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

Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
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
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
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
Абонент недоступен. О фильме «Звонок» — великой классике хорроров Абонент недоступен. О фильме «Звонок» — великой классике хорроров

Как хоррор «Звонок» отражает социальные страхи и кризисы японского общества

СНОБ
9 факторов риска заболеваний сердца: проверьте себя 9 факторов риска заболеваний сердца: проверьте себя

Болезни сердца являются ведущей причиной смерти по всему миру

ТехИнсайдер
Ценные гектары Ценные гектары

Стоимость земель 20 крупнейших латифундистов России приблизилась к 1 трлн рублей

Forbes
Инвесторы меняют ориентацию Инвесторы меняют ориентацию

Портфельные менеджеры минимизируют вложения в американские акции

Деньги
Со всех концов света: стало известно, откуда египтяне получали вещества для создания мумий Со всех концов света: стало известно, откуда египтяне получали вещества для создания мумий

Чтобы жрецы могли бальзамировать тела, требовались долгие и опасные путешествия

Вокруг света
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
Астероид имени Ахматовой: как мемориальная культура сохраняет женские имена Астероид имени Ахматовой: как мемориальная культура сохраняет женские имена

Как активисты пытаются вернуть женские имена в область культурной памяти

Forbes
Дороже жизни. Почему современные подростки привязаны к своим смартфонам Дороже жизни. Почему современные подростки привязаны к своим смартфонам

Какую роль в жизни подростков играет вопрос престижа

СНОБ
Парижанки уже не ориентир: на кого теперь равняются девушки с чувством стиля Парижанки уже не ориентир: на кого теперь равняются девушки с чувством стиля

Трендсеттеры нового поколения постепенно перебираются в Копенгаген

VOICE
Как делали мумии. Ученые реконструировали методы древнеегипетской похоронной мастерской Как делали мумии. Ученые реконструировали методы древнеегипетской похоронной мастерской

Как была устроена мастерская бальзамировщика в Древнем Египте

ТехИнсайдер
«Диван, чемодан, саквояж...» Что можно провозить в ручной клади и какие вещи нельзя брать с собой в самолетан, чемодан, саквояж... «Диван, чемодан, саквояж...» Что можно провозить в ручной клади и какие вещи нельзя брать с собой в самолетан, чемодан, саквояж...

Что можно и что нельзя перевозить в ручной клади в самолете

ТехИнсайдер
Достижения российских военных врачей, которые изменили мировую медицину Достижения российских военных врачей, которые изменили мировую медицину

Как военные врачи внесли серьезный вклад в развитие мировой медицины

Maxim
Золотой запас: эти продукты лучше покупать замороженными и всегда держать в холодильнике Золотой запас: эти продукты лучше покупать замороженными и всегда держать в холодильнике

Кое-что гораздо надежнее сразу покупать в заморозке и всегда держать про запас

VOICE
Людмила Иванова об Олеге Дале: «Его нужно было только понимать, принимать и прощать ему все, просто все. И больше ничего» Людмила Иванова об Олеге Дале: «Его нужно было только понимать, принимать и прощать ему все, просто все. И больше ничего»

При жизни Людмила Ивановна рассказала мне об Олеге Дале. Делюсь с вами

Коллекция. Караван историй
«Отчим держал меня в сексуальном рабстве»: Анастасия Цветаева рассказала о пережитых издевательствах «Отчим держал меня в сексуальном рабстве»: Анастасия Цветаева рассказала о пережитых издевательствах

Анастасия Цветаева столкнулась с сексуальным насилием в раннем возрасте

VOICE
Как по звуку определить, что сломалось в автомобиле Как по звуку определить, что сломалось в автомобиле

Пройдемся по звукам, с помощью которых техника жалуется на недомогания

Maxim
Сравнение, обесценивание и критика: как зарождается и проявляется нарциссизм. Разбор от психолога Сравнение, обесценивание и критика: как зарождается и проявляется нарциссизм. Разбор от психолога

Как зарождается нарциссизм и почему он мешает строить личную жизнь?

Psychologies
6 фильмов и сериалов о взаимоотношениях психотерапевтов и их пациентов 6 фильмов и сериалов о взаимоотношениях психотерапевтов и их пациентов

Сериалы и фильмы, которые позволят заглянуть в кабинет психотерапевта

Psychologies
Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ

Почему даже у однояйцевых близнецов не бывает одинаковых отпечатков пальцев

ТехИнсайдер
Что жизнь на Марсе может сделать с человеческим телом: почему идея Илона Маска покорить Красную планету неразумна Что жизнь на Марсе может сделать с человеческим телом: почему идея Илона Маска покорить Красную планету неразумна

Почему люди еще не готовы к покорению Красной планеты

ТехИнсайдер
«Катастрофа была не за горами». Как исследователи и псевдоученые искали эликсир вечной жизни «Катастрофа была не за горами». Как исследователи и псевдоученые искали эликсир вечной жизни

Как попытка найти способы жить вечно привела к расцвету науки и псевдонауки

СНОБ
Как изменится жизнь, если бросить пить? Объяснение и советы Как изменится жизнь, если бросить пить? Объяснение и советы

Сэкономить денег и улучшить настроение: что подарит отказ от алкоголя?

ТехИнсайдер
Экологичные полимеры будущего Экологичные полимеры будущего

Российские ученые предлагают решения в создании новых биоразлагаемых материалов

Эксперт
Подростковая агрессия. В чем причина и как научиться с ней справляться Подростковая агрессия. В чем причина и как научиться с ней справляться

Как помочь ребенку научиться справляться с агрессией

СНОБ
Открыть в приложении