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
Фобии Кидман, Йоханссон и других: туалеты, авокадо и сморщенные пальцы - что пугает голливудских звезд Фобии Кидман, Йоханссон и других: туалеты, авокадо и сморщенные пальцы - что пугает голливудских звезд

У наших кумиров есть очень странные фобии

VOICE
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Как вернуть жизни смысл, если все бессмысленно: 7 советов на каждый день Как вернуть жизни смысл, если все бессмысленно: 7 советов на каждый день

Когда почва уходит из-под ног, мы невольно задаем вопрос: зачем это все?

Psychologies
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Танцуем и худеем Танцуем и худеем

8 самых эффективных тренировок, для которых нужна только музыка

Лиза
Машины времени Машины времени

11 лучших автомобилей российского рынка 2023 года

Men Today
У самого синего моря У самого синего моря

Модернистская вилла на тихоокеанском побережье, в окрестностях Малибу

SALON-Interior
Жизнь животных Митихи Ромацуоки Жизнь животных Митихи Ромацуоки

Японский мастер вспоминает детство, создавая зверей-киборгов из глины и меди

ТехИнсайдер
Устроить дом… и взять его с собой Устроить дом… и взять его с собой

Что на самом деле о нас говорят тенденции в обустройстве дома?

Psychologies
Идеальный дом Идеальный дом

Большая семья, цвет айвори, семейный уют, стиль Ralph Lauren и кружка кофе

SALON-Interior
Инженеры создали датчик с эффективностью 200% - как это вообще возможно? Инженеры создали датчик с эффективностью 200% - как это вообще возможно?

Датчик, преобразующий свет в электрический сигнал с поразительной эффективностью

ТехИнсайдер
Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне? Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне?

Если самка косатки родила мальчика, он остается ее единственным отпрыском

Вокруг света
«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
Эпоха маркизы Помпадур: как фаворитка Людовика XV стала версальской Шахерезадой Эпоха маркизы Помпадур: как фаворитка Людовика XV стала версальской Шахерезадой

История фаворитки, вынудившей политиков всерьез рассуждать об эпохе Помпадур

Вокруг света
Страсти русского «царь-баса»: как Федор Шаляпин жил на две семьи Страсти русского «царь-баса»: как Федор Шаляпин жил на две семьи

Запутанная личная жизнь Федора Шаляпина

VOICE
В глубину души В глубину души

Никита Ефремов – о работе над душевным состоянием и корне слова «любовь»

Psychologies
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
Синдром «героя реалити-шоу»: как снимаются программы о преображении — рассказ продюсера Синдром «героя реалити-шоу»: как снимаются программы о преображении — рассказ продюсера

Продюсер рассказывает о закулисье реалити-шоу о преображениях

Psychologies
Деменция Брюса Уиллиса и не только: самые страшные диагнозы звезд Голливуда Деменция Брюса Уиллиса и не только: самые страшные диагнозы звезд Голливуда

Кто из звезд обнародовал свои серьезные болезни

VOICE
Как Борис Пастернак создавал и издавал роман «Доктор Живаго» Как Борис Пастернак создавал и издавал роман «Доктор Живаго»

Этот роман получил всемирное признание за границей, на родине же его запрещали

СНОБ
Шаг в сторону Шаг в сторону

Турция гораздо больше стандартных маршрутов

Добрые советы
Как узнать, где находится ваш ребенок: простой способ от Google Как узнать, где находится ваш ребенок: простой способ от Google

Собственные средства родительского контроля есть и у самой Google

CHIP
Великое Хеттское царство за три года погубила засуха Великое Хеттское царство за три года погубила засуха

Хеттское царство было сильнейшим, но не смогло противостоять засухе

ТехИнсайдер
Что такое шибари и стоит ли в это ввязываться Что такое шибари и стоит ли в это ввязываться

Что нужно знать, прежде чем браться за веревки?

Maxim
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
14 способов признаться себе в любви не только на словах 14 способов признаться себе в любви не только на словах

Чтобы дарить любовь другим людям, важно сначала позаботиться о себе

Правила жизни
Дремлющие драконы Дремлющие драконы

Супервулканы спят десятки тысяч лет, а проснувшись, засыпают пеплом континенты

Вокруг света
«Метамышление» «Метамышление»

Как нейронауки помогают нам понять себя

N+1
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
Открыть в приложении