골(뼈)조직과 골격

김진국

식물세포는 세포벽이 있어 단단한 구조이다. 식물은 단단한 세포가 쌓여서 몸체를 구성하고 지지하도록 되어 있는 것이다. 그러나 동물 세포는 세포벽이 없으므로 압력에 따라 모양이 변하는 유연성이 있다. 그래서 하등동물 중 일부는 외골격(겉뼈대)을 가지고 있으며 척추동물은 유연한 세포만으로는 정형화된 몸체를 형성할 수 없어 속에 뼈대(골격)를 가지고 있으며(내골격, 속뼈대) 유연한 세포들이 뼈대에 부착되어 있다.
뼈는 탄산칼슘 등의 물질로만 뭉쳐진 덩어리가 아니다. 뼈 속에는 뼈세포가 있고 여기서 분비된 물질이 결합되어 단단한 뼈가 된다. 이 단단한 뼈 성분은 영원히 그대로 존재하는 것이 아니고 분해되고 재합성된다. 즉 신진대사가 일어난다. 이 신진대사는 뼈세포에 의해 일어나고 있으며 뼈세포의 활동을 위해 필요한 물질을 이동시키는 혈관이 뼈에 분포한다. 또 신경도 골수강과 골막에 존재한다.
인체는 단단한 뼈가 안쪽에 있어 전체 모양을 형성하고 이 뼈대에 부드러운 세포들이 모여 조직과 기관을 형성하여 부착된 구조를 하고 있다. 이렇게 인체를 구성하는 골격은 몸을 지지하고 보호하며 운동에 이용된다.
사람의 골격은 모두 206개의 뼈로 되어 있으며, 이를 중축골격(axial skeleton)과 부속지골격(appendicular skelecton)으로 나눈다. 중축골격은 두개골, 척추, 늑골(갈비뼈)과 흉골(가슴뼈)이 있으며, 부속지골격에는 팔뼈(상지)와 다리뼈(하지), 팔뼈와 다리뼈가 붙는 상지대(쇄골, 견갑골)와 하지대(관골, 臗骨, hip bone, 장골(ilium), 치골(pubis), 좌골(ischium)인 세 부분으로 이루어진 2개의 요골(coxal bone)가 있다.
뼈 구조의 단면을 보면 가장 안쪽 가운데 골수가 있고 그밖에 골질(해면뼈, 치밀뼈), 골막이 가장 바깥을 싸고 있다.

1. 골격의 기능

골격계의 주요 기능은 신경계, 소화계, 순환계, 호흡계, 근육계 등과 연관하여지지 기능, 보호 기능, 운동기능의 3가지 형태로 구분될 수 있으며 그 외에 조혈작용과 무기물 저장소의 역할이 있다.
척추는 인체의 몸통을 유지하는 주요한 지지 골격이다. 중추신경계(뇌)는 주로 중축골격 내부에 있다. 즉 뇌는 두개골에 의해, 척수(spinal cord)는 척추에 의해 보호되고 있다. 흉곽 내부에 있는 심장, 폐 등과 같은 기관들은 중추신경계와는 달리 수축 및 확장을 하므로 탄력성이 있는 보호가 필요하다. 따라서 흉곽을 이루는 골격은 바구니 형태로 되어 있어 그 안에 있는 기관들을 보호한다.
근육이 골격에 부착되어 지지, 보호 작용을 하게 되고 골격에 붙은 근육의 수축으로 뼈가 운동하게 된다. 골격의 골수에서 혈구를 생산하게 되는데 장골(long bone, 길고 원주 모양을 한 뼈), 늑골 및 흉골에서 가장 많이 생성한다.
모든 뼈는 광물질을 저장하고 있다. 뼈가 단단한 것은 광물질 성분이 많기 때문(무게의 2/3 이상 차지)이며 주성분으로는 칼슘, 인, 마그네슘의 무기 또는 유기염 그밖에 양은 적으나 중요한 것으로는 칼슘(K, potassium), 불소(F, fluorine), 나트륨(Na, sodium) 및 철 등이 있다. 특히 임신한 부인에서는 태아의 골격을 성장시킬 때 필요한 광물질(주로 칼슘과 인)이 음식물에서 부족할 때 전신의 뼈에서 이 성분이 빠져나와 태아에게 공급하게 된다.

2. 조직에 따른 뼈 종류

뼈조직은 구조의 치밀한 정도에 따라 치밀골(緻密骨, compact bone)와 해면골(海綿骨, sponge bone, cancellous bone)로 나눈다. 치밀골(compact bone)은 뼈속에 빈 공간이 없는 치밀한 구조로 되어 있으며 해면골(sponge bone, cancellous bone)의 조직은 골지주(骨支柱, trabecula)가 3차원적인 격자구조를 이루고 골지주 사이의 공간에는 골수가 차 있다. 치밀골과 해면골은 뚜렷한 경계가 없이 연결되어 있다. 치밀골 밖에는 골막이 싸고 있다.

3. 형태에 따른 뼈(골, 骨)의 분류

뼈는 형태에 따라 장골(long bone), 단골(short bone), 편평골(flat bone), 불규칙형골(irregular bone) 등으로 구분한다.
장골(long bone) : 길게 생기고 양 끝 또는 한쪽 끝에 관절부가 있는 뼈로서 femur(대퇴골), tibia(경골, 정강뼈), fibula(비골, 종아리뼈), ulna(상완골, 자뼈, 尺骨) 등이 있다.
단골(short bone) : 짧고 어느 정도 불규칙하게 생기고 전체적으로 해면골이고 얇은 치밀골로 싸여 있는 뼈로 carpal bones(수근골) 등이 있다.
편평골(flat bone) : 양면이 치밀골판으로 되어 있고 그 사이에 diploe(판간층)이라는 해면골판이 많은 뼈로 scapula(견강골, 어깨뼈), rib(늑골, 갈비뼈), sternum(흉골, 가슴뼈)등이 있다.
불규칙형골(irregular bone) : 단골과 거의 같은 구조를 갖는 뼈로 vertebral column(척추골) 등이 있다.

4. 골(骨, 뼈)의 조직학적 구조

뼈의 단면을 보면 밖에서 안쪽으로 periosteum(뼈막, 骨膜 골막), Sharpey fibers(샤아피섬유), outer circumferential lamellae(바같주위층판, 외주위층판), osteon(concentric lamellae, 하버스층판, 주위층판 周圍層板. 골단위층판), 하버스층판 주위에 있는 interstitial lamellae(간질층판, 사이질층판), inner circumferential lamellae(속주위층판, 내주위층판), endosteum(골내막, 骨內膜), trabeculae of spongy bone(해면골의 골지주), marrow cavity(골수강, 骨髓腔) 순으로 위치해 있으며 외측의 치밀질과 내측의 해면질로 되어 있다.
뼈의 전형적인 구조는 치밀질 부분에서 볼 수 있다.
뼈 구조를 치밀질 부분에서 보면 가느다란 혈관(중심관, Haversian canal)을 중심으로 하는 동심 원상 단면 구조를 가진 원주(圓柱)가 있는데 이것이 골(뼈)의 단위 구조이다. 이것을 해버스 골공동계(골원, Haversian system) 또는 오스테온(osteon, 골 단위)이라 한다.
해버스 골공동계(골원, Haversian system)의 직경은 일정하지 않으며, 해버스 골공동계(골원, Haversian system)의 중심에는 혈관이 지나는 중심관(Haversian canal)이 있다. 해버스 골공동계는 석회화된 골기질층판(lamellae)이 대부분을 차지하고 있는데 이를 골층판(lamella)이라 하며 4～20개의 골층판(lamella)이 동심 원상으로 배열되어 있다. 골기질층판(lamellae)을 이루는 골층판(lamella)은 3∼7 ㎛ 두께이다.
골층판(lamella) 내에 렌즈 모양의 공간이 있는데 이를 골소강(骨小腔, lacuna, osseous lacuna, 골소와 骨小窩, 뼈방)이라 하며 그 내부에는 골(뼈)세포(osteocyte)가 들어 있다.
해버스 골공동계의 중심관에 있는 혈관에서 뻗어 나와 골층판(lamella)을 관통하는 가는 관을 골세관(bone canaliculi)이라 하며, 골세관에 의해 골소강(lacuna)들은 서로 연결되며, 이러한 연결을 통해 골(뼈)세포에 물질순환이 일어난다.
그물 같은 골세관(bone canaliculi)사이를 채우고 있는 것이 골기질층판(골층판, lamella)이다. 골기질층판(lamellae)은 탄산칼슘, 인산칼슘 등 무기질의 칼슘염과 단백질(콜라겐)이 결합된 것이다.
이들 골세관(bone canaliculi)이나 골기질(골층판, lamella)은 골(뼈)세포(osteocyte)가 만들어 분비하는데, 세포 주위에는 이것들로 채워진다. 그러나 세포는 가늘고 긴 세포질의 돌기를 골세관(bone canaliculi)을 통해 뻗어 인접 세포와 연락한다.
골세포(osteocyt)의 돌기는 원칙적으로 해버스 골공동계 중앙의 혈관 쪽을 향해 나 있다. 이들 돌기에 의한 연락은 산소, 영양, 불필요한 물질의 수송로를 이루는데, 가장 바깥층의 골세포 돌기가 인접하는 해버스 골공동계에 소속하는 돌기와 연락하지 않고 해버스 골공동계마다 폐쇄적인 계열을 형성한다. 해버스 골공동계는 계속해서 다시 만들어진다. 추측건대 뼈에 걸리는 힘의 방향이나 성질의 미묘한 변화에 대응하여 다시 만들어지는 것이라고 볼 수 있다. 횡단면으로 이웃해 있는 해버스 골공동계의 틈새에 볼 수 있는 불규칙한 줄무늬는 이전에 그곳에 있었다가 지금은 파괴된 해버스 골공동계의 흔적이다.
골기질층판(골층판, lamellae)도 끊임없이 다시 만들어진다. 인이나 단백질 등도 신진대사가 일어나므로 골기질층판(lamellae)은 일정 기간이 지난 후에는 완전히 새로운 구성 성분으로 바뀌는 살아 있는 조직이다.
시멘트선(결합선, Cement line) : 골원의 바깥쪽 경계를 이루는 얇은 층이다.
간질층판(interstitial lamellae) : 골원(Haversian system) 사이사이에 나타나는 다양한 크기와 형태의 층판뼈 조각을 말한다.
바같주위층판(외주위층판, outer circumferential lamellae) : 골막에 인접한 몇 층의 뼈층판으로 뼈의 표면에 평행하게 배열되어 있다.
속주위층판(내주위층판, inner circumferential lamellae) : 골내막에 인접한 몇 층의 골층판(lamella)으로 뼈의 표면에 평행하게 배열되어 있다
해면골에서는 골지주(뼈기둥, trabecula)는 골층판(lamella)으로 되어 있지만, 그 내부에 혈관이 없으며 따라서 골원도 관찰할 수 없다. 해면골의 골세포는 골내막에 분포하는 혈관으로부터 골세관을 통해 확산된 영양분을 공급받는다.
혈관 분포 : 치밀골 내의 혈관은 그 주행 방향과 골층판(lamella)과의 관계를 기준으로 중심관(haversian canal, 하버스관)과 관통관(Volkmann's canal)이 있다.
중심관(haversian canal, 하버스관)은 골원의 중앙에 위치하며, 골원의 장축에 평행하게 주행하며 하나의 중심관 내에 1∼2개의 혈관이 들어 있다. 대개 모세혈관 또는 모세혈관 이후 소정맥이지만 드물게 소동맥이 들어 있는 경우도 있다.
관통관(Volkmann's canal, 볼크만관)은 중심관(하버스관)을 뼈의 표면이나 골수강(骨髓腔, medullary canal, pith cavity)으로, 또는 중심관(하버스관) 사이를 연결해 준다. 골수강 또는 골막에 분포하는 혈관들이 관통관(볼크만관)을 통해 중심관(하버스관)과 연결되어 있다.
골막(periosteum) : 뼈의 외면에는 결합조직의 골막(periosteum)이 있는데 이것은 이중으로 된 질긴 막이며 이곳에는 혈관, 신경 및 뼈를 생산하는 세포(골세포)가 풍부하게 있어서 뼈의 성장이나 신생은 이 막에서 시작된다.
골막이 없는 부위로는 긴 뼈의 관절면 부위, 힘줄이나 인대가 뼈에 부착되는 부위, 무릎뼈 등이다.
성장기의 골막의 속층(internal layer)에는 골모세포(osteoblast)가 위치해 있다.
성장 후기에는 골모세포가 비활성화 상태인 bone-lining cells로 변하여 골내막(endosteum)과 골막(periosteum)의 기질에 있다. 이 세포들은 결합조직의 섬유모세포와 유사한 형태를 띠며, 뼈가 손상되면 다시 골모세포의 형태로 변하여 골(뼈)조직의 재생에 기여한다. 골막(periosteum)의 바깥층(external layer)에는 세포의 밀도가 매우 낮은 결합조직으로 혈관이 풍부하게 분포되어 있다. 이 혈관들은 골막의 속 층을 뚫고 관통관을 통해 중심관(하버스관)과 연결되어 있다.
골막(periosteum) 바깥층의 굵은 아교 섬유다발(Sharpey's fiber)이 뼈조직의 외주위층판(outer circumferential lamella)을 뚫고 들어가 골막을 뼈에 단단히 부착시켜 준다. 골내막(endosteum)은 뼈 내의 모든 공간(골수강, 해면뼈 사이의 공간, 하버스관)을 덮는 얇은 조직으로, 골막(periosteum)과 같이 뼈 형성 능력을 갖고 있다. 골내막(endosteum)은 골막에 비해 훨씬 얇으며, 대개 한 층의 납작한 세포와 약간의 결합조직으로 이루어져 있다.
골수(bone marrow) : 수많은 해버스 골공동계들로 구성된 골질의 중앙부에는 해면뼈가 있고 그 안쪽에 원주 모양의 긴 공간인 골수강(骨髓腔, medullary canal)이 있고 그 속에는 골수(bone marrow)가 있는데 골수(bone marrow)는 혈관(blood vessel), 지방세포(adipocyte) 및 혈구(blood corpuscle)를 생산하는 세포들로 구성되어 있다. 그리고 골수강(骨髓腔, medullary canal) 벽의 내면은 골내막(endosteum)이라고 하는 막으로 덮여있다.
골기질(bone matrix) : 골기질(bone matrix)은 유기질과 무기질로 구성되어 있다.
유기질(organic matrix)은 아교 섬유, 무형질로 이루어져 있으며 뼈 무게의 35%를 차지한다.
아교질(collagen)은 뼈기질의 유기질 성분의 90%를 차지한다. 대부분이 I형 아교질(직경 50 ∼ 70㎚)이며 다른 연조직의 아교 섬유보다 아교질 분자 간의 교차 연결(crosslink)이 많은 것이 특징이다. 각각의 골층판(lamella) 내에서 아교 섬유는 하버스관을 중심으로 나선상으로 평행하게 배열되어 있고, 그 방향은 층판마다 다르다. 따라서 편광현미경으로 관찰하면 밝은 층판과 어두운 층판이 교대로 나타난다.
무형질(ground substance)은 glycosaminoglycans, chondroitin sulfate, keratan sulfate, hyaluronic acid 등으로 구성되어 있다.
기타 당단백질인 osteocalcin, osteopontin(bone sialoprotein) 등이 골기질에 함유되어 있다.
무기질(inorganic salts)은 뼈 무게의 65%를 차지하며, calcium phosphate는 길이 40㎚, 두께 1.5∼3㎚의 결정을 이루고 있으며, 이를 수산화인회석결정(hydroxyapatite crystal, Ca10[PO4][OH]2)이라고 한다. 그 외에 citrate ion, carbonate ion, fluoride, magnesium, sodium 등이 함유되어 있다.

5. 골(뼈)의 형성

태아가 임신 3개월이 지나면 뼈가 될 부위에 초자연골( hyaline cartilage, 유리질연골) 또는 섬유상 결합조직이 분화되어 생성되고 여기에 태아가 성장함에 따라 골세포(osteocyte)가 들어가 골조직으로 변화되는데 이를 골화(ossification)라 한다. 뼈 형성에는 이와 같이 섬유성골화(fibrous ossification)와 연골성골화(endochondrostosis)의 2 종류가 있다.
섬유성골화는 미분화한 세포가 골아세포(骨芽細胞, 조골세포 造骨細胞, 골모세포, osteoblast)가 되고, 골아세포(조골세포, osteoblast)사이에 칼슘염이 축적되어 골아세포(조골세포, osteoblast)는 골세포(osteocyte)가 된다. 골아세포(조골세포, osteoblast)는 분열 증식해서 칼슘염침착과 표면에 층을 형성하게 된다. 이 과정이 반복되어 뼈가 성장한다. 초기에는 골 전체가 해면 골질인데 골 사이에 광물질이 동심원형의 층판을 형성해 치밀골(compact bone)이 된다.
연골성 골화는 태아기에 골간의 중앙부에서 시작하여 양 골단으로 골화가 진전되며 골단에서는 골화로 얇은 층을 이루는 골단연골(epiphyseal cartilage)이 남게 된다.
이 연골은 계속 분열하면서 골화가 진행되는데 그 결과로 뼈가 점점 길어지게 되는 뼈의 길이 성장이 일어난다.
또 뼈가 생장할 때 뼈의 중심부에서 연골이 파괴되면서 골모세포(osteoblast, 골아세포, 조골세포)에 의하여 골조직으로 대치되는 한편 뼈의 표면에서는 골막과 뼈 표면 사이에서 골모세포(골아세포 骨芽細胞, 조골세포 造骨細胞, osteoblast)가 증식하여 골기질을 만들고 여기에 칼슘(calcium) 또는 인(燐 ; phosphate) 등의 무기질(無機質, mineral)이 침착(沈着)되는 석회화(石灰化, calcification)가 일어나 뼈가 굳어지고 굳은 뼈의 얇은 층이 여러 겹으로 쌓이게 되므로 뼈는 굵게 자란다.
이렇게 형성된 뼈(제1차 화골, primary ossification)는 성인 뼈로 되는데 오래되고 불필요한 뼈는 파골세포( 破骨細胞, osteoclast)가 분해효소로 분해, 흡수하여 혈액으로 분비한다. 골수강(骨髓腔, bone-marrow cavity)도 파골세포( 破骨細胞, osteoclast)의 작용으로 골수강(骨髓腔, bone-marrow cavity)이 넓혀지고 그 안에 골수(marrow)가 채워진다. 골질에도 이 세포의 침식으로 군데군데 구멍이 뚫리는데, 여기에 다시 골기질층판(lamellae)이 분해되고 광물질이 많이 침착하여 더욱 치밀하고 견고한 기질로 전환되며, 가운데에 하버스관(harvesian)을 만든다. 이 관내에는 혈관(blood vessel)과 림프관(lymph duct)을 생성하고, 골모세포(조골세포, 골아세포, osteoblast)는 골세포로 변하여 오랫동안 뼈의 유지를 맡게 된다.

6. 성장판(成長板, 골단판, 骨端板, growth plate)

성장판(成長板, growth plate)은 긴 뼈의 양쪽 끝에 있는 투명하고 물렁한 연골판이며 새로운 뼈의 성장이 일어나는 부분이다. 성장판(成長板, growth plate)은 어린이와 청소년들에게만 있고 청소년기가 지나면 성장판이 닫히는데 성장판이 골단선(骨端線, 뼈끝선, epiphysial line)으로 변화되는 것이다.
성장판(成長板, growth plate)이 닫히는 과정은 남녀의 사춘기에 에스트로겐 호르몬이 증가되면 성장판에 있는 연골세포의 세포자살 작용이 증가되어 연골세포수가 감소된다. 연골세포수의 감소는 골화(ossification, 연골 골아세포 또는 섬유성 결합조직이 생성되고 이들 골아세포 사이에 칼슘염이 축적되어 골세포를 형성) 속도 감소로 이어져 뼈의 성장이 느려지게 되고 마침내 연골세포가 없어지면 성장이 멈춘다.
개인차가 있어 다양하지만 여자는 약 15세, 남자는 약 17세가 되면 모든 성장판(成長板, growth plate)이 닫힌다고 한다.

* 생장 호르몬(growth hormone)의 뼈 생장 작용

뇌하수체 전엽에서 분비되는 생장 호르몬(growth hormone)은 뼈의 생장, 지방분해, 단백질 합성을 촉진한다.
생장 호르몬(growth hormone)은 성장판의 분열 가능한 연골세포의 증식을 촉진한다. 뼈의 생장은 연골이 증식하면서 길이가 늘어나고 기존의 연골은 골화 되어 경골로 되는 것이다.
그러나 생장 호르몬(growth hormone)은 긴 뼈의 성장판이 닫히면 분열 가능한 연골 세포가 없으므로 긴 뼈의 생장을 일으키지 못하며 사춘기 이후에 과다 분비되면 말단 비대증을 유발한다.

뼈 조직과 골격.hwp

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