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
Слава богу, ты вернулся: знаменитости, чья карьера возродилась Слава богу, ты вернулся: знаменитости, чья карьера возродилась

Артисты, доказавшие, что при желании и упорстве можно вернуть себе славу

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

Взглянем на рекомендации в области здравоохранения с точки зрения науки

ТехИнсайдер
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Русский Кортес Русский Кортес

Как проходил сибирский поход Ермака

Дилетант
Лучшие после белых Лучшие после белых

Почему грибники так любят подосиновики и подберёзовики?

Наука и жизнь
Не лень, а неправильная мотивация: как научиться добиваться своих целей Не лень, а неправильная мотивация: как научиться добиваться своих целей

Главная причина лени и прокрастинации – в плохой мотивации и отсутствии стимула

VOICE
Жизнь животных Митихи Ромацуоки Жизнь животных Митихи Ромацуоки

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

ТехИнсайдер
«Зеркальные нейроны» срабатывают во время мышиных схваток «Зеркальные нейроны» срабатывают во время мышиных схваток

«Зеркальные нейроны» могут формировать сложное социальное поведение

ТехИнсайдер
Как искусственный интеллект ищет в космосе сигналы иных цивилизаций и что ему уже удалось обнаружить Как искусственный интеллект ищет в космосе сигналы иных цивилизаций и что ему уже удалось обнаружить

Ученые научили машинный алгоритм искать следы внеземных цивилизаций

ТехИнсайдер
Сколлапсировавшая нейтронная звезда породила взрыв в форме идеальной сферы, повергнув в шок все научное сообщество Сколлапсировавшая нейтронная звезда породила взрыв в форме идеальной сферы, повергнув в шок все научное сообщество

Колоссальный взрыв получил форму, близкую к совершенной

ТехИнсайдер
Покупка подержанного Nissan X-Trail (Т32) Покупка подержанного Nissan X-Trail (Т32)

Автомобиль, который в буквальном смысле возродил Nissan

4x4 Club
Ходьба — самое полезное упражнение, но почему? Ходьба — самое полезное упражнение, но почему?

Ходьба это нечто большее, чем просто передвижение

ТехИнсайдер
«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
«Мне все равно»: 3 фразы, которые нельзя говорить партнеру, — мнение психоаналитика «Мне все равно»: 3 фразы, которые нельзя говорить партнеру, — мнение психоаналитика

Некоторые фразы могут быть не так безобидны, как кажется

Psychologies
Пополнившийся Пополнившийся

Exeed LX получил привод на все колеса

Автопилот
Вулканы, которых не было Вулканы, которых не было

Самые знаменитые выдуманные вулканы

Вокруг света
Будем ли мы вместе? Будем ли мы вместе?

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

Psychologies
Как продлить срок жизни смартфона: подборка неочевидных советов Как продлить срок жизни смартфона: подборка неочевидных советов

Что советую делать эксперты, чтобы твой телефон прослужил как можно дольше

Maxim
Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами

Как выбрать лучший мед среди множества разновидностей?

Лиза
Если коллегу травят: как решаются моральные дилеммы на работе Если коллегу травят: как решаются моральные дилеммы на работе

Отрывок из книги Сьюзан Лиото «Сила этики»

Forbes
Понравится ли тебе жизнь в Португалии: плюсы и минусы страны глазами россиян Понравится ли тебе жизнь в Португалии: плюсы и минусы страны глазами россиян

Хочешь узнать, какова сейчас у россиян жизнь в Португалии?

VOICE
«Я не фанат супергеройских историй»: Лиам Нисон о боевиках и своем актерском методе «Я не фанат супергеройских историй»: Лиам Нисон о боевиках и своем актерском методе

Лиам Нисон — о съемках и ирландском кино

Forbes
Как получить международные водительские права: инструкция для тех, кто привык путешествовать на машине Как получить международные водительские права: инструкция для тех, кто привык путешествовать на машине

Разбираемся, где получить МВУ в России и какие документы для этого необходимы

ТехИнсайдер
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
Защита от старения и успех в переговорах: 5 причин носить очки Защита от старения и успех в переговорах: 5 причин носить очки

Как очки меняют нашу внешность в лучшую сторону?

Psychologies
Трудности переводов Трудности переводов

Как россиянам за границей получить доступ к своим средствам

Деньги
В чем смысл жизни? Нейросеть ответила на 10 самых главных вопросов мироздания В чем смысл жизни? Нейросеть ответила на 10 самых главных вопросов мироздания

Вот что получилось: вопросы — наши, ответы — нейросети

Вокруг света
От «Тайной вечери» до виноградника: история палаццо, в котором жил Леонардо да Винчи От «Тайной вечери» до виноградника: история палаццо, в котором жил Леонардо да Винчи

История легендарного палаццо «Дом Ателлани», в котором жил Леонардо да Винчи

Forbes
Открыть в приложении