Knorpelgewebe und Gelenkknorpel
Bau und Matrix der drei Knorpeltypen sowie Aufbau und Ernährung des gefäßfreien Gelenkknorpels.
Das Wichtigste in Kürze
- Knorpel ist ein gefäßfreies, druckelastisches Stütz- und Bindegewebe aus Chondrozyten und viel Extrazellulärmatrix, meist umhüllt vom Perichondrium.
- Hyaliner Knorpel ist die häufigste Knorpelart, Faserknorpel mit viel Kollagen Typ I die widerstandsfähigste, elastischer Knorpel bildet etwa die Ohrmuschel.
- Hyaluronan ist ein freies, nicht sulfatiertes Glykosaminoglykan, ein Polyanion mit hohem Wasserbindungsvermögen und Rückgrat der Proteoglykan-Aggregate.
- Die Druckelastizität entsteht, weil wasserbindende Proteoglykan-Aggregate quellen wollen und das Kollagennetz sie zusammenhält.
- Die Gelenkflächen echter Gelenke tragen hyalinen Knorpel ohne Perichondrium, dessen Chondrozyten hauptsächlich über die Synovia ernährt werden; Defekte heilen schlecht.
Worum es geht
Knorpel bildet die glatten Gleitflächen der Gelenke und gibt Ohr, Nase und Atemwegen ihre Form. Für die Pharmazie ist er wichtig, weil sein Bau erklärt, warum Gelenkschäden kaum heilen und warum Hyaluronsäure bei Arthrose eingesetzt wird.
Knorpel als Stützgewebe
Knorpel ist ein spezialisiertes Stütz- und Bindegewebe. Er ist fest, aber biegsam, und hält hohem Druck stand. Wie jedes Bindegewebe besteht er aus wenigen Zellen und sehr viel Extrazellulärmatrix.
Die Zellen heißen Chondrozyten. Sie liegen einzeln oder in kleinen Gruppen in Höhlen der Matrix, den Lakunen. Chondrozyten bilden die Matrix um sich herum und erhalten sie ein Leben lang.
Die meisten Knorpel sind außen von einer Bindegewebshülle umgeben. Sie ist für Wachstum und Ernährung wichtig.
Das Perichondrium (Knorpelhaut) ist eine Hülle aus straffem Bindegewebe um den Knorpel. Es führt Blutgefäße und enthält Vorläuferzellen, aus denen neue Chondrozyten hervorgehen.
Knorpeltypen
Die drei Knorpeltypen unterscheiden sich vor allem in der Zusammensetzung ihrer Extrazellulärmatrix. Entscheidend ist, welche Fasern in die Grundsubstanz eingelagert sind. Alle drei kommen beim erwachsenen Menschen vor.
| Typ | Fasern der Matrix | Eigenschaft | Vorkommen (Beispiele) |
|---|---|---|---|
| Hyaliner Knorpel | feine Kollagenfibrillen (Typ II), im Lichtmikroskop unsichtbar | glasig, druckelastisch, häufigste Art | Gelenkflächen, Rippenknorpel, Luftröhre, Kehlkopf, Nasenscheidewand |
| Elastischer Knorpel | zusätzlich dichtes Netz elastischer Fasern | biegsam, federt in die Form zurück | Ohrmuschel, Kehldeckel, äußerer Gehörgang |
| Faserknorpel | dicke Bündel aus Kollagen Typ I, wenig Grundsubstanz | zug- und druckfest, widerstandsfähigste Art | Zwischenwirbelscheiben, Schambeinfuge, Menisken |
Hyaliner Knorpel ist also die häufigste, aber nicht die widerstandsfähigste Art. Sein Name kommt vom griechischen Wort für Glas. Faserknorpel ist deutlich kollagenreicher und sitzt dort, wo Zug und Druck zugleich wirken. Er ähnelt straffem Bindegewebe und besitzt kein Perichondrium. Elastischer Knorpel lässt sich biegen und springt zurück, wie man an der eigenen Ohrmuschel spürt.
Knorpelmatrix
Die Grundsubstanz der Knorpelmatrix besteht vor allem aus Wasser, Proteoglykanen und Hyaluronan (Hyaluronsäure). Hyaluronan ist ein Glykosaminoglykan, also ein langes, unverzweigtes Polysaccharid. Es ist aus Disaccharid-Einheiten aus Glucuronsäure und N-Acetylglucosamin aufgebaut.
Anders als die übrigen Glykosaminoglykane ist Hyaluronan nicht sulfatiert und nicht kovalent an ein Kernprotein gebunden. Es liegt als freies Polysaccharid vor. Proteoglykane und Glykoproteine enthalten dagegen stets einen Proteinanteil.
Die Carboxylgruppen der Glucuronsäure sind bei physiologischem pH deprotoniert. Hyaluronan ist daher ein Polyanion. Es zieht Kationen und Wasser an und hat ein sehr hohes Wasserbindungsvermögen.
Im Knorpel dient Hyaluronan als Rückgrat großer Proteoglykan-Aggregate. An den Faden lagern sich viele Aggrecan-Moleküle an, gehalten von Link-Proteinen. Jedes Aggrecan trägt zahlreiche Chondroitinsulfat- und Keratansulfatketten. So entsteht ein Gebilde wie eine Flaschenbürste, eingespannt in ein Netz aus Kollagenfibrillen.
Aus diesem Zusammenspiel folgt die Druckelastizität des Knorpels. Die negativ geladenen Aggregate saugen Wasser an und wollen quellen. Das Kollagennetz begrenzt die Quellung und hält den Knorpel unter Spannung. Bei Druck weicht Wasser aus, bei Entlastung strömt es zurück.
Bau artikulierender Gelenke
Ein echtes Gelenk (Diarthrose) besitzt einen Gelenkspalt zwischen den Knochenenden. Die artikulierenden Flächen sind von Knorpel überzogen. Im Regelfall, etwa an allen Extremitätengelenken, ist das hyaliner Knorpel. Er ist glatt und federt Druckspitzen ab. Nur wenige Gelenke wie das Kiefergelenk tragen Faserknorpel.
Die Gelenkkapsel umschließt den Spalt. Ihre äußere Schicht, die Membrana fibrosa, besteht aus straffem Bindegewebe. Die innere Membrana synovialis bildet die Synovia. Diese klare, fadenziehende Gelenkflüssigkeit ist reich an Hyaluronan. Sie wirkt als Schmiermittel und senkt die Reibung zwischen den Knorpelflächen.
An der Gelenkfläche fehlt dem Knorpel das Perichondrium. Eine Knorpelhaut würde dort durch die ständige Reibung zerstört. Die Knorpeloberfläche grenzt daher direkt an den Gelenkspalt. Nur am Rand der Gelenkfläche geht der Knorpel in eine bindegewebige Hülle über.
Menisken und Gelenkscheiben in manchen Gelenken bestehen aus Faserknorpel. Die Gelenkflächen selbst tragen dagegen hyalinen Knorpel.
Ernährung des Knorpels
Ausdifferenzierter Knorpel des Erwachsenen ist gefäßfrei. Er besitzt kein eigenes Kapillarnetz. Die Chondrozyten erhalten Sauerstoff und Nährstoffe durch Diffusion durch die wasserreiche Matrix. Bei den meisten Knorpeln stammen diese Stoffe aus den Gefäßen des Perichondriums.
Dem Gelenkknorpel fehlt diese Quelle an der Gelenkfläche. Seine Chondrozyten werden daher hauptsächlich über die Synovia ernährt. Bewegung unterstützt den Austausch. Belastung presst Flüssigkeit aus der Matrix, Entlastung saugt frische Synovia an. Man kann sich das wie einen Schwamm vorstellen, der im Takt der Schritte ausgedrückt wird und sich wieder vollsaugt.
Die Gefäßfreiheit hat eine Kehrseite: Verletzungen des Gelenkknorpels heilen schlecht. Ohne Blutgefäße gelangen kaum Reparaturzellen in den Defekt. Ohne Perichondrium fehlen zudem Vorläuferzellen, und reife Chondrozyten teilen sich kaum noch. Größere Defekte füllen sich höchstens mit weniger belastbarem Faserknorpel.
Quiz
Aussage 1
Die Chondrozyten des Gelenkknorpels werden hauptsächlich über Kapillaren aus dem Perichondrium versorgt.
Gelenkknorpel ist gefäßfrei und besitzt an der Gelenkfläche kein Perichondrium. Seine Chondrozyten werden hauptsächlich durch Diffusion aus der Synovia ernährt.
Aussage 2
Hyaliner Knorpel ist die mechanisch widerstandsfähigste Knorpelart des Menschen.
Hyaliner Knorpel ist die häufigste Art. Am widerstandsfähigsten ist der kollagenreichere Faserknorpel.
Aussage 3
Die Ohrmuschel wird von elastischem Knorpel gestützt.
Elastischer Knorpel enthält ein dichtes Netz elastischer Fasern und findet sich in Ohrmuschel, Kehldeckel und äußerem Gehörgang.
Aussage 4
An der Gelenkfläche grenzt der hyaline Gelenkknorpel ohne Perichondrium direkt an den Gelenkspalt.
Eine Knorpelhaut würde dort durch Reibung zerstört. Nur am Rand der Gelenkfläche geht der Knorpel in eine bindegewebige Hülle über.
Aussage 5
Hyaluronan zählt zu den Proteoglykanen, weil es kovalent an ein Kernprotein gebunden ist.
Hyaluronan ist ein freies Glykosaminoglykan ohne kovalent gebundenes Protein. Es bildet aber mit Proteoglykanen wie Aggrecan große Aggregate.
Aussage 6
Wegen seiner deprotonierten Carboxylgruppen ist Hyaluronan ein Polyanion, das viel Wasser bindet.
Die Carboxylgruppen der Glucuronsäure tragen bei physiologischem pH eine negative Ladung, ziehen Kationen und Wasser an und erklären das hohe Wasserbindungsvermögen.
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