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

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
Риск ради успеха: почему не нужно бояться ошибок, чтобы достичь результатов Риск ради успеха: почему не нужно бояться ошибок, чтобы достичь результатов

Отрывок из книги «Открытый интеллект»

Forbes
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
«Женщина становится более сексуальной»: как менопауза меняет жизнь — неочевидные преимущества «Женщина становится более сексуальной»: как менопауза меняет жизнь — неочевидные преимущества

Научный взгляд на вопрос секса после менопаузы от специалиста

Psychologies
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
Время фрагментации Время фрагментации

Мировая экономика разрушается, а не деглобализируется

Деньги
Вопрос-ответ Вопрос-ответ

Откуда взялась Луна, заразен ли рак и другие вопросы

Вокруг света
Как выглядели пирамиды Гизы на момент постройки: драгоценные камни Египта Как выглядели пирамиды Гизы на момент постройки: драгоценные камни Египта

На момент постройки пирамиды Гизы были покрыты блестящей осадочной породой

ТехИнсайдер
Невезучий Потёмкин Невезучий Потёмкин

Раз за разом портреты Якова Потёмкина называют чужими именами

Дилетант
Зачем мы дружим? Зачем мы дружим?

В чем смысл дружбы, как она строится и так ли она идеальна?

Psychologies
5 книг об устройстве Вселенной 5 книг об устройстве Вселенной

Книги о достижениях науки, астрофизики и сотворении Вселенной

СНОБ
Сериал «Одни из нас»: зомби-апокалипсис, который понравится не только фанатам игры Сериал «Одни из нас»: зомби-апокалипсис, который понравится не только фанатам игры

Благодаря отношениям между героями «Одни из нас» понравятся любому зрителю

Forbes
Что счастливые пары делают перед сном: 8 принципов — повторяйте каждый день Что счастливые пары делают перед сном: 8 принципов — повторяйте каждый день

Как сохранить эмоциональную близость с партнером?

Psychologies
Будь проще Будь проще

Вкусная еда необязательно должна быть сложной в приготовлении

Добрые советы
Сила слова Сила слова

Как мы сами себя программируем и почему желания нужно проговаривать вслух

Лиза
Чай, чай, выручай! Чай, чай, выручай!

Травяной чай ускоряет метаболизм, обладает очищающим действием

Лиза
Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит

Краткая история юбки от древности до наших дней

Вокруг света
Выводит из строя «иммунную полицию»: как соль берет под контроль процессы в организме и чем это грозит Выводит из строя «иммунную полицию»: как соль берет под контроль процессы в организме и чем это грозит

Есть больше пяти граммов соли в день может быть опасно, напомнили ученые

Вокруг света
Чипсы, пожарские котлеты и даже оливье: 9 продуктов, которые появились в нашей жизни по ошибке Чипсы, пожарские котлеты и даже оливье: 9 продуктов, которые появились в нашей жизни по ошибке

Мы могли бы и не узнать вкус этих любимых нами продуктов

VOICE
Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством

Как Меллоди Хобсон борется с расовой дискриминацией в корпоративном мире

Forbes
Гадания на Масленицу: как узнать все о любви, деньгах и будущем Гадания на Масленицу: как узнать все о любви, деньгах и будущем

Масленичная неделя – идеальное время для ритуалов и гаданий

VOICE
Худшие национальные блюда всех времен и народов Худшие национальные блюда всех времен и народов

Путеводитель по миру гурманов обновил свой рейтинг самой несъедобной еды

Maxim
Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США

Кейт Уорн — женская версия Шерлока Холмса, существовавшая на самом деле

Forbes
Почему в Азии предпочитают есть палочками? Ведь вилкой же удобней! Почему в Азии предпочитают есть палочками? Ведь вилкой же удобней!

Как появились палочки для еды?

ТехИнсайдер
«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
История одной песни: «Dancing Queen» ABBA, 1976 История одной песни: «Dancing Queen» ABBA, 1976

За эту песню ABBA Советский Союз 12 лет расплачивался овощами с нефтью

Maxim
Лечение без рецепта Лечение без рецепта

Может ли визуализация (представление чего-либо) влиять на наше самочувствие?

Добрые советы
Нэпманы и воры: какими изображали предпринимателей в советском кино Нэпманы и воры: какими изображали предпринимателей в советском кино

Cамые характерные советские фильмы на экономическую тему

Forbes
Выхода нет: что такое цугцванг и как из него выбраться Выхода нет: что такое цугцванг и как из него выбраться

Что такое цугцванг в общественной и личной жизни и как с ним справиться

Forbes
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
Открыть в приложении