Живые организмы развились из сравнительно простых молекулярных структур

Наука и жизньНаука

Принцип экономии в живых системах: посмотрим на метаболиты

Кандидат химических наук Антон Миндубаев, Казанский национальный исследовательский технологический университет

Когда заходит речь о живых системах, акцент, как правило, делается на сложности их организации. Всегда подспудно возникает вопрос, как сложный ансамбль молекул может так слаженно работать? Но вспомним: живые организмы развились в процессе эволюции из сравнительно простых молекулярных структур, которыми на заре появления жизни изобиловал первичный океан нашей планеты. Да и сегодня всё многообразие биомолекул возникает из очень ограниченного набора веществ, так называемых первичных метаболитов, находящихся на пересечении метаболических путей — последовательностей химических превращений.

В числе таких первичных метаболитов — серин и тирозин, аминокислоты из числа тех, что выполняют ключевую роль в жизнедеятельности. Невозможно в небольшой статье перечислить все функции, которые несут в биосфере эти две молекулы со сравнительно простой структурой, поэтому приведём лишь несколько примеров их роли в биохимических процессах живых организмов.

Название аминокислоты серин происходит от латинского слова serum — сыворотка. Серином очень богаты белки фиброин и серицин, из которых состоит натуральный шёлк. Именно из натурального шёлка и была впервые выделена эта аминокислота. Натуральный шёлк получают из коконов тутового шелкопряда (Bombyx mori) — бабочки, одомашненной в Китае несколько тысячелетий назад. Белки шёлка формируют протяжённую складчатую двумерную структуру — β-складчатый лист, в котором водородные связи образуются между соседними полипептидными цепями. Подобная структура характерна не только для фиброина, но и для других фибриллярных белков, то есть белков, полипептидные цепи которых образуют длинные волокна (фибриллы) или слои. Несмотря на то, что отдельно взятая водородная связь не отличается прочностью, благодаря огромному количеству и правильному чередованию таких связей достигается очень крепкое сшивание цепей. Что, в свою очередь, делает шёлковую нить феноменально прочной на разрыв — более прочной, чем стальная проволока такого же диаметра. При этом она очень эластична.

Ключ к большинству свойств и биологических функций этой аминокислоты — боковой радикал, содержащий полярную гидроксильную группу. Приведена структурная формула L-изомера.

Из коконов близкого тутовому шелкопряду вида бабочек павлиноглазки дубовой китайской (Antheraea pernyi) производят «дикий» шёлк туссар, или чесучу, идущий на обивку дорогой мебели. Окрашенный в желтоватый цвет шёлк павлиноглазки айлантового шелкопряда (Samia cynthia) используют в производстве более грубых и недорогих тканей.

Первичная структура белка натурального шёлка фиброин состоит из повторяющейся аминокислотной последовательности (Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala). Эти повторяющиеся аминокислотные последовательности образуют антипараллельные β-складчатые листы, соединённые водородными связями (отмечены на рисунке жёлтыми овалами). Благодаря такой структуре нити натурального шёлка обладают высокой прочностью. Рисунок из статьи: Cheng Y., Koh L.-D., Li D., Ji B., Han M.-Y., Zhang Y.-W. 2014. On the strength of β-sheet crystallites of Bombyx mori silk fibroin. J. R. S oc. Interface 11: 20140305.

Но серин входит в состав не только белков шёлка. Скелет знаменитой Корзинки Венеры (Euplectella aspergillum) — представительницы стеклянных губок, обитающей в Тихом океане у побережья Юго-Восточной Азии, также включает эту аминокислоту. Ажурная конструкция скелета состоит из двуокиси кремния (вот почему губку называют «стеклянной») и достигает метра в длину, имеет семь структурных уровней и высокую прочность. А построение скелета начинается с активного транспорта в клетки губки из морской воды ортокремниевой кислоты Si(OH)4, образующей сложные эфиры с гидроксильными группами серина, которыми очень богат специфический белок губок — силикатеин. Именно этот белок — затравка для формирования спикул: иголок из кремнезёма, которые образуют скелет губки. В последние годы силикатеины губок стали интересовать химиков и биотехнологов в качестве эффективных катализаторов для синтеза кремнийорганических полимеров, а также производства оптических волокон.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
Как правильно вмешаться в ссору близких и нужно ли вообще это делать? Как правильно вмешаться в ссору близких и нужно ли вообще это делать?

Если два близких тебе человека поссорились, лучше всего как можно быстрее бежать

VOICE
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

Ольга Сильченко: галактиками я занимаюсь всю жизнь, начиная с третьего курса

Наука и жизнь
Замена Мари Кондо: как работает парижская система уборки Мари Керу, созданная для семей с детьми Замена Мари Кондо: как работает парижская система уборки Мари Керу, созданная для семей с детьми

Концепция «экологии интерьера» от француженки Мари Керу

VOICE
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

Как раз в декабре у степных животных начинается важнейший этап в их жизни — гон

Наука и жизнь
Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton

На что рассчитывает французский модный дом, принимая Фаррелла Уильямса

Forbes
Эверест как профессия Эверест как профессия

Высоко над нашими головами скрывается самая труднодоступная страна на планете

Вокруг света
Этот рок-певец пытался нанять киллера, чтобы убить свою жену! Узнайте, получилось ли Этот рок-певец пытался нанять киллера, чтобы убить свою жену! Узнайте, получилось ли

Что может произойти, если не избавляться от пугающих мыслей?

ТехИнсайдер
Рейтинг брендов Рейтинг брендов

Новые марки, которые стали заметны на рынке за год

Forbes
Окситоцин: панацея от всех бед Окситоцин: панацея от всех бед

Действительно ли окситоцин всемогущ?

ТехИнсайдер
Год без лета Год без лета

Извержение вулкана Тамбора в 1815 году стало самым мощным в истории человечества

Вокруг света
Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче

Сокращение рабочего времени на 20% в неделю привело к отличным результатам

Inc.
«Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем «Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем

Уже в заключении Косарев написал исповедь

VOICE
Проект «Тукдам»: как изучают тибетских монахов, тела которых остаются нетленными после смерти Проект «Тукдам»: как изучают тибетских монахов, тела которых остаются нетленными после смерти

Тела некоторых тибетских монахов остаются «нетленными» после смерти

ТехИнсайдер
Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах

Основатели компании Lucky Group — что делать, чтобы ваш ресторан был успешным

РБК
Живые мертвецы: может ли человек на самом деле заразиться зомбирующим грибком, как в сериале The Last of Us Живые мертвецы: может ли человек на самом деле заразиться зомбирующим грибком, как в сериале The Last of Us

Может ли паразитический грибок стать угрозой человечеству?

ТехИнсайдер
Почему нельзя пропускать завтрак и еще 7 важных вопросов о еде по утрам Почему нельзя пропускать завтрак и еще 7 важных вопросов о еде по утрам

Что нужно есть на завтрак?

Правила жизни
10 признаков, что у ваших отношений нет будущего 10 признаков, что у ваших отношений нет будущего

Как понять, что у ваших отношений нет будущего?

Psychologies
Не навреди. Как развивается робототехника в России Не навреди. Как развивается робототехника в России

Генеральный директор «Корпорации роботов» — о проблемах инжиниринга в России

СНОБ
Врать будете? Врать будете?

Автор VOICE неделю говорила правду – и даже почти не устала

VOICE
5 книг об устройстве Вселенной 5 книг об устройстве Вселенной

Книги о достижениях науки, астрофизики и сотворении Вселенной

СНОБ
Такого вы не ожидали! 10 неожиданных примений наждачной бумаги в быту Такого вы не ожидали! 10 неожиданных примений наждачной бумаги в быту

Наждачная бумага создана не только для шлифовки различных поверхностей

ТехИнсайдер
Что будет, если целый год вообще не покупать новую одежду: эксперимент стилиста Что будет, если целый год вообще не покупать новую одежду: эксперимент стилиста

Можно ли не покупать новую одежду?

VOICE
Что такое шибари и стоит ли в это ввязываться Что такое шибари и стоит ли в это ввязываться

Что нужно знать, прежде чем браться за веревки?

Maxim
Нобелевка по-русски: как в России появилась первая частная премия для ученых Нобелевка по-русски: как в России появилась первая частная премия для ученых

Заслуга в учреждении премии для ученых принадлежит представителю семьи Демидовых

Вокруг света
Ах, какая женщина: как менялся образ Памелы Андерсон Ах, какая женщина: как менялся образ Памелы Андерсон

Памела Андерсон всегда привлекала внимание и умела им распорядиться

Правила жизни
«Полимат» «Полимат»

История универсальных людей от Леонардо да Винчи до Сьюзен Сонтаг

N+1
Посмотрите на древнеримский фаллос — ему 2 тысячи лет! Ученые сомневаются в его предназначении Посмотрите на древнеримский фаллос — ему 2 тысячи лет! Ученые сомневаются в его предназначении

Исследователи вновь решились изучить находку 1992 года. Вот что они выяснили

ТехИнсайдер
3 ипостаси брака: как быть одновременно и любовниками, и партнерами, и друзьями 3 ипостаси брака: как быть одновременно и любовниками, и партнерами, и друзьями

Обручальное кольцо на пальце — это не точка в истории развития отношений

Psychologies
Лови ритм Лови ритм

История о том, как электричество заставляет сердце биться

N+1
Открыть в приложении