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

Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

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

Наука и жизнь
6 моделей обуви, которые девушки со вкусом никогда в жизни не наденут 6 моделей обуви, которые девушки со вкусом никогда в жизни не наденут

"Неблагонадежная" обувь, которой точно не стоит занимать место в твоем гардеробе

VOICE
Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
Зельфира Трегулова: главные выставки и итоги работы в Третьяковской галерее Зельфира Трегулова: главные выставки и итоги работы в Третьяковской галерее

Главные проекты, созданные в Третьяковке под руководством Зельфиры Трегуловой

Forbes
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
«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
Откуда взошла Луна Откуда взошла Луна

Астрономы давно ломают голову над происхождением Луны

Вокруг света
Москва vs Петербург: краткая история пончика и пышки Москва vs Петербург: краткая история пончика и пышки

Чем отличается вкус пышек и пончиков?

СНОБ
Анна Ковальчук: «Убедилась, что для меня настоящий новогодний праздник возможен только дома» Анна Ковальчук: «Убедилась, что для меня настоящий новогодний праздник возможен только дома»

По-моему, театр — это детский сад для взрослых

Коллекция. Караван историй
Школа Будущего Школа Будущего

Есть ли в Школе Будущего место для развития soft skills?

Позитивные изменения
«Новый этикет»: что сейчас нельзя делать на первом свидании «Новый этикет»: что сейчас нельзя делать на первом свидании

Давно не была на свиданиях? Хочешь чувствовать себя увереннее?

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

«Зеркальные нейроны» могут формировать сложное социальное поведение

ТехИнсайдер
Заправочный пистолет АЗС оказался значительно грязнее, чем зарядное устройство электромобилей Заправочный пистолет АЗС оказался значительно грязнее, чем зарядное устройство электромобилей

Общественные зарядные станции чище, чем бензоколонки. И вот как это выяснилось.

4x4 Club
8 школьных знаний, которые не пригождаются никогда в жизни 8 школьных знаний, которые не пригождаются никогда в жизни

Признайся, хоть раз тебе спасло жизнь умение отличить ямб от хорея?

Maxim
Донато Карризи: «Дом без воспоминаний». Ключ к затерянной комнате Донато Карризи: «Дом без воспоминаний». Ключ к затерянной комнате

Отрывок из романа о флорентийском психологе-гипнотерапевте Пьетро Джербере

СНОБ
«Утечка мозгов»: как дети делают нас глупее, но добрее «Утечка мозгов»: как дети делают нас глупее, но добрее

Что меняется в голове у мам, пап и бабушек и почему после рождения ребенка?

СНОБ
Из лондонского политолога — в российского повара: откровенная история о поиске себя Из лондонского политолога — в российского повара: откровенная история о поиске себя

Вдохновляющая история от нашей героини, как изменить свою профессиональную жизнь

Psychologies
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
Эко-сталь: ученые нашли способ сделать Эко-сталь: ученые нашли способ сделать

Эта система обещает сократить выбросы углекислого газа сталелитейных заводов

ТехИнсайдер
«Сын», которого не спас Хью Джекман: почему не удалась драма режиссера Зеллера «Сын», которого не спас Хью Джекман: почему не удалась драма режиссера Зеллера

Почему Зеллеру не удалось повторить успех предыдущего фильма

Forbes
Ученые из Нидерландов: у жадных людей больше денег, но меньше детей и короче отношения Ученые из Нидерландов: у жадных людей больше денег, но меньше детей и короче отношения

Жадные люди, как правило, имеют высокие доходы, но низкую удовлетворенность

Inc.
«Я придумала авантюру на нудистском пляже»: Яна Гладких раскрыла секреты съемок сериала «Хочу не могу!» «Я придумала авантюру на нудистском пляже»: Яна Гладких раскрыла секреты съемок сериала «Хочу не могу!»

Режиссер Яна Гладких рассказала, как хулиганила и получала от этого удовольствие

VOICE
10 вещей, которые мужчины никогда не поймут в женщинах 10 вещей, которые мужчины никогда не поймут в женщинах

Особенности женского поведения, которые мужчины не поймут

Maxim
Топ-5 упражнений на выносливость Топ-5 упражнений на выносливость

Эти упражнения стоит освоить каждому!

Лиза
Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха

Извлечение парниковых газов из воды — идея, звучащая странно

ТехИнсайдер
Бегство и соблазны: почему подростки начинают употреблять наркотики. 10 главных причин Бегство и соблазны: почему подростки начинают употреблять наркотики. 10 главных причин

Какие внешние факторы сказываются на формировании зависимости у подростков?

Psychologies
Как правильно готовить блины — рассказывают шефы московских ресторанов Как правильно готовить блины — рассказывают шефы московских ресторанов

Как же все-таки стоит готовить главный русский фастфуд?

Правила жизни
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
Андрей Шапенко: «Волшебный сундук и каменная принцесса». Отрывок для чтения с детьми Андрей Шапенко: «Волшебный сундук и каменная принцесса». Отрывок для чтения с детьми

Отрывок из современной классической сказки Андрея Шапенко про двух сестер

СНОБ
Что делать при землетрясении: ответы на 5 самых важных вопросов Что делать при землетрясении: ответы на 5 самых важных вопросов

Нужно ли стоять в дверном проеме или выбегать из здания при землетрясении?

Maxim
Открыть в приложении