О роли дейтерия в молекулярной эволюции
О роли дейтерия в молекулярной эволюции
Учёные считают, что Вселенная, сформировавшаяся в итоге “Огромного взрыва” несколько 10-ов млрд лет тому вспять, была существенно горячее и плотнее, чем на данный момент и состояла, в главном, из 2-ух частей – водорода и гелия. Дейтерий сформировался в следующие мгновения эволюции Вселенной в итоге столкновения свободного нейтрона и протона при температурах миллион градусов Цельсия. А ещё позднее два атома дейтерия сформировали дейтерон и вошли в состав в ядро гелия, который состоит из 2-ух протонов и 2-ух нейтронов.
Таким макаром, дейтерий может служить типичным индикатором эволюции Вселенной, так как количество дейтерия в мире повсевременно. Прямо до реального времени числилось, что в процессе формирования гелия израсходовались практически все дейтероны, и только 10 тыщ дейтеронов остались неизрасходованными. Исходя из этого количества дейтерия в мире, природная распространённость дейтерия составляла по расчётам менее 0.015% (от общего числа всех атомов водорода) .
Совершенно не так давно проводя наблюдения Млечного Пути, южноамериканские учёные нашли что дейтерия — тяжёлого водорода – содержится в нём существенно больше, чем об этом гласили данные прошлых исследовательских работ. По воззрению астролога Джеффри Лински (Jeffrey L. Linsky) из института Колорадо (University of Colorado), управляющего исследованием, эта новенькая информация может конструктивным образом поменять теоретические положения о формировании звёзд и галактик.
Тяжёлый водород «скрывался» от телескопов за скоплениями межзвёздной пыли и нередко был недоступен для наблюдений в силу собственной непрозрачности.
Астрологи использовали данные ультрафиолетового телескопа FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer). Дейтерий создаёт свойственное свечение в ультрафиолетовом спектре, с помощью которого рассмотреть тяжёлый водород удалось конкретно при помощи FUSE.
По сей день числилось, что природная распространённость дейтерия составляет менее 0.015% (от общего числа всех атомов водорода). Это количество зависит как от природы вещества, так и от полного количества материи, сформированной в процессе эволюции Вселенной. Сейчас разумеется, что дейтерия в природе намного больше, чем предполагалось преждевременное.
Но с чем это может быть связано? Источником дейтерия во Вселенной являются вспышки сверхновых и термоядерные процессы, идущие снутри звёзд. Может быть этим разъясняется тот факт, что мировое количество дейтерия увеличивается в период глобальных потеплений и конфигураций климата. Но дейтерий достаточно стремительно разрушается в этих звёздах.
Дело в том, что вместе с водородом в 1-ые мгновения после Огромного взрыва образовалось и неограниченное количество его изотопа дейтерия. Исходя из прошлых наблюдений, учёные постановили, что больше трети сначало образованного дейтерия потратилось на создание звёзд. Но, оказывается, что дейтерия в Млечном Пути намного больше, чем подразумевали ранее. А именно, на звездообразование потрачена не третья часть, а всего 15% изотопа и он распределён неравномерно.
А именно, эти данные могут гласить о том, что для формирования звёзд требовалось существенно меньше водорода, превратившегося потом в гелий. Так же это возможно окажется значимым основанием для пересмотра теории эволюции галактик и звёзд.
Если это так, то нужно также пересмотреть теорию молекулярной эволюции и эволюции жизни на нашей планетке, так как жизнь впрямую связана с водой и зарождалась в ней. Но была ли это рядовая вода? Ещё 10 лет тому вспять создатель этой статьи, будучи аспирантом Столичной гос академии узкой хим технологии им. М. В. Ломоносова в группе академика РАМН В. И. Швеца выдвинул смелое предположение, что первичный “первобытный бульон”, в каком зарождалась жизнь в виде первых коорцерватов, был насыщен тяжёлой водой вследствии того, что в атмосфере Земли не было защитного озонового слоя и вулканические геотермальные и электронные процессы в жаркой атмосфере, насыщенной водой могли привести к обогащению гидросферы тяжёлой водой. Но тогда не достаточно кто из учёных увлёкся этой мыслью, хоть и впрямую никто не отвёрг её. И только на данный момент стало естественным, что учёные третировали дейтерием в собственных расчётах.
Если это так, то нужно поновой пересмотреть эволюцию всего живого на нашей планетке, чтоб смоделировать и предсказать дейтерированные формы жизни. Тем паче, что их можно просто сделать в современных критериях – макромолекулы ДНК, белков, липидов и сахаров – вот те главные составляющие для конструирования дейтерированных мембран и исследования гидрофобных взаимодействий меж дейтерированными молекулами. Отдельный вопрос – генетика дейтерированных клеток и исследование рассредотачивания наследного аппарата, также физиология, цитология и морфология клеточки при росте на тяжёлой воде.
Модели дейтерированных систем достаточно просто предсказывать и конструировать в лабораторных критериях. Нами были получены приспособленные к тяжёлой воде штаммы микробов, относящиеся к разным таксономическим группам. Соответствующей особенностью объектов являлось то, что весь био материал клеточки заместо природного водорода содержал дейтерий.
Дейтерированные клеточки приспособленных к предельной концентрации тяжёлой воды в среде – очень комфортные объекты для исследования. 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 структурно-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. 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 углеродом 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.
Возможно, 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.
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.
Может быть 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. 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.
Учёным предстоит ещё много работы в этом направлении. Но 1-ый шаг уже изготовлен — мы научились получать клеточки разных микробов, приспособленные к росту на наибольшей тяжёлой воде, которые будучи стопроцентно дейтерированными являются уникальными объектами для исследования молекулярной эволюции.
О.Мосин
Литература.
1. Мосин О. В., Карнаухова Е. Н., Пшеничникова А. Б., Складнев Д. А., Акимова О. Л. // Биотехнология. — 1993. — N 9. — С. 16-20.
2. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 3. — С. 3-12.
3. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 4. — С. 27-35.
4. Складнев Д. А., Мосин О. В., Егорова Т. А., Ерёмин С. В., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 5. — С. 25-34.
5. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Швец В. И. // Биоорганическая химия. — 1996. — Т. 22. — N 10-11. — С. 856-869.