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
Глаза в глаза Глаза в глаза

Разговор с актрисой Лизой Шакирой, которая недавно присоединилась к проекту

OK!
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Сериал «Раневская»: как Фаина Фельдман стала великой актрисой вопреки всем преградам Сериал «Раневская»: как Фаина Фельдман стала великой актрисой вопреки всем преградам

Какой сложный путь к славе проделала Фаина Раневская

Forbes
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США

Кейт Уорн — женская версия Шерлока Холмса, существовавшая на самом деле

Forbes
«А он, мятежный, просит бури» «А он, мятежный, просит бури»

Самые опасные места океанов, как смогли их покорить. Беседа с Федором Конюховым

Вокруг света
6 мужских привычек, которые сильнее всего раздражают женщин 6 мужских привычек, которые сильнее всего раздражают женщин

«Инцидент исперчен, любовная лодка разбилась о быт»

Maxim
Надо ли разговаривать с рассадой? Надо ли разговаривать с рассадой?

Кто же поверит, что цветы будут расти лучше, если с ними разговаривать?

Наука и жизнь
Дворцы, пещеры, горящая гора: 5 причин отправиться в Иран Дворцы, пещеры, горящая гора: 5 причин отправиться в Иран

Начать знакомство с Ираном можно со столицы и ближайших окрестностей

Вокруг света
Вместе веселей: 7 животных, которые проводят время в тесной компании соплеменников Вместе веселей: 7 животных, которые проводят время в тесной компании соплеменников

В жизни многих видов животных есть моменты, когда они вступают в «колхоз»

Вокруг света
Куркума Куркума

Специя с резким древесным вкусом до сих пор остаётся популярной добавкой к пище

Здоровье
12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать 12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать

Многие из этих сокровищ, скорее всего, исчезли навсегда

Вокруг света
Алена Коломина: «Когда мне глобально чего-то хочется, мечты сбываются» Алена Коломина: «Когда мне глобально чего-то хочется, мечты сбываются»

Мне часто говорят: «А я думал, что ты повыше и побольше»

Коллекция. Караван историй
Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством

Как Меллоди Хобсон борется с расовой дискриминацией в корпоративном мире

Forbes
Вокруг света Вокруг света

Об интерьерных традициях, которые стоит перенять у жителей разных стран

Лиза
Мгла рассеется: как снимался бэкстейдж сериала «Фишер» Мгла рассеется: как снимался бэкстейдж сериала «Фишер»

Посмотрите фотоисторию о вселенной сериала «Фишер»

Правила жизни
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
Алгоритм создает для НАСА невероятные Алгоритм создает для НАСА невероятные

НАСА создает более легкие и прочные детали для будущих космических кораблей

ТехИнсайдер
В центре Школы будущего будет стоять ребенок | At the Center of the School of the Future will be the Child В центре Школы будущего будет стоять ребенок | At the Center of the School of the Future will be the Child

Журналист Александр Мурашев — как школа может стать жизненным навигатором

Позитивные изменения
Магическое мышление: почему мы считаем себя всемогущими — объяснение психолога Магическое мышление: почему мы считаем себя всемогущими — объяснение психолога

В чем опасность магического мышления?

Psychologies
Палеоклиматологи определили подходящее время для заселения Америки по морскому льду Палеоклиматологи определили подходящее время для заселения Америки по морскому льду

Палеоклиматологи исследовали проблему первоначального заселения Америки

N+1
История символов знаков зодиака История символов знаков зодиака

Неочевидные смыслы и зашифрованные послания знаков зодиака

Лиза
Страшно интересно: пять мест с мистической атмосферой в России Страшно интересно: пять мест с мистической атмосферой в России

Предлагаем пять мест, пользующихся дурной славой, где можно пощекотать нервы

Караван историй
Спирс, Джоли, Кен, рысь: на кого хотели быть похожи жертвы пластики Спирс, Джоли, Кен, рысь: на кого хотели быть похожи жертвы пластики

Эти люди спустили целые состояния на пластику

VOICE
Будем ли мы вместе? Будем ли мы вместе?

Как и почему мы выбираем тех, с кем будем рядом?

Psychologies
7 самых ожидаемых книжных новинок 2023 года 7 самых ожидаемых книжных новинок 2023 года

Семь отличных книг, на которые стоит обратить внимание в этом году

СНОБ
О чем говорят мужчины: откровенная беседа читателей о любви — 5 историй О чем говорят мужчины: откровенная беседа читателей о любви — 5 историй

Пять мужчин — о встречах, расставаниях, изменах, романах и о любви

Psychologies
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Философы античности верили во множественность обитаемых миров

Наука и жизнь
Мумии возвращаются: кто и как зарабатывает на сокровищах Древнего Египта Мумии возвращаются: кто и как зарабатывает на сокровищах Древнего Египта

Почему мир без устали исследует тайны Египта, а он никак не перестает удивлять

Forbes
Открыть в приложении