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

Ужасная красавица Ужасная красавица

Плотный облачный покров долго скрывал от людей настоящий характер этой планеты

ТехИнсайдер
Фигурист, потерявший ногу: трагическая история спортсмена Ивана Самоделкина Фигурист, потерявший ногу: трагическая история спортсмена Ивана Самоделкина

Как живет Иван Самоделкин - фигурист, который потерял ногу

VOICE
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
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
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
На его стороне На его стороне

Как приободрить и утешить того, кто отказывается от любой помощи?

Лиза
Высокие цели Высокие цели

13 громких автомобильных покушений XX века

Автопилот
«Невежество» Эйзенштейна и нападки на Гайдая: как советское кино жило под цензурой «Невежество» Эйзенштейна и нападки на Гайдая: как советское кино жило под цензурой

Как СССР цензурировал кинематограф

Forbes
Генералы песчаных карьеров Генералы песчаных карьеров

Шагающие экскаваторы, или драглайны, – самые большие мобильные наземные машины

ТехИнсайдер
«Налог на яйца»: как в СССР пытались поднять рождаемость и что из этого вышло «Налог на яйца»: как в СССР пытались поднять рождаемость и что из этого вышло

В СССР существовал налог на бездетность

VOICE
Первый градусник, длинною в несколько метров!? Выясняем, как измеряли температуру тела до изобретения термометра Первый градусник, длинною в несколько метров!? Выясняем, как измеряли температуру тела до изобретения термометра

Как появился медицинский термометр?

ТехИнсайдер
Будем ли мы вместе? Будем ли мы вместе?

Как и почему мы выбираем тех, с кем будем рядом?

Psychologies
«Просвещение может нам помочь»: биолог Александр Панчин о будущем научпопа в России «Просвещение может нам помочь»: биолог Александр Панчин о будущем научпопа в России

Александр Панчин рассказывает, что сейчас происходит с научпопом в России

Forbes
Отдых в горах: 8 слагаемых успеха Отдых в горах: 8 слагаемых успеха

Важные составляющие качественного отдыха на горнолыжном курорте

СНОБ
Невербальное общение: как научиться понимать, что скрывается за словами собеседника Невербальное общение: как научиться понимать, что скрывается за словами собеседника

Как с помощью невербальных сигналов выстроить качественные отношения

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
Феминистка в тюрьме: как Консепсьон Ареналь боролась за права женщин и заключенных Феминистка в тюрьме: как Консепсьон Ареналь боролась за права женщин и заключенных

Консепсьон Ареналь слишком беспокоилась о заключенных и отстаивала права женщин

Forbes
Увечная тайна Увечная тайна

Как позднесоветское кино воображало и изображало Запад

Weekend
12 лучших эпизодов великого сериала «Коломбо» 12 лучших эпизодов великого сериала «Коломбо»

Мы оставляем тебе улики и подсказки, с чего начинать смотреть сериал

Maxim
О чем поют ветра Гоби: как российские путешественники покорили монгольскую пустыню на мотовездеходах О чем поют ветра Гоби: как российские путешественники покорили монгольскую пустыню на мотовездеходах

Участник необычной экспедиции поделился впечатлениями с «Вокруг света»

Вокруг света
Сладкий доход Сладкий доход

Сахарная свекла вернула статус одной из самых рентабельных агрокультур

Агроинвестор
Наука против ЗОЖ: 5 популярных рекомендаций Наука против ЗОЖ: 5 популярных рекомендаций

Взглянем на рекомендации в области здравоохранения с точки зрения науки

ТехИнсайдер
«Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем «Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем

Уже в заключении Косарев написал исповедь

VOICE
Что дарить на свадьбу и как вручать подарок? Советы ведущего Что дарить на свадьбу и как вручать подарок? Советы ведущего

Вы получили приглашение на свадьбу и думаете, что подарить?

Psychologies
Главная советская страшилка о маньяке: как сериал «Фишер» объясняет природу насилия Главная советская страшилка о маньяке: как сериал «Фишер» объясняет природу насилия

Как сериал «Фишер» объясняет природу насилия в людях

Forbes
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
Магия и выжженные пустоши: cамые интересные книги жанра постапокалипсис-фэнтези Магия и выжженные пустоши: cамые интересные книги жанра постапокалипсис-фэнтези

Что будет, если в постапокалипсис добавить элементы фэнтези?

Maxim
Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton

На что рассчитывает французский модный дом, принимая Фаррелла Уильямса

Forbes
Биоархеологи выяснили рацион 26 средневековых жителей Бергена Биоархеологи выяснили рацион 26 средневековых жителей Бергена

У средневековых мужчин и женщин из Бергена был разный рацион

N+1
Не навреди. Как развивается робототехника в России Не навреди. Как развивается робототехника в России

Генеральный директор «Корпорации роботов» — о проблемах инжиниринга в России

СНОБ
Открыть в приложении