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

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

ТехИнсайдер
Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
Врать будете? Врать будете?

Автор VOICE неделю говорила правду – и даже почти не устала

VOICE
Драма на Артезиане Драма на Артезиане

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

Наука и жизнь
Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах

Основатели компании Lucky Group — что делать, чтобы ваш ресторан был успешным

РБК
Сколько градусов в кефире, кумысе, квасе и безалкогольном пиве Сколько градусов в кефире, кумысе, квасе и безалкогольном пиве

Сколько надо выпить невинных напитков, чтобы получился эквивалент рюмки водки?

Maxim
Испытываете сожаление? Вот что поможет извлечь из него пользу Испытываете сожаление? Вот что поможет извлечь из него пользу

Сожалея о своих ошибках, очень важно суметь извлечь из них уроки

Psychologies
Генералы песчаных карьеров Генералы песчаных карьеров

Шагающие экскаваторы, или драглайны, – самые большие мобильные наземные машины

ТехИнсайдер
Живые мертвецы: может ли человек на самом деле заразиться зомбирующим грибком, как в сериале The Last of Us Живые мертвецы: может ли человек на самом деле заразиться зомбирующим грибком, как в сериале The Last of Us

Может ли паразитический грибок стать угрозой человечеству?

ТехИнсайдер
Слишком мечтательная феминистка: как Незихе Мухиддин боролась за равноправие в Турции Слишком мечтательная феминистка: как Незихе Мухиддин боролась за равноправие в Турции

Вспоминаем историю феминистки Незихе Мухиддин

Forbes
Излечение от излучения: как радиация влияет на человеческий организм Излечение от излучения: как радиация влияет на человеческий организм

О существовании ионизирующего излучения стало известно в конце XIX века

Вокруг света
9 факторов риска заболеваний сердца: проверьте себя 9 факторов риска заболеваний сердца: проверьте себя

Болезни сердца являются ведущей причиной смерти по всему миру

ТехИнсайдер
Любовь зла: как не позволить мошенникам разрушить вашу жизнь Любовь зла: как не позволить мошенникам разрушить вашу жизнь

Как онлайн-мошенники обманывают жертв с помощью приемов пикапа

Forbes
Закат Хаттусы Закат Хаттусы

Почему могущественные хетты покинули свою столицу

N+1
Владимир Меньшов: что осталось за кадром фильмов «Москва слезам не верит» и «Любовь и голуби» Владимир Меньшов: что осталось за кадром фильмов «Москва слезам не верит» и «Любовь и голуби»

И я тоже довольно быстро оказался в изоляции после «Москва слезам не верит»

Караван историй
Как накраситься на свидание: 5 лучших косметических средств Как накраситься на свидание: 5 лучших косметических средств

Как подготовиться к свиданию и, может быть, даже влюбиться. Как минимум, в себя

Psychologies
«Критикует и высмеивает»: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинить женщину «Критикует и высмеивает»: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинить женщину

«Вторая жена» Луизы Мэй: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинять себе

Forbes
«Не знаю, люблю ли я мужа»: 3 вопроса, чтобы проверить чувства, — попробуйте способ психолога «Не знаю, люблю ли я мужа»: 3 вопроса, чтобы проверить чувства, — попробуйте способ психолога

Как определить, что именно вы чувствуете к своему партнеру?

Psychologies
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
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
Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника

Как выбрать инвестиционного советника и на что обратить внимание?

Forbes
Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ

Почему даже у однояйцевых близнецов не бывает одинаковых отпечатков пальцев

ТехИнсайдер
7 нереалистичных ожиданий от здоровых отношений 7 нереалистичных ожиданий от здоровых отношений

Что такое «здоровые отношения»?

Psychologies
Факторы долголетия: почему некоторые люди живут дольше Факторы долголетия: почему некоторые люди живут дольше

Почему одни живут так долго, а другие — нет?

ТехИнсайдер
Плохие хорошие мысли Плохие хорошие мысли

Бывают случаи, когда от черных очков пользы больше, чем от розовых

Добрые советы
Подорожало все. Как за год изменилась стоимость владения автомобилем Подорожало все. Как за год изменилась стоимость владения автомобилем

Что еще изменилось с февраля для водителей при обслуживании машин

РБК
Как делали мумии. Ученые реконструировали методы древнеегипетской похоронной мастерской Как делали мумии. Ученые реконструировали методы древнеегипетской похоронной мастерской

Как была устроена мастерская бальзамировщика в Древнем Египте

ТехИнсайдер
«Песочницы» социальных инвестиций | «Sandboxes» for Social Investments «Песочницы» социальных инвестиций | «Sandboxes» for Social Investments

Как в мире развиваются проекты Social Impact Bonds

Позитивные изменения
Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй? Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй?

Какие же флегматики на самом деле и почему именно такие?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении