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.
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.
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.
Существует огромный класс ферментов, именуемых сериновыми гидролазами. Эти ферменты гидролизуют жиры (такие энзимы называются липазами) или белки (их называют протеазами). Боковой радикал серина — полярный, содержит гидроксильную группу, способную катализировать реакции гидролиза. А удачное размещение остатка серина в активном центре фермента в окружении других полярных аминокислот (например гистидина) наделяет его поистине необыкновенной каталитической активностью. Одна из самых известных сериновых протеаз — бычий трипсин. Остаток серина в активном центре фермента катализирует гидролиз пептидных связей. Трипсин вырабатывается в поджелудочной железе и содержится в желудочном соке. Препараты на его основе применяются в медицине и в научных целях. Но они сохраняют активность непродолжительное время: трипсин быстро «переваривает» сам себя. Кстати, токсичность фосфорорганических соединений, таких, как боевое отравляющее вещество зарин, обусловлена их способностью образовывать сложные эфиры с гидроксильной группой серина и подавлять активность сериновых гидролаз.
Серин и близкий к нему по структуре треонин участвуют в важнейшем для организма процессе гликолизирования* протео-гликанов — сложных белков с боковыми цепочками углеводов (олигосахаридов). Эти белки играют роль межтканевых прослоек, служат смазочным материалом в суставах, к ним относятся и слизи — биополимеры, покрывающие поверхности внутренних органов, а также наружные покровы некоторых животных (земноводных, миксиновых, слизней).
Среди производных серина есть не только белки. Возьмём, например, энтеробактин — вещество, выделяемое микроорганизмами и способное связывать ионы железа. Цикл в центре молекулы энтеробактина представляет собой лактон**, образованный тремя молекулами серина. Сродство к железу у этого соединения самое высокое среди известных: энтеробактин, оставленный открытым на воздухе, «ловит» железо из атмосферы! Вещества, подобные энтеробактину, называются «сидерофоры». Бактерии и грибы вырабатывают их, чтобы лучше усваивать ценный элемент железо из окружающей среды, а если бактерии патогенные — из тканей организма.
Серин входит в состав уникальных липидов — фосфатидилсеринов, компонентов внутреннего слоя клеточной мембраны. Кроме того, из него синтезируются сфинголипиды, которые играют важную роль в передаче клеточного сигнала и в клеточном распознавании. Оба класса липидов накапливаются в центральной нервной системе. Некоторые исследования доказывают, что фосфатидилсерины улучшают работу мозга и снижают риск деменции у человека.
Если говорить о роли аминокислоты тирозин в биосфере Земли, то она ничуть не меньше, чем у серина. Тирозин — предшественник целого ряда биологически активных веществ. Например В-эндорфина — одного из пептидов гипоталамуса человека. Остатки тирозина в нём отвечают за связывание с опиоидными рецепторами. Эндорфины и энкефалины содержат тирозин и отвечают за настроение. Алкалоид морфин из снотворного мака имитирует структуру этих пептидов, на этом основано его обезболивающее и психоактивное действие. Сходство структур не случайно: морфин в клетках мака тоже синтезируется из тирозина. Из него же синтезируются адреналин и норадреналин — гормоны стресса.
Разнообразие производных тирозина в живой природе очень велико. Интересны такие производные, как гормоны щитовидной железы — трийодтиронин и тетрайодтиронин (тироксин). Это един-ственные галогенорганические вещества, синтезируемые организмом позвоночных животных. Они содержат йод и необходимы для нормального развития и жизнедеятельности абсолютно всех представителей типа хордовых, включая людей. При этом многие наземные позвоночные испытывают его дефицит. Недостаток йода (и, следовательно, тироксина) в детском возрасте приводит к тяжелейшему заболеванию кретинизм. Для взрослого человека нехватка йода не так страшна, но тоже ведёт к серьёзным нарушениям обмена веществ, равно как избыток тироидных гормонов при гиперфункции щитовидной железы. Вообще, потребность всех позвоночных в йоде — элементе, накапливающемся в морской воде, — ещё одно доказательство того, что они возникли около 600 млн лет назад именно в море или даже в открытом океане.
Одно из наиболее значимых производных тирозина — компонент древесины лигнин. У большинства растений он синтезируется из другой ароматической кислоты, фенилаланина. От тирозина он отличается отсутствием фенольного гидроксила. Однако недавно стало известно, что тирозин является предшественником лигнина у некоторых злаков, например трахинии двухколосковой (Brachypodium distachyon) — модельного организма в ряде научных исследований. (Кстати, именно лигнин древесины стал предшест-венником современных месторождений каменного угля, в формировании которых сыграли роль анаэробные микроорганизмы.)
А продукты олигомеризации тирозина — ди- и тритирозины придают необычные свойства белку резилин. Этот белок, содержащийся в мышцах многих насекомых, обладает уникальной упругостью. Именно благодаря растяжениям и сжатиям резилина некоторые насекомые способны совершать прыжки на расстояние, в сотни раз превосходящее длину их тела, или махать крыльями с частотой сотни взмахов в секунду. Энергия отдачи резилина составляет 97%, а служит он на протяжении всей жизни насекомого, испытывая порой сотни миллионов сокращений.
После употребления сладкой, сахаристой пищи в печени и мышцах человека интенсивно вырабатывается гликоген — полисахарид, сходный с крахмалом. Это энергетический резерв организма. Затравкой синтеза гликогена выступает белок гликогенин. Рост же полисахаридных цепочек начинается с гидроксильных групп тирозина, входящих в состав этого белка.
К гидроксилам тирозина присоединяются первые молекулы глюкозы, из которой гликоген образуется и служит её резервом. В результате каждая гранула гликогена содержит в центре белковую молекулу гликогенина.
Обе аминокислоты — тирозин и серин — участвуют в регулировании уровня глюкозы в крови. Гормон инсулин в норме приводит к фосфорилированию* инсулинового рецептора по гидроксильной группе тирозина, активируя фермент тирозинкиназу инсулинового рецептора. Это запускает каскадный механизм снижения уровня глюкозы в крови. Однако при развитии патологии — резистентности к инсулину — фермент меняет активность и фосфорилирует остаток серина. Как след-ствие, рецептор перестаёт реагировать на инсулин и возникает инсулинонезависимый сахарный диабет второго типа.
Мы привели примеры функций двух веществ из числа типичных первичных метаболитов, которые присутствуют во всех без исключения живых организмах. Каждое из них можно представить как некий центр, от которого в разные стороны, подобно спицам колеса, расходятся метаболические пути. Пути биосинтеза серина и тирозина, без сомнения, очень древние и возникли на заре появления жизни. В ходе эволюции метаболизм этих аминокислот оброс всевозможными «пристроями», каждый из которых уникален для узкой таксономической группы**. Например, одно из простейших производных серина — токсичный и обладающий противотуберкулёзным действием антибиотик циклосерин — продуцируется несколькими видами бактерий стрептомицетов, распространённых повсеместно. В итоге мы видим гигантское разнообразие белков и низкомолекулярных метаболитов, зачастую служащих надёжными маркерами таксономической принадлежности. Химические вещества не эволюционируют. Но эволюционируют метаболические пути, поскольку находятся под контролем генома. Это позволяет из известных предшественников получать новые соединения. И они оказываются связанными генеалогическим родством с метаболитами, существовавшими раньше.
То обстоятельство, что всё бесконечное многообразие метаболических путей и вторичных метаболитов в природе берёт начало от нескольких веществ, имеет глубокий смысл, поскольку ведёт к упрощению и возрастанию надёжности живых молекулярных машин. Если бы каждый метаболический путь в клетке требовал своей собственной исходной молекулы, никакой, даже самый гигантский геном не справился бы с хранением соответствующего объёма информации. Поэтому универсальность первичных метаболитов — важнейшее свойство жизни, ведущее к экономии размера генома, к избеганию излишней сложности живого организма.
0
210.00
