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
Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить

Как предотвратить кризис среднего возраста?

Psychologies
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Голоса из окон: «подслушанные» истории старинных домов Петербурга и их жителей Голоса из окон: «подслушанные» истории старинных домов Петербурга и их жителей

Отрывок из сборника Екатерины Кубряковой «Голоса из окон»

Forbes
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
72-летний пикап по цене премиального немецкого автомобиля 72-летний пикап по цене премиального немецкого автомобиля

Chevrolet 3100 – пикап, который, кажется, существует вечно

4x4 Club
За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие) За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие)

Задачи, которые стояли перед «Луной-25», никуда не делись. Их придётся решать

Наука и жизнь
Как быстро уснуть: йога для здорового и крепкого сна — 10 полезных асан Как быстро уснуть: йога для здорового и крепкого сна — 10 полезных асан

Делимся простыми упражнениями, которые помогут лучше спать

Psychologies
Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий Обжигаемый Солнцем: экскурсия на Меркурий

Какие же тайны и интересные особенности скрывает Меркурий?

Наука и жизнь
Посмотрите на Симу — самую старую крысу в мире. Ученые омолодили ее органы, и это может сработать с людьми Посмотрите на Симу — самую старую крысу в мире. Ученые омолодили ее органы, и это может сработать с людьми

Биологи из Калифорнии научились омолаживать пожилых крыс

Вокруг света
Почему киты иногда взрываются после смерти? Почему киты иногда взрываются после смерти?

Что происходит с телом кита после того, как животное умирает?

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

Ходьба это нечто большее, чем просто передвижение

ТехИнсайдер
Деменция — эпидемия XXI века. Что это за болезнь и возможно ли ее предотвратить Деменция — эпидемия XXI века. Что это за болезнь и возможно ли ее предотвратить

Рассказываем, что удалось выяснить ученым и можно ли остановить деменцию

Правила жизни
Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях

Находки из португальской пещеры Фигейра-Брава

N+1
На борту затонувшего в VII-VIII веках судна нашли остатки жуков-вредителей и тараканьи оотеки На борту затонувшего в VII-VIII веках судна нашли остатки жуков-вредителей и тараканьи оотеки

Новый результат исследования корабля «Мааган Михаэль Б»

N+1
Шаг в сторону Шаг в сторону

Турция гораздо больше стандартных маршрутов

Добрые советы
Отпустите меня! Отпустите меня!

Что делать, когда партнер хочет провести отдельно выходные или отпуск?

Добрые советы
Покупка подержанного Nissan X-Trail (Т32) Покупка подержанного Nissan X-Trail (Т32)

Автомобиль, который в буквальном смысле возродил Nissan

4x4 Club
Солнышко в руках: лучшие рецепты блинов (и не только) на Масленицу Солнышко в руках: лучшие рецепты блинов (и не только) на Масленицу

Рецепты сладких и соленых, простых и сложных блинов

Правила жизни
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
Говорящие коты и Греция по Фрейду: новинки нон-фикшн о мифологии Говорящие коты и Греция по Фрейду: новинки нон-фикшн о мифологии

Зачем волшебным сказкам говорящие коты и во что Фрейд превратил Эдипа?

ТехИнсайдер
Глина навсегда: посмотрите на 7 впечатляющих керамических артефактов Глина навсегда: посмотрите на 7 впечатляющих керамических артефактов

Дошедшие до нас горшки и другие сосуды могут поведать много интересного

Вокруг света
Стоит насторожиться или само пройдет? Стоит насторожиться или само пройдет?

Откуда берутся белые пятна на ногтях рук?

Лиза
После стольких лет: 10 фильмов с Аланом Рикманом, которые стоит посмотреть После стольких лет: 10 фильмов с Аланом Рикманом, которые стоит посмотреть

Мы собрали десять фильмов с Аланом Рикманом без мальчика, который выжил

Правила жизни
Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха

Извлечение парниковых газов из воды — идея, звучащая странно

ТехИнсайдер
В 9 миллиардах световых лет от Земли найдена галактика-каннибал - брат-близнец Млечного Пути В 9 миллиардах световых лет от Земли найдена галактика-каннибал - брат-близнец Млечного Пути

Телескоп Джеймса Уэбба обнаружил близнеца Млечного Пути

ТехИнсайдер
Риск ради успеха: почему не нужно бояться ошибок, чтобы достичь результатов Риск ради успеха: почему не нужно бояться ошибок, чтобы достичь результатов

Отрывок из книги «Открытый интеллект»

Forbes
Реально ли изменить мышление с помощью аффирмаций? Реально ли изменить мышление с помощью аффирмаций?

Изучаем эффективный способ сознательно менять направление потока мыслей

ТехИнсайдер
Как вьетнамский беженец Дэвид Тран стал миллиардером благодаря острому соусу Как вьетнамский беженец Дэвид Тран стал миллиардером благодаря острому соусу

Как Дэвид Тран превратил производство соуса шрирача в многомиллиардный бизнес

Forbes
«Зеркальные нейроны» срабатывают во время мышиных схваток «Зеркальные нейроны» срабатывают во время мышиных схваток

«Зеркальные нейроны» могут формировать сложное социальное поведение

ТехИнсайдер
Открыть в приложении