Биостатические эффекты тяжёлой воды в био объектах
Биостатические эффекты тяжёлой воды в био объектах
О. В. МОСИН, Д.А. СКЛАДНЕВ, В.И. ШВЕЦ.
Столичная муниципальная академия узкой хим технологии им. М.В. Ломоносова, 117571, Москва, просп. Вернадского, д. 86.
Изотоп водорода дейтерий, содержащий в своём ядре один нейтрон, распространённый в природе (природная распространённость дейтерия составляет 0.015%) в виде тяжёлой воды, был открыт в 1939 году.
Сходу после открытия этого изотопа учёные начали проводить исследования связанные с ростом клеток на тяжёлой воде, которые привели их к внезапным результатам. Тяжёлая вода отличается от обыкновенной воды молекулярной массой. В молекуле тяжёлой воды в отличие от обыкновенной воды заместо 2-ух атомов водорода, связанных ковалентной связью с атомом кислорода в молекуле эти два атома водорода замещены на дейтерий. Основной вывод, изготовленный учёными был такой — наибольшие концентрации тяжёлой воды несовместимы с жизнью и приводят к смерти клеточки.
Тяжёлая вода ингибирует жизненно-важные функции роста и развития многих микробов [1]. Некие бактерии выносят 70%-ную и выше концентрацию тяжёлой воды в среде [2], в то время как растительные клеточки могут нормально развиваться при концентрациях тяжёлой воды менее 50-75% [3], а клеточки животных менее 35% тяжёлой воды [4]. Но, потом было показано, что невзирая на биостатический эффект тяжёлой воды на клеточку, многие клеточки микробов, растений и животных могут быть приспособлены к тяжёлой воде.
Какова же природа этого увлекательного био парадокса — адаптации клеточки к тяжёлой воде и какова роль на биологическом уровне принципиальным макромолекул-белков и дезоксирибонуклеиновых кислот в этом процессе?
В процессе роста клеток на тяжёлой воде в их синтезируются макромолекулы, в каких атомы водорода в углеродном скелете стопроцентно замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают адаптационные модификации, нужные для обычного функционирования клеточки в тяжёлой воде. Но эти конфигурации не единственны; физиология, морфология, цитология клеточки, также генетический аппарат клеточки также подвергается воздействию и модификации в тяжёлой воде.
Присутствие дейтерия в био системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и белки. При всем этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия зависимо от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле.
Более необходимыми для структуры макромолекулы связи являются водородные (дейтериевые) связи. Они формируются меж примыкающими атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и т.д. и играют главную роль в определении структуры макромолекулярных цепей и как эти структуры ведут взаимодействие с другими примыкающими макромолекулярными структурами, также с тяжеленной аква среды.
Другое принципиальное свойство определяется самой пространственной структурой тяжёлой воды, которая имеет тенденцию сближать гидрофобные группы макромолекулы, чтоб минимизировать их эффект на водородную (дейтериевую) связь в присутствии молекул тяжёлой воды.
Конформация двойной спирали макромолекулы ДНК и макромолекул белков меняются в присутствии тяжёлой воды так, чтоб макромолекулы обыденных белков, помещённые в томную воду имеют более устойчивую пространственную структуру за счёт вторичных изотопных эффектов тяжёлой воды [1]. Возможно, вот поэтому тяжёлая вода проявляет стабилизирующий эффект на пространственную структуру спирали макромолекул средством формирования бессчетных непостоянных маложивущих легкообмениваемых на водород (дейтерий) водородных связей с карбоксильными, карбонильными, гидроксильными, сульфидными и амино группами макромолекул. В то время как ковалентные связи атома дейтерия с водородом С-2Н могут синтезироваться в молекулах только de nоvo, т.е. в процессе биосинтеза. И эти связи приводят к дестабилизации дейтерированных молекул.
Суровое изменение в биохимии клеточки связано в её возможности делиться в присутствии тяжёлой воды. Тяжёлая вода замедляет скорость деления клеточки (митоз) в стадии профазы и в особенности этот эффект выражен для стремительно делящихся клеток. Этот эффект пропорционален концентрации тяжёлой воды в среде [2].
Способность к адаптации к тяжёлой воде у различных родов и видов микробов разная и может разнообразить в границах таксономической группы [3]. По-видимому, адаптация к тяжёлой воде определяется как таксономической спецификой организмов, так и особенностями их метаболизма, функционированием разных путей ассимиляции субстратов, также эволюционной нисшей, которую занимает исследуемый объект. При всем этом чем ниже уровень эволюционного развития организма, тем лучше он адаптируется к присутствию дейтерия в среде. Для всех организмов рост на тяжёлой воде сопровождался понижением ростовых черт [4-7].
По-видимому, адаптация к тяжёлой воде является фенотипическим явлением, так как приспособленные к тяжеленной воде клеточки ворачиваются к нормальному росту в средах с обыкновенной водой после некого лаг-периода. Метаболизм приспособленных клеток не претерпевает существенных конфигураций в тяжёлой воде. В то же время эффект обратимости роста на водно/тяжёловодородных средах на теоретическом уровне не исключает способности того, что этот признак размеренно сохраняется при росте в воде, но маскируется при переносе клеток на тяжёлую воду.
Суровое изменение в биохимии клеточки связано в её возможности делиться в присутствии тяжёлой воды. Тяжёлая вода замедляет скорость деления клеточки (митоз) в стадии профазы и в особенности этот эффект выражен для стремительно делящихся клеток. Этот эффект пропорционален концентрации тяжёлой воды в среде [8] .
При росте клеток на тяжёлой воде играет немаловажную роль состав среды выкармливания. При всем этом не исключено, что при проведении адаптации на малых средах, содержащих тяжёлую воду образуются формы микробов, ауксотрофные по определенным ростовым факторам, к примеру аминокислотам, и вследствие этого бактериальный рост ингибируется.. Может быть потому разъясняется тот факт, что адаптация к тяжёлой воде происходит идеальнее всего на всеохватывающих средах, содержащих широкий набор ростовых причин и аминокислот, компенсирующих потребность микробов в этих соединениях.
Можно представить, что клеточка реализует лабильные адаптивные механизмы, которые содействуют многофункциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде. Так, к примеру, нормальному биосинтезу и функционированию в тяжёлой воде таких на биологическом уровне активных соединений, как нуклеиновые кислоты и белки содействует поддержание их структуры средством формирования водородных (дейтериевых) связей в молекулах. Связи, сформированные атомами дейтерия различаются по прочности и энергии от подобных водородных связей. Различия в нуклеарной массе атома водорода и дейтерия косвенно могут служить предпосылкой различий в синтезах нуклеиновых кислот, которые могут приводить в свою очередь к структурным различиям и, как следует, к многофункциональным изменениям в клеточке.
Ферментативные функции и структура синтезируемых белков также меняются при росте клеток на тяжёлой воде, что может отразиться на процессах метаболизма и деления клеточки. Некие исследователи докладывают, что после оборотного изотопного (1Н-2H)-обмена ферменты не прекращают собственной функции, но конфигурации в итоге изотопного замещения за счет первичного и вторичного изотопных эффектов, также действие тяжёлой воды как растворителя (большая структурированность и вязкость по сопоставлению с обыкновенной водой) приводили к изменению скоростей и специфики ферментативных реакций в тяжёлой воде [9-10].
Клеточки животных, выращенные на 30%-ной тяжёлой воде содержали больше липидов, чем клеточки приобретенные при росте на обыкновенной воде [2]. Клеточки, приобретенные на тяжёлой воде содержат больше сквалена, стирольных эфиров, триглицеридов жирных кислот и нейтральных жиров, чем клеточки выращенные на обыкновенной воде. Но самым увлекательным явлением было то, что дейтерированные клеточки, приобретенные с тяжёлой воды были более устойчивы к действию радиации, чем обыденные клеточки.
Структурно-динамические характеристики клеточной мембраны, которые в большинстве зависят от высококачественного и количественного состава липидов, также могут изменяться в присутствии тяжёлой воды. Так, сравнительный анализ липидного состава дейтерированных клеток B. subtilis, приобретенных при росте на тяжёлой воде показал различия в количественном составе мембранных липидов по сопоставлению с обыкновенной водой (набросок). Броско, что в образчике приобретенном с тяжёлой воды соединения, имеющие времена удерживания — 33.38; 33.74 и 33.2 мин не детектируются (набросок 1). Приобретенный итог, по видимому, разъясняется тем, что клеточная мембрана является одной из первых органелл клеточки, которая испытывает воздействие тяжёлой воды, и тем компенсирует реалогические характеристики мембраны (вязкость, текучесть, структурированность) конфигурацией количественного состава липидов.
Набросок. Липидные профили микробов B. subtilis, приобретенные на обыкновенной (а) и тяжёлой воде (б): Анализ проводили на хроматографе Beckman Gold Systems (США); сорбент: Ultrasphere ODS 5 мкм; 4.6×250 мм; элюент: линейный градиент 5 мМ бисульфат калия-ацетонитрил; 100 об.% в течении 50 мин; скорость элюции: 0.5 мл/мин; детекция при длине волны 210 нм.
В общих чертах, при попадании клеточки в дейтерированную среду из неё не только лишь исчезает протонированная вода за счет реакции обмена вода-тяжёлая вода, да и происходит очень резвый изотопный (1Н-2H)-обмен в гидроксильных, карбоксильных, сульфгидрильных и аминогруппах всех органических соединений, включая нуклеиновые кислоты, липиды, белки и сахара. Понятно, что в этих критериях только С-Н связь не подвергается изотопному обмену и вследствие этого только соединения со связями типа С-2H могут синтезироваться de novo [11].
Не считая вышеобозначенных эффектов, вероятное изменение соотношения главных метаболитов в процессе адаптации к тяжеленной воде также может плохо сказываться на рост клеточки.
Также не исключено, что эффекты, наблюдаемые при адаптации к тяжёлой воде связаны с образованием в тяжёлой воде конформаций молекул с другими структурно-динамическими качествами, чем конформаций, образованных с ролью водорода, и потому имеющих другую активность и био характеристики. Так, по теории абсолютных скоростей разрыв С2H-связей может происходить резвее, чем СH-связей, подвижность иона 2H+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды несколько меньше константы ионизации обыкновенной воды [12].
Суммируя приобретенные данные, можно прийти к выводу, что чувствительности разных клеточных систем к тяжёлой воде отличны. С физиологической точки зрения, более чувствительными к подмене Н+ на 2H+ возможно окажутся аппарат биосинтеза макромолекул и дыхательная цепь, т. е., конкретно те клеточные системы, которые употребляют высшую подвижность протонов и высшую скорость разрыва водородных связей.
Перечень литературы:
1. Crespi H. L. Biosynthesis and uses of per-deuterated proteins. in: Synt. and Appl. of Isot. Label. Compd. // Ed. R. R. Muccino. — Elsevier. — Amsterdam, 1986 — P. 111-112.
2. Katz J, Crespi H.L. // Pure Appl. Chem. — 1972. — V.32. — P. 221-250.
3. Daboll H. F., Crespi H. L., Katz J. J. // Biotechnology and Bioengineering. — 1962. — V. 4. — P. 281-297.
4. Мосин О. В., Карнаухова Е. Н., Пшеничникова А. Б., Складнев Д. А., Акимова О. Л. // Биотехнология. — 1993. — N 9. — С. 16-20.
5. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 3. — С. 3-12.
6. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 4. — С. 27-35.
6. Складнев Д. А., Мосин О. В., Егорова Т. А., Ерёмин С. В., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 5. — С. 25-34.
7. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Швец В. И. // Биоорганическая химия. — 1996. — Т. 22. — N 10-11. — С. 856-869.
8. 4. Crespy H. L. Stable Isotopes in the Life Sciences. — International atomic energy agency. — Vienna. — 1977. — P. 111-121.
9. Barksdale A. D., Rosenberg A. // Methods Biochem. Anal. — 1982. — V. 28. — P. 1-25.
10. Tuchsen E., Woodward C. K. // J. Mol. Biol. — 1985. — V. 185. — P. 421-430.
11. Perrin C. L., Arrhenius G. M. L. // J. Am. Chem. Soc. — 1982. — V. 104. — P. 6693-6699.
12. Covington A. K., Robinson R. A., Bates R. G. // J. Phys. Chem. — 1966. — V. 70. — P. 3820-3829