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
Волосы в сливе и носки в каждом углу: что россиян больше всего бесит в партнерах? Волосы в сливе и носки в каждом углу: что россиян больше всего бесит в партнерах?

С какими поступками любимых (не) мирятся многие интернет-пользователи?

Psychologies
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
«Фабельманы»: как Стивен Спилберг и другие режиссеры занимаются самоанализом в кино «Фабельманы»: как Стивен Спилберг и другие режиссеры занимаются самоанализом в кино

Кинокритик Тамара Ходова рассуждает, как все вдруг решили заняться самоанализом

Forbes
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
Король гол Король гол

Лионель Месси: да здравствует новый король футбола!

Men Today
Мини-ПК и одноплатные компьютеры: что это такое и стоит ли покупать? Мини-ПК и одноплатные компьютеры: что это такое и стоит ли покупать?

Мини-ПК: стоит ли покупать такие гаджеты, и для чего они подойдут лучше всего

CHIP
Виртуальный роман: бегство от близости или инструмент саморазвития — разбор с психологами Виртуальный роман: бегство от близости или инструмент саморазвития — разбор с психологами

Что стоит за нашим желанием общаться заочно и зачастую инкогнито?

Psychologies
Сладкая наука Сладкая наука

Наука бокса заключается не только в том, чтобы быстро двигаться и наносить удары

Вокруг света
Платежные стикеры: что это такое и насколько они безопасны? Платежные стикеры: что это такое и насколько они безопасны?

Стоит ли пользоваться платежными стикерами?

CHIP
Почему гостинг так ранит и как его пережить: техника самопомощи Почему гостинг так ранит и как его пережить: техника самопомощи

Гостинг — резкое прекращение общения без объяснения причин

Psychologies
Черное золото на Крайнем Севере: как добывают нефть в Арктике Черное золото на Крайнем Севере: как добывают нефть в Арктике

Нефтедобывающая платформа «Приразломная», работающая на шельфе, уникальна

Вокруг света
Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй? Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй?

Какие же флегматики на самом деле и почему именно такие?

ТехИнсайдер
Даже целоваться! 10 вещей, которые точно нельзя делать после татуажа губ Даже целоваться! 10 вещей, которые точно нельзя делать после татуажа губ

Рассказываем о главных табу для девушек, сделавших перманентный макияж

VOICE
Хронобиологическая диета: как питаться с учетом биоритмов — 5 главных принципов Хронобиологическая диета: как питаться с учетом биоритмов — 5 главных принципов

Какие принципы питания старшего поколения нам нужно позаимствовать?

Psychologies
Поход за соболем Поход за соболем

По одной из версий, ради соболя наши предки покорили Сибирь

Дилетант
Вулканы, которых не было Вулканы, которых не было

Самые знаменитые выдуманные вулканы

Вокруг света
Как связаны энергетики и лечение синдрома поликистозных яичников Как связаны энергетики и лечение синдрома поликистозных яичников

Могут ли энергетики помочь справиться с поликистозом яичников?

СНОБ
На изящном: что восхищало современников Леонардо да Винчи в «Тайной вечере» На изящном: что восхищало современников Леонардо да Винчи в «Тайной вечере»

Поговорим о вечном — о "Тайной вечере" да Винчи

Правила жизни
Повернуть время вспять Повернуть время вспять

Как подольше продлить молодость и сохранить красоту тела?

Добрые советы
Какой источник энергии питал первые живые организмы на Земле? Какой источник энергии питал первые живые организмы на Земле?

Какая сила помогала первым живым существам расти и размножаться?

ТехИнсайдер
«Сын» с Хью Джекманом — кино о депрессии, на котором смеются критики и плачут нормальные люди «Сын» с Хью Джекманом — кино о депрессии, на котором смеются критики и плачут нормальные люди

Фильм «Сын» умеет доходчиво объяснять очень важные вещи

Правила жизни
В каждой строчке только точки: как писатели признавались в чувствах, ревновали и просто нежно ворковали в любовной переписке В каждой строчке только точки: как писатели признавались в чувствах, ревновали и просто нежно ворковали в любовной переписке

Несколько правил любовной переписки с примерами великих писателей

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

НАСА создает более легкие и прочные детали для будущих космических кораблей

ТехИнсайдер
«Полимат» «Полимат»

История универсальных людей от Леонардо да Винчи до Сьюзен Сонтаг

N+1
Лечение пустотой: как работает плацебо и что о нем думает современная медицина Лечение пустотой: как работает плацебо и что о нем думает современная медицина

Как устроен эффект плацебо и на что способно человеческое воображение

Forbes
Никакой магии, только психология: как имя влияет на твою судьбу Никакой магии, только психология: как имя влияет на твою судьбу

Хочешь узнать, как на тебя повлияло твое имя?

VOICE
«Песочницы» социальных инвестиций | «Sandboxes» for Social Investments «Песочницы» социальных инвестиций | «Sandboxes» for Social Investments

Как в мире развиваются проекты Social Impact Bonds

Позитивные изменения
Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха

Все, что поможет подготовиться к путешествию и спланировать отпуск в Турции

Правила жизни
От щедровок до первой оперы: как русский фольклор помогал следить за временем и стал частью классической музыки От щедровок до первой оперы: как русский фольклор помогал следить за временем и стал частью классической музыки

Какие песни нельзя было исполнять зимой и как фольклор приглянулся композиторам

Вокруг света
Открыть в приложении