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

Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
«Нолли»: сериал о культовой британской актрисе с Хеленой Бонэм Картер «Нолли»: сериал о культовой британской актрисе с Хеленой Бонэм Картер

Каким получился сериал «Нолли» и почему фигура Ноэль Гордон важна для британцев

Forbes
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Прикладная нумизматика: как найти редкую и дорогую монету Прикладная нумизматика: как найти редкую и дорогую монету

У каждого в кошельке есть дорогая монета. Просто нужно знать, что искать!

Maxim
Ужасная красавица Ужасная красавица

Плотный облачный покров долго скрывал от людей настоящий характер этой планеты

ТехИнсайдер
Почему мы продуктивно работаем в кофейнях: 4 совета работникам на удаленке Почему мы продуктивно работаем в кофейнях: 4 совета работникам на удаленке

Неужели наша работа в кофейнях продуктивна только из-за бодрящего кофе?

Psychologies
Каким фантасты видят XXII век: пророчества писателей Каким фантасты видят XXII век: пророчества писателей

Самые интересные произведения, посвященные грядущему веку

Популярная механика
Как сблизиться с партнером: 4 простых шага — попробуйте в отношениях Как сблизиться с партнером: 4 простых шага — попробуйте в отношениях

Несколько шагов, которые помогут сделать ваш союз сильнее

Psychologies
Красота по-японски Красота по-японски

В чем суть ключевых понятий японской эстетики?

Вокруг света
Гадания на Масленицу: как узнать все о любви, деньгах и будущем Гадания на Масленицу: как узнать все о любви, деньгах и будущем

Масленичная неделя – идеальное время для ритуалов и гаданий

VOICE
4 важных детали в 5 серии «Одни из нас», которые ты, скорее всего, пропустил 4 важных детали в 5 серии «Одни из нас», которые ты, скорее всего, пропустил

Такие мелочи в сериале «Одни из нас» мог заметить только фанат оригинальной игры

Maxim
Бейонсе, Ким Кардашьян и другие звезды, у которых были проблемы с зачатием ребенка Бейонсе, Ким Кардашьян и другие звезды, у которых были проблемы с зачатием ребенка

Эти звезды не побоялись рассказать о проблемах, связанных с беременностью

VOICE
Школы в России и за рубежом | Schools in Russia and Abroad Школы в России и за рубежом | Schools in Russia and Abroad

В чем отличие подходов к обучению в российских и зарубежных школах?

Позитивные изменения
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
Как вернуться в рабочий ритм после долгих выходных: 5 шагов Как вернуться в рабочий ритм после долгих выходных: 5 шагов

Как проще преодолеть постпраздничную тоску?

Psychologies
Ходьба — самое полезное упражнение, но почему? Ходьба — самое полезное упражнение, но почему?

Ходьба это нечто большее, чем просто передвижение

ТехИнсайдер
Обману не подлежит Обману не подлежит

Жизнь после измены: спасать семью или заняться собой?

VOICE
8 самых страшных пятен от пищи и простые способы их удаления 8 самых страшных пятен от пищи и простые способы их удаления

Справиться со сложными пятнами по силам каждому! Изучите эти базовые правила

ТехИнсайдер
Как получить международные водительские права: инструкция для тех, кто привык путешествовать на машине Как получить международные водительские права: инструкция для тех, кто привык путешествовать на машине

Разбираемся, где получить МВУ в России и какие документы для этого необходимы

ТехИнсайдер
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
Дым отечества: 7 городов России с самой загрязненной атмосферой Дым отечества: 7 городов России с самой загрязненной атмосферой

Города, глубоко дышать в которых не рекомендуется

Вокруг света
В полном мармеладе В полном мармеладе

Мармелад — полезное лакомство или продукт с излишком химии?

Лиза
Сибирский ананас Сибирский ананас

Польза облепихового масла для красоты и здоровья

Лиза
Самая лучшая песня в истории человечества Самая лучшая песня в истории человечества

Можно ли выявить самую лучшую музыкальную композицию всех времен?

Maxim
Женские дуэли: как дамы вызывали друг друга на поединки и почему их схватки были более жестокие и кровавые, чем мужские Женские дуэли: как дамы вызывали друг друга на поединки и почему их схватки были более жестокие и кровавые, чем мужские

Женщины тоже были не прочь посостязаться друг с другом

ТехИнсайдер
Как помочь ребёнку подрасти? Как помочь ребёнку подрасти?

Почему одни дети растут как на дрожжах, а другие плетутся в хвосте?

Здоровье
Блиц-интервью: Георгий Дронов Блиц-интервью: Георгий Дронов

Актер Георгий Дронов — об отношении к своей популярности и «папе» Борисе Клюеве

Лиза
Могут ли собаки испытывать эмоции Могут ли собаки испытывать эмоции

Что мы знаем об эмоциях собак?

ТехИнсайдер
Импакт и импакт-инвестиции в СМИ и социальных медиа | Impact and impact investing in traditional and social media Импакт и импакт-инвестиции в СМИ и социальных медиа | Impact and impact investing in traditional and social media

Как устроено импакт-инвестирование в России

Позитивные изменения
Как жить, когда спокойно не сидится: жизнь с СДВГ Как жить, когда спокойно не сидится: жизнь с СДВГ

Как облегчить жизнь, если вы обнаружили у себя синдром дефицита внимания?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении