Сосуды забиты резиной
Тромбы, нередко забивающие артерии с летальным исходом, по своим механическим характеристикам не уступают резине – их можно смело растянуть в три раза без малейших признаков повреждения. Эта феноменальная способность обеспечивается эластичностью молекул фибрина.
Несмотря на кажущееся однообразное строение, белки обладают разнообразными свойствами – от сверхпрочных структурных молекул до быстрых и активных ферментов. Некоторые из этих способностей до сих пор не находят логического объяснения.
Например, фибрин, мгновенно формирующий прочную и эластичную трехмерную основу для сгустков крови и тромбов. Благодаря этому умению кровоток в поврежденных, но восстановленных сосудах не прекращается. К сожалению, это же позволяет тромбам оставаться в полости вен и артерий в течение многих лет, отрываясь в самый непредвиденный момент.
Джон Вайсел из Университета Пенсильвании и его коллеги сумели разобраться в секретах биомеханики фибрина:
когда сгусток многократно растягивается, отдельно расположенные волокна выстраиваются параллельно, сохраняя прочность и эластичность.
Фибрин нельзя назвать постоянным белком – он образуется в организме лишь в момент острой необходимости, а потом разрушается ферментными системами. Любое повреждение стенки сосуда, будь то разрез, разрыв или воспаление на месте атеросклеротической бляшки, активирует системы свертывания крови.
В результате многоступенчатой реакции, детализация которой заняла больше века, образуется трехмерная сеть: сначала от фибриногена, растворимой молекулы-предшественника, отщепляются стабилизирующие «хвосты». Потом клубки фибрина превращаются в нити, формируя сгусток (фибрин-агрегат, нестабилизированный фибрин). На третьей стадии фактор свертывания XIIIа сшивает отдельные нити между собой, окончательно стабилизируя тромб.
Те же самые превращения с человеческим фибрином авторам публикации в Science
пришлось совершить и в пробирке, прежде чем начать растягивать получившийся сгусток.
Упругие способности фибрин сохранял даже при трёхкратном удлинении.
При этом связи, удерживающие отдельные фибриллы вместе, сохраняются. То есть нити не скользят друг относительно друга, что могло бы объяснить это феноменальное удлинение.
Вайсел и коллеги предложили другую модель – они фиксировали образцы при натяжении, после чего получали электронные и атомные микроскопические изображения как поверхности сгустка, так и его среза. Оказалось, что при удлинении в 2,5 раза параметр ориентационного порядка, характеризующий упорядоченность расположения нитей, возрастает с 0,1 до 0,7.
Более того, при этом пространства между нитями фибрина сохраняются. Это позволяет ферментам проникать внутрь сгустка, разрушая его, как только дефект стенки сосуда восстановится.
При двукратном растяжении отдельные нити становятся ближе друг к другу и занимаемый ими относительный объем увеличивается с 5 до 24%.
Это сопровождается уменьшением размеров сгустка почти в 10 раз (см. видео), а волокна истончаются почти в три раза (диаметр уменьшается со 185 нм до 74 нм). В этом истончении ученым и удалось найти объяснение. Как выяснилось, молекула фибрина, представляющая из себя спираль, немного раскручивается, удлиняясь, но при этом сохраняя упругие свойства. Из всех структурных белков на подобное способен только эластин.
Дело в том, что любой белок изначально представляет из себя цепочку из аминокислот, которая сразу после синтеза упаковывается сначала во вторичную, а потом и третичную структуру. Сначала это спираль или «лист в складках», а потом – клубки.
Как выяснилось, параметры спирали могут меняться,
что справедливо вовсе не для всех белков: например, тот же коллаген, похожий на фибрин по химическому составу, тоже образует спираль, но она не растягивается. В результате всего лишь 50-процентное, максимум 70-процентное удлинение, что не идет ни в какое сравнение с 200–250-процентным удлинением фибринового сгустка.
Теперь ученые рассчитывают понять, что нарушается в патологических ситуациях – при тромбозе вен нижних конечностей или образовании сгустков на месте атеросклеротических бляшек. А вот члены исследовательской команды, специализирующиеся на биомеханике, наверняка планируют воспроизвести описанные процессы в новых полимерных материалах.
