Костная матрица с точностью до нанометра

Героиня Сандры Буллок на собственных костях ощутила все пагубные последствия отсутствия гравитации. Кадр из фильма «Гравитация». 2013

Космонавты прекрасно знают на собственном опыте, что невесомость пагубно сказывается на костях, поэтому им каждый день приходится крутить по два часа педали велотренажера, чтобы из костей не вымывался кальций. Последний входит во состав минеральной части костей в виде довольно сложного соединения – гидрооксиапатита, то есть фосфорного соединения щелочного металла с гидроксилом –ОН (по своему составу он похож на хрупкий мел).

Стенки трубчатых костей, например плечевой или бедренной, представлены под микроскопом остеонами, размер которых не превышает 100 микрон. Их пронизывают Гаверсовы каналы, и электронный микроскоп показал наличие в остеонах пучков микрофибрилл не более 5 микрон в диаметре. Они представлены коллагеновыми молекулами, составленными из трех белковых альфа-цепей (спиралей). Между этими спиралями идут минеральные «вставки» упомянутого гидрооксиапатита, представленного многочисленными остатками фосфорной кислоты, ионы кальция и группы –ОН.

Сотрудники Массачусетского технологического института представили картину этого коллаген-апатитового «интерфейса», чего на атомном уровне не видел еще никто. Интересно, что сочетание хрупкого апатита с коллагеном дает прочную и надежную кость, способную выдерживать в экстремальных состояниях необычайно большие механические нагрузки. Непременное условие наличия этих уникальных свойств у природного композита – то, как они сочетаются друг с другом, что и подтвердило исследование на атомном уровне (недаром ученые применили в ходе исследования микроскоп атомной силы – AFM).

Сложность состояла в том, чтобы построить 3D-картину кости во всей ее сложности. Необходимо было также точно определить местонахождение минерализатора в коллагеновой матрице, для чего потребовался суперкомпьютер.

Одним из объяснений свойств кости является ничтожность размеров «зерен» апатита, представленных плоскими пластиночками. В данном случае мы имеем дело с прекрасным примером природной нанотехнологии, встроенной в молекулярную матрицу коллагена. Весь комплекс удерживается электростатическими взаимодействиями двух соединений. Можно напомнить, что остатки фосфорной кислоты использованы и при построении длинных «скелетов» нуклеиновых кислот, прочность которых доказывается извлечением их палеообразцов из костных остатков давно ушедших организмов. С механической точки зрения прочность костной ткани определяется также скольжением структур двух соединений – минерального и биомолекулярного – относительно друг друга, что препятствует излому.

К сожалению, с возрастом хрупкость костей нарастает, что обусловлено накоплением нано- и микротрещин. Помимо этого в генах, кодирующих синтез коллагенов, случаются мутации, приводящие к заменам тех или иных аминокислот. Вот почему врачи сталкиваются со случаями раннего окостенения, приводящего к слишком раннему закрытию родничков черепа, и деминерализации костей, коллаген которых больше не удерживает молекулы апатита. Пока подобные молекулярные дефекты исправлению не подлежат, но есть и проблема перелома, например, шейки бедра, который вроде бы можно предупредить.

Ученых волнует возможно более глубокое понимание молекулярных основ костной механик и «сопротивления материалов». Врачи-остеопаты, конечно же, далеки от подобного рода теоретических глубин. Но похоже, что еще недавно казавшиеся «несовместимыми» проблемы начали постепенное сближение на благо всем.