Что почитать: «Кости: внутри и снаружи» Роя Милза

УНИКАЛЬНЫЙ СОСТАВ КОСТИ И ЕЕ СТРУКТУРА

Выдающийся греческий врач и философ Гален писал, что кость, судя по ее бледному цвету, сделана из семенной жидкости. Почти тысячу лет спустя Авиценна, персидский астроном, врач и автор множества научных трудов, пришел к выводу, что кость сотворена из земли, ведь она холодная и сухая. С тех времен миновала еще тысяча лет, и теперь в обществе преобладает иное мнение. Однако Авиценна заметил: чтобы понять скелет, лучше всего отделить его от остального тела. Именно так мы сейчас и поступаем.

Чтобы поближе познакомиться с костью, разложим ее вплоть до химических составляющих. Когда пять атомов углерода соединяются с двумя атомами кислорода, одним атомом азота и несколькими атомами водорода, образуется аминокислота пролин. Аминокислоты — незаменимые кирпичики жизни. Пролин синтезируется в организме человека, а также выделяется при расщеплении пищи

в процессе ее переваривания. Из богатой пролином смеси аминокислот особые клетки собирают цепочки молекул коллагена — самого распространенного белка нашего организма. Сначала нить коллагена напоминает микроскопическую мягкую макаронину. Затем к молекулам пролина присоединяются дополнительные атомы водорода и кислорода. Из-за этого цепочка приобретает множественные резкие изгибы, и теперь «спагетти» выглядит как крохотная спиралька. Три такие молекулы группируются в одну молекулу коллагена. Даже на этом субмикроскопическом уровне молекула получается стабильная и прочная, поскольку гребни одной цепочки отлично подходят к впадинкам на других.

Синтезом молекул коллагена занимаются несколько видов клеток, в том числе остеобласты — клетки, которые образуют кость (название происходит от греческих слов «кость» и «росток»). Остеобласт выталкивает готовую молекулу коллагена — это чудо химии и механики — за пределы своей мембраны в узкое межклеточное пространство. Там молекулы коллагена соединяются друг с другом своими концами, а также по всей длине, образуя из множества нитей единое волокно. Молекулы коллагена такие тонкие, что, если каждую секунду класть их одна на другую, потребуется семнадцать часов, чтобы сделать стопку толщиной с эту страницу. И хотя в длину они гораздо больше, придется состыковать целых триста тысяч молекул коллагена, чтобы пересечь пространство внутри этой буквы «о».

Коллагеновые волокна сцеплены между собой и механическими (гребень — впадинка), и химическими связями (как липкие макароны). Чтобы оценить их прочность, представьте три ряда из кубиков лего, соединенных и склеенных суперклеем. Не пытайтесь их разорвать: эти аминокислотные цепочки прочнее, чем стальные нити такой же толщины.

Пока что это вся химия, которая нам нужна. Попробуем найти связь между английскими моряками, кожей для обуви, мебельным клеем и сладким желе. Помните водородно-кислородные добавки к молекулам пролина? Катализатором их присоединения выступает витамин C. Эти добавки необходимы для скручивания молекул в плотную спираль, вот почему дефицит витамина C ведет к нарушению выработки коллагена и вызывает цингу — болезнь, при которой кровоточат десны и возникают многочисленные кровоизлияния в органах и тканях. Раньше моряки месяцами находились в море, в их рационе почти не было свежих овощей и фруктов. Чтобы улучшить вкус тухлой питьевой воды, английские моряки начали добавлять в нее сок цитрусовых. В результате выработка коллагена возвращалась в норму — так, благодаря счастливой случайности, обнаружилось, что не только одно яблоко в день прогоняет докторов, но и один лайм не подпускает цингу.

Обувная кожа — еще одно воплощение коллагена. В процессе дубления кожи в чаны добавляют специальные химические вещества, которые повышают число связей между коллагеновыми волокнами коровьих шкур, поэтому кожа приобретает прочность. Что же касается шариков для пейнтбола, капсул с лекарствами, мебельного клея, желатиновых десертов и жевательных мишек, здесь другая история: все это делается из частично разрушенных волокон коллагена, которые получают путем вываривания побочных продуктов производства мяса и кожи. Существует даже поговорка «Отправить лошадь на клеевую фабрику» — так говорят о стареющих животных, поэтому лучше не читайте про производство желатина перед тем, как съесть кусочек зефира.

Коллаген устойчив к растяжению. Этот белок составляет основу сухожилий (они преобразуют мышечные сокращения в движения суставов) и связок (они удерживают суставы в правильном положении). Представьте, что вы встали на цыпочки. Если бы ахилловы сухожилия были чрезмерно эластичными, при сокращении икроножных мышц они растягивались бы как резинка, и пятки оставались бы на земле. Это плохо — вы не смогли бы прыгать. Или представьте, что вы подпираете рукой щеку и начинаете отгибать назад кончики пальцев. Если бы не прочные связки, ногти в конце концов коснулись бы тыльной стороны ладони — не самое приятное зрелище. Бывает, что связки очень растяжимы от природы. Такие «гуттаперчевые» люди, или «люди-змеи», иногда любят хвастаться своими способностями, вызывая у окружающих недоумение.

Кажется, что такое описание коллагена не имеет отношения к делу, ведь он прочный и не растягивается, да и кость, как мы знаем, тоже твердая. Кость сопротивляется сжатию (выражаясь научным языком), поскольку содержит кристаллы кальция, однако эти кристаллы находятся — как вы уже догадались — в сети коллагена. Конструкция напоминает покрытый штукатуркой деревянный каркас стены.

Чтобы в этом убедиться, купите упаковку куриных голеней. С пары куриных ножек снимите мясо, а кости положите на несколько недель в уксус. Мясо приготовьте на ужин, а кости, оставшиеся после трапезы, отправьте на два часа в духовку, разогретую до 120 ̊С. Кости, замоченные в уксусе, станут гибкими, как резина, поскольку уксус растворяет кальций. Кости из духовки окажутся хрупкими и ломкими, как мел, потому что высокая температура разрушает коллагеновые волокна.

В книгах по химии написано, что существуют разные виды кристаллов кальция: хлорид кальция (противогололедное средство), цитрат кальция (умягчитель воды и пищевая добавка), карбонат кальция (таблетки от изжоги, мел, кораллы, яичная скорлупа), сульфат кальция (гипс и алебастр) и гидроксид кальция (гашеная известь). Если при соответствующих условиях добавить к гидроксиду кальция фосфорное соединение, получится гидроксиапатит. Возможно, это новое для вас слово. Оно никак не связано ни с гидрой, ни с аппетитом (даже в случае зефира и других желатиновых вкусностей). Гидроксиапатит — это основной кальциевый кристалл костей. Если произнести это слово на вечеринке, можно показаться слегка ненормальным, однако именно благодаря гидроксиапатиту мы способны ходить на двух ногах, так что давайте поговорим об этом минерале.

В 1780-х годах один немецкий минералог выделил кристаллы апатита в отдельный вид — прежде их путали с другими минералами или каждый раз признавали новым видом. За такую обманчивую природу он и дал им название: немецкое apatit происходит от греческого «обман». Это вещество существует в различных формах, а его соединение с ионом воды дает гидроксиапатит.

Полезно знать, особенно если вы следите за своим весом, что кости составляют около пятнадцати процентов массы нашего тела. Примерно треть этого приходится на коллаген, а две трети — на соединения кальция и фосфора. Таким образом, у человека, вес которого составляет восемьдесят килограммов, двенадцать килограммов костей, из них четыре килограмма коллагена и восемь килограммов гидроксиапатита — хватит, чтобы набить чемодан на колесиках (эта информация просто дает представление о костной массе человека, так что не пытайтесь проскользнуть с такой тележкой мимо охраны в аэропорту).

Представьте, что остеобласты плавают в форме для выпечки, наполненной питательным бульоном из воды и кислорода. Следуя своей генетической программе, они будут производить и выделять молекулы коллагена и гидроксиапатита, и — вуаля — кристаллы кальция отложатся в коллагеновой сети: так получается кость. В сущности, остеобласты замуровывают себя в костном коконе и превращаются в остеоциты — зрелые клетки костной ткани, которые поддерживают структуру кости, но не слишком активно участвуют в ее дальнейшем строительстве и разрушении. На усердие остеобластов влияют различные сигнальные молекулы (посредники), в основном гормоны гипофиза, щитовидной железы, половых желез (семенников и яичников). Близлежащие клетки тоже вырабатывают сигнальные молекулы, состоящие из аминокислотных цепочек. Эти вещества называют факторами роста: они могут подстегнуть остеобласты, чтобы те начали ускоренно наращивать кость, и при необходимости даже превращают некоторые другие виды клеток в клетки, формирующие костную ткань.

Когда остеобласты сделали свое дело и окружили себя коконами укрепленного коллагеном гидроксиапатита, питательный бульон в форме для выпечки становится очень твердым. По плотности и прочности он почти такой же, как кирпич-сырец. Но разве можно представить, как наши предки удирают от львов, имея кирпичные кости? А если бы у преследователей кости тоже были из схожего материала? Это была бы скучная погоня, как в замедленном кино. Конечно, эволюция выглядела совсем не так. Чтобы понять, как все происходило на самом деле, надо познакомиться с некоторыми принципами механики. Они объясняют, почему большинство плоских костей (например, череп и грудина) состоят из двух слоев компактной костной ткани, между которыми, как в сэндвиче, расположена губчатая сердцевина, а также почему длинные кости рук и ног цилиндрические, как трубки велосипедной рамы.