًا مختلفة من الحركات. تحدث الحركات الزاوية عندما تتغير الزاوية بين عظام المفصل. يحدث الثني، أو الانثناء، عندما تقل الزاوية بين العظام. يعتبر تحريك الساعد للأعلى عند المرفق مثالاً على الثني. التمديد هو عكس الثني حيث تزداد الزاوية بين عظام المفصل. الحركة الدورانية هي حركة العظم عندما يدور حول محوره الطولي الخاص به. حركة الرأس كما في قول "لا" هي مثال على الدوران.

العضلات

تسمح العضلات بالحركة مثل المشي، كما أنها تسهل العمليات الجسدية مثل التنفس والهضم. يحتوي الجسم على ثلاثة أنواع من الأنسجة العضلية: العضلات الهيكلية، والعضلات القلبية، والعضلات الملساء (شكل 16.17).

شكل 16.17 يحتوي الجسم على ثلاثة أنواع من الأنسجة العضلية: العضلات الهيكلية، والعضلات الملساء، والعضلات القلبية. لاحظ أن خلايا العضلات الهيكلية طويلة واسطوانية، ولها نوى متعددة، وتُدفع النوى الصغيرة والداكنة إلى محيط الخلية. خلايا العضلات الملساء قصيرة، ومدببة عند كل طرف، ولها نواة واحدة لكل منها. خلايا العضلات القلبية أيضًا اسطوانية، ولكنها قصيرة. قد يتفرع السيتوبلازم، ولها نواة واحدة أو نواتان في مركز الخلية. (المصدر: تعديل لعمل NCI, NIH؛ بيانات شريط القياس من مات راسل)

يشكل النسيج العضلي الهيكلي (skeletal muscle tissue) العضلات الهيكلية، التي تتصل بالعظام وأحيانًا بالجلد وتتحكم في الحركة وأي حركة أخرى يمكن التحكم فيها بوعي. ولأنه يمكن التحكم فيه عن قصد، يُطلق على العضلات الهيكلية أيضًا اسم العضلات الإرادية. عند فحصها تحت المجهر، يظهر النسيج العضلي الهيكلي بمظهر مخطط أو مُخطط. ينتج هذا المظهر عن ترتيب البروتينات داخل الخلية المسؤولة عن الانقباض. خلايا العضلات الهيكلية طويلة ومدببة ولها نوى متعددة على محيط كل خلية.

يوجد النسيج العضلي الأملس (smooth muscle tissue) في جدران الأعضاء المجوفة مثل الأمعاء والمعدة والمثانة البولية، وحول الممرات مثل الجهاز التنفسي والأوعية الدموية. لا يحتوي العضلات الملساء على تخطيط، ولا يخضع للتحكم الإرادي، ويسمى العضلات اللاإرادية. تحتوي خلايا العضلات الملساء على نواة واحدة.

يوجد النسيج العضلي القلبي (cardiac muscle tissue) فقط في القلب. تضخ انقباضات النسيج العضلي القلبي الدم في جميع أنحاء الجسم وتحافظ على ضغط الدم. مثل العضلات الهيكلية، العضلات القلبية مخططة، ولكن على عكس العضلات الهيكلية، لا يمكن التحكم في العضلات القلبية بوعي وتسمى العضلات اللاإرادية. تتصل خلايا النسيج العضلي القلبي ببعضها البعض من خلال الأقراص البينية وعادة ما تحتوي على نواة واحدة فقط لكل خلية.

تركيب ووظيفة الألياف العضلية الهيكلية

كل ليف عضلي هيكلي هو خلية عضلية هيكلية. داخل كل ليف عضلي توجد اللييفات العضلية (myofibrils)، وهي تراكيب أسطوانية طويلة تقع موازية لليف العضلي. تمتد اللييفات العضلية على طول الليف العضلي بأكمله. تتصل بالغشاء البلازمي، الذي يسمى غمد الليف العضلي (sarcolemma)، عند أطرافها، بحيث عندما تقصر اللييفات العضلية، تنقبض الخلية العضلية بأكملها (شكل 16.18).

شكل 16.18 يحيط بليف العضلة الهيكلية غشاء بلازمي يسمى غمد الليف العضلي، مع سيتوبلازم يسمى الساركوبلازم. يتكون الليف العضلي من العديد من اللييفات المعبأة في وحدات منظمة. يعطي الترتيب المنظم للبروتينات في كل وحدة، الموضح كخطوط حمراء وزرقاء، الخلية مظهرها المخطط.

المظهر المخطط للنسيج العضلي الهيكلي هو نتيجة لتكرار شرائط من بروتينات الأكتين والميوسين التي توجد على طول اللييفات العضلية.

تتكون اللييفات العضلية من تراكيب أصغر تسمى الخيوط العضلية (myofilaments). هناك نوعان رئيسيان من الخيوط العضلية: الخيوط السميكة والخيوط الرفيعة. تتكون الخيوط السميكة من بروتين الميوسين. المكون الأساسي للخيوط الرفيعة هو بروتين الأكتين.

تتناوب الخيوط السميكة والرفيعة مع بعضها البعض في تركيب يسمى القُسيم العضلي (sarcomere). القُسيم العضلي هو وحدة الانقباض في الخلية العضلية. يُحفز الانقباض بواسطة إشارة كيميائية كهربائية من خلية عصبية مرتبطة بالليف العضلي. لكي تنقبض الخلية العضلية، يجب أن يقصر القُسيم العضلي. ومع ذلك، فإن الخيوط السميكة والرفيعة لا تقصر. بدلاً من ذلك، تنزلق الواحدة فوق الأخرى، مما يتسبب في قصر القُسيم العضلي بينما تظل الخيوط بنفس الطول. يتم الانزلاق عندما يرتبط امتداد جزيئي للميوسين، يسمى رأس الميوسين، مؤقتًا بخيط الأكتين المجاور له، ومن خلال تغيير في الشكل، ينحني، ساحبًا الخيطين في اتجاهين متعاكسين. ثم يطلق رأس الميوسين خيط الأكتين، ويرتخي، ثم يكرر العملية، ساحبًا الخيطين أبعد على طول بعضهما البعض. يؤدي النشاط المشترك للعديد من مواقع الارتباط والحركات المتكررة داخل القُسيم العضلي إلى انقباضه. تؤدي الانقباضات المنسقة للعديد من القُسيمات العضلية في اللييف العضلي إلى انقباض الخلية العضلية بأكملها وفي النهاية العضلة نفسها. تتطلب حركة رأس الميوسين أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، الذي يوفر الطاقة للانقباض.