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
Как и почему появляются родинки на теле? Как и почему появляются родинки на теле?

Родинки — сигнал нашего тела о каких-то внутренних процессах?

ТехИнсайдер
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Уйти нельзя остаться. Почему «Говорят женщины» — главный феминистический фильм года? Уйти нельзя остаться. Почему «Говорят женщины» — главный феминистический фильм года?

Фильм «Говорят женщины» — разбираемся в сюжете и особенностях съемки

Правила жизни
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Ничего не обещай: почему новогодние резолюции не работают и что с этим делать Ничего не обещай: почему новогодние резолюции не работают и что с этим делать

Почему новогодние обещания уже на первой странице календаря превращаются в тыкву

Inc.
Он такой один Он такой один

История культовой красно-белой «десятки»

Автопилот
Узнайте несколько советов от людей, которые прожили больше 100 лет! Узнайте несколько советов от людей, которые прожили больше 100 лет!

В чем секрет долгожительства и счастливого существования на протяжении века?

ТехИнсайдер
Зачем нам ловить нейтрино? Зачем нам ловить нейтрино?

Что удалось понять про нейтрино и как это было, — в беседе с Валерием Петковым

Наука и жизнь
Стресс-код: 5 способов быстро расслабиться Стресс-код: 5 способов быстро расслабиться

Техники, которые помогут моментально успокоиться

VOICE
Безразличие, замкнутость, заторможенность: что такое эмоциональная бесчувственность — 8 признаков Безразличие, замкнутость, заторможенность: что такое эмоциональная бесчувственность — 8 признаков

Как проявляется и лечится эмоциональная бесчувственность

Psychologies
«Художник, а не бизнесмен»: как пекарь из Дании придумал игрушечного тролля и проиграл плагиаторам «Художник, а не бизнесмен»: как пекарь из Дании придумал игрушечного тролля и проиграл плагиаторам

Как Томас Дам придумал популярных игрушечных троллей?

VC.RU
Могила неизвестного Павлика Могила неизвестного Павлика

История Павлика Морозова

Дилетант
Фернандо Алонсо проехал «идеальный круг» на Aston Martin DBX707 (видео) Фернандо Алонсо проехал «идеальный круг» на Aston Martin DBX707 (видео)

Выжимаем максимум из Aston Martin DBX707

4x4 Club
Тебя обманули: эти звезды играли влюбленных в кино, но ненавидели друг друга в жизни Тебя обманули: эти звезды играли влюбленных в кино, но ненавидели друг друга в жизни

Оказывается, эти актеры за кадром терпеть друг друга не могли

VOICE
«Только когда я сам превратился в букашку, я понял, почему разглядывал природу» «Только когда я сам превратился в букашку, я понял, почему разглядывал природу»

Михаил Пришвин о людях, зверях и обществе

Weekend
«Империя света» Сэма Мендеса — главный кинопровал 2023 года. Как так вышло? «Империя света» Сэма Мендеса — главный кинопровал 2023 года. Как так вышло?

«Империя света» — ретро-мелодрама, ставшая не событием, а разочарованием

Правила жизни
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
«Универсальная линейка»: подход к оценке социального воздействия глобальной сети импакт-инвесторов | Universal milestone: the global impact investing network’s approach to assessing social impact «Универсальная линейка»: подход к оценке социального воздействия глобальной сети импакт-инвесторов | Universal milestone: the global impact investing network’s approach to assessing social impact

Методика оценки социально-экономического воздействия некоммерческих проектов

Позитивные изменения
Дух места Дух места

Квартира в дореволюционном доме, в которой соединились традиции и современность

SALON-Interior
Так могут только люди и шимпанзе: дикие какаду показали незаурядный интеллект в опыте с кешью Так могут только люди и шимпанзе: дикие какаду показали незаурядный интеллект в опыте с кешью

Какаду отличаются умом и сообразительностью от многих других сородичей

Вокруг света
Горячий прием: 10 самых теплых городов России Горячий прием: 10 самых теплых городов России

За мягким климатом стоит отправиться в южные регионы страны

Вокруг света
«Только встала, уже устала»: почему мы не высыпаемся и как это исправить «Только встала, уже устала»: почему мы не высыпаемся и как это исправить

Что довольно часто скрывается за плохим качеством сна?

Psychologies
В глубину души В глубину души

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

Psychologies
Неправильная феминистка: как писательница Колетт пыталась придумать сильную героиню Неправильная феминистка: как писательница Колетт пыталась придумать сильную героиню

Отрывок из книги «Прощай, грусть!» — переосмысление французской классики

Forbes
Посмотрите на удивительные фотографии золотоискателей США из 19 века! Посмотрите на удивительные фотографии золотоискателей США из 19 века!

Все слышали про знаменитую «золотую лихорадку» в Америке. Вот как она выглядела

ТехИнсайдер
Источником темной энергии могут быть черные дыры Источником темной энергии могут быть черные дыры

К картине Вселенной не нужно добавлять нового, чтобы объяснить темную энергию

ТехИнсайдер
Женские дуэли: как дамы вызывали друг друга на поединки и почему их схватки были более жестокие и кровавые, чем мужские Женские дуэли: как дамы вызывали друг друга на поединки и почему их схватки были более жестокие и кровавые, чем мужские

Женщины тоже были не прочь посостязаться друг с другом

ТехИнсайдер
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
Спасти Европу Спасти Европу

Алейда Ассман обсуждает будущее демократии в условиях национализма

Эксперт
Открыть в приложении