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

Потеря контакта. Адгезия в биологии рака Потеря контакта. Адгезия в биологии рака

В онкологии есть целый арсенал средств борьбы со злокачественными заболеваниями

Наука и жизнь
Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия» Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия»

Мраморный бюст, который поступил в Государственный Русский музей в 1927 году

Наука и жизнь
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
«Любовь — это чувство, которое дается не всем» «Любовь — это чувство, которое дается не всем»

Владимир Кошевой всегда знал, что будет актером, что ему нужно на сцену

OK!
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Древнейшие инструменты, найденные археологами, скорее всего изготовили не предки современного человека Древнейшие инструменты, найденные археологами, скорее всего изготовили не предки современного человека

Археологи обнаружили самые древние из когда-либо найденных каменных орудий

ТехИнсайдер
«Черный вторник»: биржевой крах на Уолл-Стрит 1929 года «Черный вторник»: биржевой крах на Уолл-Стрит 1929 года

Рассказываем о биржевом крахе, произошедшем на Уолл-Стрит 29 октября 1929 года

ТехИнсайдер
Петербург Ивана Крылова: как Город на Неве отметил свой столетний юбилей и пережил череду невзгод Петербург Ивана Крылова: как Город на Неве отметил свой столетний юбилей и пережил череду невзгод

Торжества, устроенные Александром I, надолго запомнились петербуржцам

Вокруг света
Биоспелеология: что ищут биологи в пещерах Биоспелеология: что ищут биологи в пещерах

Какая фауна обитает в пещерах?

Наука и жизнь
Наука хорошего самочувствия: как дофамин управляет нами Наука хорошего самочувствия: как дофамин управляет нами

Дофамин: как его повысить и можно ли стать от него зависимым?

ТехИнсайдер
Пятый в истории: что означает новый случай излечения от ВИЧ Пятый в истории: что означает новый случай излечения от ВИЧ

Победить ВИЧ удалось после трансплантации пациенту стволовых клеток

Forbes
«Я почему вредный был?»: что такое ресентимент и как он портит нам жизнь «Я почему вредный был?»: что такое ресентимент и как он портит нам жизнь

Что такое ресентимент, что лежит в его основе и как от него избавиться?

Psychologies
Игра вдолгую | The Long Game Игра вдолгую | The Long Game

Точки роста и перспективы Social Impact Bonds в России

Позитивные изменения
Неожиданный поворот: уверены6 вы понятия не имели, что происходит с вашим котом после очередной дозы валерьянки Неожиданный поворот: уверены6 вы понятия не имели, что происходит с вашим котом после очередной дозы валерьянки

Как валерьянка влияет на кошек?

ТехИнсайдер
Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха

Все, что поможет подготовиться к путешествию и спланировать отпуск в Турции

Правила жизни
Любовь зла: как не позволить мошенникам разрушить вашу жизнь Любовь зла: как не позволить мошенникам разрушить вашу жизнь

Как онлайн-мошенники обманывают жертв с помощью приемов пикапа

Forbes
Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия

Создатели этих каменных орудий не были людьми и даже прямыми предками людей

Forbes
Бот знает: как устроены языковые модели и к чему ведет конкуренция на этом рынке Бот знает: как устроены языковые модели и к чему ведет конкуренция на этом рынке

Из чего состоят разговорные боты и чего ждать от многообещающих новинок?

Forbes
Дада-люди Дада-люди

Как The Yes Men превратили фейк в искусство

Weekend
Проснуться счастливым: почему полезно начинать день с улыбки Проснуться счастливым: почему полезно начинать день с улыбки

Есть веские причины сменить хмурое выражение лица на улыбку

Правила жизни
Право на спорт Право на спорт

История Специальных игр в мире началась 60 лет назад

Men Today
Что такое желчь и как она отмывает посуду и желудок от жира Что такое желчь и как она отмывает посуду и желудок от жира

Где фабрика по производству желчи и чем отличается печеночная желчь от пузырной?

Вокруг света
Стоит ли покупать Jeep Grand Cherokee поколения WK2 Стоит ли покупать Jeep Grand Cherokee поколения WK2

Наш сегодняшний герой — плод союза FIAT и Chrysler

4x4 Club
Место для мечты Место для мечты

Самый ценный подарок, который вы можете себе сделать — взять и осуществить мечту

Men Today
На тёмной стороне искусства На тёмной стороне искусства

На коллекционерах то и дело наживаются всякого рода жулики, мошенники и воры

Robb Report
Если утро недоброе. 9 причин боли в горле, о которых ты могла и не догадываться Если утро недоброе. 9 причин боли в горле, о которых ты могла и не догадываться

Боль в горле с утра далеко не всегда связана с простудой и вирусами

Лиза
Алгоритм создает для НАСА невероятные Алгоритм создает для НАСА невероятные

НАСА создает более легкие и прочные детали для будущих космических кораблей

ТехИнсайдер
Время страстей человеческих Время страстей человеческих

К Александру Добровинскому редакция обратилась по причине его любви к часам

Robb Report
Основатель города львов: как джентльмен Томас Раффлз создал Сингапур, но не смог обрести счастье Основатель города львов: как джентльмен Томас Раффлз создал Сингапур, но не смог обрести счастье

Раффлз сумел организовать в Сингапуре особую систему общественного устройства

Вокруг света
Зашифрованный корабль: как киберпреступники превратились в портовых пиратов Зашифрованный корабль: как киберпреступники превратились в портовых пиратов

Это не первый случай, когда судоходные компании становятся жертвами кибератак

ТехИнсайдер
Открыть в приложении