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

Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Диковинки на колесах: посмотрите на 10 самых редких автомобилей в мире Диковинки на колесах: посмотрите на 10 самых редких автомобилей в мире

Некоторые из этих автомобилей существуют в единственном экземпляре

Вокруг света
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Синяки и потное лицо: тебя удивят странные причины, по которым голливудские актеры получили свои культовые роли Синяки и потное лицо: тебя удивят странные причины, по которым голливудские актеры получили свои культовые роли

Какие актеры самым неожиданным образом обошли конкурентов на кастинге?

VOICE
Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
День, когда мы идем друг к другу: почему важно праздновать 14 февраля День, когда мы идем друг к другу: почему важно праздновать 14 февраля

Попробуем разобраться, зачем нам вообще нужен день святого Валентина

VOICE
Александр: империя за 12 лет Александр: империя за 12 лет

Блестящие военные победы царя Македонии перекроили карту античного мира

Дилетант
История символов знаков зодиака История символов знаков зодиака

Неочевидные смыслы и зашифрованные послания знаков зодиака

Лиза
Меледá, или девять связанных колец Меледá, или девять связанных колец

Эта головоломка с кольцами, надетыми на шпильку, известна во многих странах

Наука и жизнь
Врач назвала продукты, вызывающие старение кожи. Откажитесь от них, чтобы выглядеть моложе! Врач назвала продукты, вызывающие старение кожи. Откажитесь от них, чтобы выглядеть моложе!

Продукты, которые вызывают сухость кожи и преждевременные морщины

ТехИнсайдер
Не могу сказать «прости» Не могу сказать «прости»

Как правильно просить прощения?

Лиза
Продукты, полезные для печени: что пора добавить в рацион Продукты, полезные для печени: что пора добавить в рацион

Как заботиться о печени правильно

Psychologies
В канализации Рима найдена статуя древнего императора, одетого как Геракл В канализации Рима найдена статуя древнего императора, одетого как Геракл

Неужели в Древнем Риме был император-Геркулес?

ТехИнсайдер
Минус миллион. Первый тест-драйв китайской Toyota Camry Минус миллион. Первый тест-драйв китайской Toyota Camry

Тестируем седан Camry из КНР

РБК
«Я рано узнала, что такое богатство и бедность»: история одного детства в 1990-е «Я рано узнала, что такое богатство и бедность»: история одного детства в 1990-е

История читательницы, которая отражает целый пласт истории 1990-х

Psychologies
Зодчий дом. Как на Руси зародилось и расцвело каменное строительство Зодчий дом. Как на Руси зародилось и расцвело каменное строительство

История древнего зодчества

СНОБ
Кто помешал Германии создать атомную бомбу Кто помешал Германии создать атомную бомбу

Отрывок из книги «Отряд отморозков» Сэма Кина

СНОБ
Как бросить курить? Поможет Как бросить курить? Поможет

Может ли новое умное устройство одежды помочь бросить курить?

ТехИнсайдер
Отрывок из книги Филиппа Сэндса «Крысиная тропа» Отрывок из книги Филиппа Сэндса «Крысиная тропа»

Филипп Сэндс рассказывает историю семейного расследования Хорста Вехтера

СНОБ
Какие бывают коннекторы зарядок для электромобилей и как их отличать Какие бывают коннекторы зарядок для электромобилей и как их отличать

Как выглядят разные коннекторы для электромобилей и как жить в таком “зоопарке”

ТехИнсайдер
О роли и месте мужчины в нашем меняющемся мире: о чем еще нам рассказывает фильм «Сын»? О роли и месте мужчины в нашем меняющемся мире: о чем еще нам рассказывает фильм «Сын»?

Каково быть мужчиной, отцом, сыном, супругом в XXI веке?

Psychologies
Слава богу, ты вернулся: знаменитости, чья карьера возродилась Слава богу, ты вернулся: знаменитости, чья карьера возродилась

Артисты, доказавшие, что при желании и упорстве можно вернуть себе славу

Правила жизни
Человек с купюры Человек с купюры

История человека, памятник которому украшает купюру в 5000 рублей

Дилетант
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
Архитектура Солнечной системы очень редко встречается во Вселенной Архитектура Солнечной системы очень редко встречается во Вселенной

Чаще всего планетные системы состоят из планет примерно одинакового размера

ТехИнсайдер
Нам только спросить Нам только спросить

Все отношения разные, но вопросы, которые возникают в них, похожи

VOICE
Вещи, которые ни в коем случае не должны попасть в твой базовый гардероб — все совершают эту ошибку! Вещи, которые ни в коем случае не должны попасть в твой базовый гардероб — все совершают эту ошибку!

Даже база баз может подвести

VOICE
«Отца убили на моих глазах»: историю о травме и терапии дружбой комментирует психолог «Отца убили на моих глазах»: историю о травме и терапии дружбой комментирует психолог

Иногда непрожитое горе приводит к самым тяжелым последствиям

Psychologies
Гипноз во сне с точки зрения науки: эффективная терапия или очередная Гипноз во сне с точки зрения науки: эффективная терапия или очередная

Разбираемся в гипнотическом сне: что это, эффективная терапия или шарлатанство?

ТехИнсайдер
Колесо эмоций Роберта Плутчика: как разобраться в себе — используйте простой инструмент Колесо эмоций Роберта Плутчика: как разобраться в себе — используйте простой инструмент

Рассказываем о простом инструменте, который помогает ориентироваться в эмоциях

Psychologies
Открыть в приложении