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.
Кроме последовательности аминокислот полипептида (первичной структуры), крайне важна трёхмерная структура белка, которая формируется в процессе сворачивания (фолдинга). Трёхмерная структура формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Выделяют четыре уровня структуры белка:
Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — сочетания аминокислот, важных для функции белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним можно предсказать функцию неизвестного белка.
Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями и гидрофобными взаимодействиями. Пример вторичной структуры — α-спирали (плотные витки вокруг длинной оси молекулы) и β-листы (складчатые слои).
Третичная структура --пространственное строение полипептидной цепи — взаимное расположение элементов вторичной структуры, стабилизированное взаимодействием между боковыми цепями аминокислотных остатков. В стабилизации третичной структуры принимают участие ковалентные связи (между двумя цистеинами — дисульфидные мостики); ионные (электростатические) взаимодействия (между противоположно заряженными аминокислотными остатками); водородные связи и гидрофобные взаимодействия.
Для некоторых белков характерна и четверичная структура — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса.
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.
сгусток крови, образованный застрявшими в сетях фибрина форменными элементами крови. Может стать причиной сбоя работы кровеносной системы путём закупорки какого-либо сосуда при тромбофлебите.
В зависимости от строения и внешнего вида, различают белый, красный, смешанный (слоистый) и гиалиновый тромбы. Белые тромбы состоят из тромбоцитов, фибрина и лейкоцитов образуются медленно при быстром токе крови (чаще в артериях). Красные тромбы, помимо тромбоцитов и фибрина, содержат большое число эритроцитов, образуются быстро при медленном токе крови (обычно в венах). Смешанныетромбы (встречаются чаще всего), имеют слоистое строение (слоистый тромб) и пестрый вид, содержатся элементы как белого, так и красного тромба. В смешанном тромбе различают головку (имеет строение белого тромба) , тело (собственно смешанный тромб) и хвост (имеет строение красного тромба). Головка прикреплена к эндотелиальной выстилке сосуда, что отличает тромб от посмертного сгустка крови. Слоистые тромбы образуются чаще в венах, в полости аневризмы аорты и сердца. Гиалиновые тромбы - редко содержат фибрин, состоят из разрушенных эритроцитов, тромбоцитов и преципитирующих белков плазмы; при этом тромботические массы напоминают гиалин. Такие тромбы встречаются в сосудах микроциркуляторного русла.
Жизненный цикл тромба
Образование тромба (варикоз).Причинами образования тромбов могут быть заболевания:варикозное расширение вен ног,хроническая венозная недостаточность.
Изменения тромба.Увеличение размеров тромба происходит путем наслоения тромботических масс на первичный тромб, причем рост тромба может происходить как по току, так и против тока крови.
Отрыв тромба от стенки сосуда.Чтобы предотвратить возможное развитие тромба, необходимо следить за здоровьем и своевременно лечить заболевания, приводящие к образованию тромбов.Лечением этих заболеваний занимаются флебологи.
Закупорка тромбом кровеносных сосудов
Рассасывание тромба
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%.
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.
