Question

Матрикс костной ткани позвоночных обычно состоит из белков коллагенового типа и неорганических соединений кальция . Какие альтернативные биополимеры могли бы быть использованы для построения скелета позвоночных животных. Какие преимущества и недостатки характерны для существующего типа костной ткани, а какие для предложенного вами?

Answer 1

Первый претендент на альтернативный строительный материал скелета позвоночного — кремний, а именно — соединения кремния с кислородом и различными органическими структурами. (На Земле кремний входит в состав диатомовых водорослей, радиолярий, губок.)
В качестве замены кальция могут выступать его соседи по группе в Периодической системе — двухвалентные барий и стронций. (Например, скелет простейших морских организмов — акантарий состоит из сульфата стронция SrSO4, после гибели простейшего скелет полностью растворяется в морской воде. В талломе харовых водорослей содержится барит BaSO4.)
Катионы бария и стронция значительно крупнее и тяжелее, чем кальция, и их участие в обмене веществ энергетически более затратное, поэтому эволюционно на роль строительного материала матрикса подошел кальций. К тому же кальций более распространен в природе.
Что касается альтернативного «белка», то в первую очередь — это «белок» кремнийорганический, основа которого - линейные и разветвленные цепочки -Si-O- (силоксановые цепочки), соединенные с различными функциональными группами, содержащими, например, серу, азот и др.
Кремниевый матрикс был бы очень прочным, но он целесообразен, если окружающая среда имеет очень высокую кислотность и температуру. Такие условия способствовали бы деминерализации углеродно-кальциевого матрикса современных позвоночных, то есть он не смог бы эволюционно сформироваться. Но средняя температура на Земле невелика, а океаническая вода, преимущественно — слабощелочная. Гены, отвечающие за построение кремниевого матрикса, у высших организмов отсутствуют.

Answer 2

В дополнение к матриксу костной ткани, таким как коллаген и кальций, могут быть использованы различные альтернативные биополимеры для построения скелета позвоночных животных.

Один из потенциальных альтернативных биополимеров - это гиалуроновая кислота, которая является нежелатинированным полисахаридом. Она обладает высокой вязкостью и уникальной способностью удерживать воду, что способствует улучшению прочности и эластичности костей.

Еще одним альтернативным биополимером является поли-л-молочная кислота (PLLA). PLLA - биоразлагаемый полимер, хорошо переносимый организмом и широко используемый в медицинской практике. Он обеспечивает отличную механическую прочность и хорошую биосовместимость, что делает его привлекательным для использования в качестве материала для построения скелета позвоночных животных.

При сравнении существующей костной ткани с альтернативными биополимерами, можно выделить следующие преимущества и недостатки:

Преимущества существующей костной ткани: 1. Высокая прочность и жесткость. 2. Устойчивость к деформации и износу. 3. Высокая степень биосовместимости с организмом. 4. Способность к регенерации и заживлению ран.

Недостатки существующей костной ткани: 1. Ограниченные возможности в модификации и манипуляции с матриксом. 2. Невозможность контролировать скорость регенерации и форму костного образования. 3. Риски передачи инфекций.

Преимущества альтернативных биополимеров: 1. Более легкая формируемость и манипуляция с матриксом. 2. Возможность настройки механических свойств и физических характеристик. 3. Повышенная скорость регенерации костной ткани. 4. Возможность использования в технологии биопечати для создания точной формы.

Недостатки альтернативных биополимеров: 1. Некоторые полимеры могут не быть достаточно прочными и жесткими. 2. Необходимость дальнейших исследований и клинических испытаний для оценки их безопасности и эффективности. 3. Возможность возникновения непредвиденных реакций организма на новые материалы.

В результате, использование альтернативных биополимеров для построения скелета позвоночных животных может предоставить новые возможности в области терапии и инженерии тканей. Однако, необходимо провести дальнейшие исследования и клинические испытания для подтверждения их эффективности и безопасности перед практическим применением.