Парадокс клеточной адаптации к тяжёлой воде
Парадокс клеточной адаптации к тяжёлой воде
Одним из наинтереснейших био феноменов является способность неких микробов расти в искусственных критериях на средах, в каких все атомы протия изменены на дейтерий (О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В. И. Швец, 1996), хотя в природе этот изотоп составляет только 0,015%.
При попадании клеток в дейтерированную тяжёловодородную среду из их не только лишь исчезает протонированная вода за счет реакции обмена Н2О-D2О, да и происходит резвый H±D обмен в гидроксильных, сульфгидряльных и аминогруппах всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, сахара. Понятно, что только С—Н-связь не подвергается обмену и соединения типа С—D синтезируются «de по-vo» (Чиргадзе с соавт., 1967). Любопытно, что после обмена H±D ферменты не. прекращают собственной функции (Themson et al., 1966; Денько, 1974), но конфигурации в итоге изотопного замещения за счет первичного и вторичного изотопных эффектов (Thomson, 1963; Halevy, 1963), также действие тяжёлой воды как растворителя (большая структурированность и вязкость по сопоставлению с обыкновенной водой) приводят к изменению скоростей и специфики ферментативных реакций. Конфигурации соотношения главных метаболитов в процессе адаптации к тяжеловодородной среде нередко являются причинами смерти клеток. Так, к примеру, клеточки высших организмов гибнут при содержании тяжёлой воды в составе тела выше 30% (Денько, 1970), но мельчайшие организмы, просто приспосабливающиеся к резким изменениям сферы обитания, способны жить и плодиться даже в 100%-ной тяжёлой воды (Мосин О.В, 1996). Издавна увидено, что адаптация к тяжёлой воде проходит легче при постепенном увеличении содержания дейтерия в среде (Pratt a. Curry, 1938), потому что чувствительность к тяжёлой воде различных главных систем различна. Способность к адаптации в больших концентрациях тяжёлой воды связана с эволюционным уровнем организации, т. е. чем ниже уровень развития живого, тем выше способность к адаптации. Явление клеточной адаптации к тяжёлой воде любопытно не только лишь само по себе, но оно также позволяет получать уникальный био материал, очень удачный для решения ряда задач молекулярной организации клеточки при помощи способа ЯМР-спектроскопии.
Адаптация к тяжёлой воде является фенотипическим феноменом, так как приспособленные к тяжёлой воде клеточки ворачиваются к нормальному росту в протонированных средах после некого лаг-периода (О.В. Мосин с соавт., 1996). В то же время обратимость роста на Dи Н-средах не исключает способности конфигурации метаболизма дейтерированных клеток, т.е. морфологической и многофункциональной перестройки в тяжёловодородной среде. При помощи, электрической микроскопии дейтерированных и обыденных клеток микрококка (В. А. Ерёмин, Л. Н. Чекулаева, 1978) были выявлены значительные различия в морфологии приобретенных клеток. Клеточки, выращенные на Ни D-средах, имели в 2—3 раза более толстую клеточную стену; чем контрольные клеточки, рассредотачивание в их нитей ДНК было неравномерным. На микрофотографии дейтерированных клеток хлореллы и микрококка видны как плотные (одинарная стрелка), так и электронно-прозрачные участки (двойная стрелка), последние, возможно до изготовления срезов, состояли из плотно упакованных мембран, наподобие мезосом. Не считая того, для дейтерированного микрококка было также типично резкое изменение формы клеток и направления их деления. При всем этом видно образование сложных структур, состоящих из 6—8 клеток. Наблюдавшееся деление не заканчивалось обыденным расхождением дочерних клеток, а приводило к образованию атипичных клеток—«монстров», обрисованных Мозесом с соавт. (Moses et al., 1958).
По-видимому, наблюдаемые морфологические конфигурации связаны с торможением роста дейтерированных клеток и обоснованы перестройкой в процессе адаптации к тяжёлой воде. Тот факт, что дейтерированные клеточки микрококка кажутся более большими (кажущийся размер в 2—4 раза превосходит размер протонированных клеток), является общебиологическим, потому что наблюдается при выращивании целого ряда животных и растительных объектов (Денько; 1970).
Рис. 1. Электрические микрофотографии клеток микробов M. Lysodeikticus; б – клеточки, выращенные на протонированной среде, в – дейтерированные клеточки, выращенные на тяжёловодородной среде (по данным В. А. Ерёмина и Л. Н. Чекулаевой, 1978 ).
Чтоб сделать более определенные выводы о природе и механизмах адаптации клеток к тяжеловодородной среде, нужны экспериментальные данные по физиологии »и биохимии приспособленных клеток. Но не исключено, что торможение вех био функций (ферментативный катализ, дыхание, Деление) в момент клеточной адаптации к тяжёлой воде связано с образованием более размеренных связей, для разрыва которых требуется большая энергия. По теории абсолютных скоростей разрыв, СН-связей может происходить резвее, чем CD-связей (Лазарева, 1973), подвижность D+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды в 5 раз меньше константы ионизации обыкновенной воды (Денько, 1970). Эти факты позволяют созидать некую аналогию меж адаптацией к тяжёлой воде и адаптации к низким температурам.
Ещё Юнг (Jung, 1967) на клеточках Escherichia coli, помещенных в 98,6%-ную тяжёлую воду, показал, что эффект торможения роста тяжеленной воды может быть компенсирован увеличением температуры роста. Аналогия с остыванием позволяет рассматривать адаптацию к тяжёлой воде, как адаптацию к неспецифическому фактору, действующему сразу на функциональное состояние огромного числа систем: перевоплощение энергии, биосинтетические процессы, транспорт веществ, структуру и функции макромолекул. Может быть, что более чувствительными к подмене Н+ на D+ оказываются конкретно те системы, которые употребляют высшую подвижность протонов и высшую скорость разрыва протонных связей. Такими системами в клеточке могут быть дыхательная цепь и аппарат биосинтеза макромолекул, которые размещаются в цитоплазматической мембране либо находятся под ее контролем.
Понятно, что адаптация к тяжёлой воде происходит тем легче, чем медлительнее увеличивается процентное содержание дейтерия в среде. Фактически даже высокодейтерированные среды содержат протоны от 0,2—10%. Может быть, что остаточные протоны в момент адаптации к тяжёлой воде упрощают перестройку к изменившимся условиям, встраиваясь конкретно в те участки, которые более чувствительны к подмене. Если это так, то встраивание протонов должно приводить к скоплению легкого изотопа в органическом материале клеток и соответственно к обогащению томным изотопом среды культивирования. Оказалось, что степень дейтерированности приобретенных клеток микрококка зависит как от начального содержания протонов в тяжёлой воде, так и от степени дейтерированности клеток хлореллы. При выращивании клеток на тяжёловодородной среде, содержащей от б до 9% воды, клеточки хлореллы имели показатель (Н) жирных кислот из D-липидов, равным 10—18%. D-клетки микрококка, выращенные на тяжёлой воде имели показатель (Н) 13,5—23%. При всем этом содержание протонов в средах при культивировании D-клеток хлореллы и микрококка уменьшалось, а в органическом материале выращенных клеток возрало (В. А. Ерёмин, Л.Н Чекулаева, 1978). На основании этого можно прийти к выводу об избирательном поглощении протонов из высокодейтерированных сред в процессе адаптации и роста клеток хлореллы и микрококка. По-видимому, избирательное скопление легких изотопов в органическом материале клеток в процессе роста на среде с томным изотопом является общебиологическим, потому что наблюдается для широкого круга объектов (Денько, 1970) и для фракционирования легкого изотопа 12С в среде, содержащей 13С (Ивлев с соавт., 1975; Бондарь, 1976).
Рис. 2. Липидные профили протонированных (а) и дейтерированных (б) клеток Basilus subtilis; хроматограф Beckman Gold System (США), снабжённый насосом Model 166 (США) и сенсором Model 126 (США); недвижная фаза: Ultrasphere ODS 5 мкм; 4.6 x 250 мм; подвижная фаза: линейный градиент 5 мМ KH2PO4-ацетонитрил; 100% в течении 50 мин; скорость подачи: 0.5 мл/мин; детекция при 210 нм.
В клеточках микробов одним из важных инструментов регуляции метаболизма является мембрана, объединяющая внутри себя аппараты биосинтеза полисахаридов, трансформации энергии, снабжении клеточки метаболитами и участвующая в биосинтезе белков, нуклеиновых кислот и липидов (Гельман с соавт., 1972; Коротяев, 1973; Островский, 1973). Можно представить, что в адаптации к тяжёлой воде мембраны играют не последнюю роль. Но до сего времени не понятно, что происходит с мембранами, как они реагируют на смену среды и какое это имеет значение для выживания клеток на среде, лишенной протонов.
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 (рис.1. Броско, что в образчике приобретенном с тяжёлой воды соединения, имеющие времена удерживания — 33.38; 33.74 и 33.2 мин не детектируются (набросок 1 б). 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.
Выбор микробов как объекта исследовательских работ представляется более целесообразным, потому что в данном случае способность адаптации к тяжёлой воде, обусловленная эволюционной «примитивностью», смешивается с относительной легкостью получения незапятнанных мембран.
ЛИТЕРАТУРА
Бондарь В. А. 1976. Докл. АН СССР, 227, 2, 497.
Гельман Н. С., Лукоянова М. А. и Островский Д. Н. 197(2. Мембраны микробов и дыхательная цепь. «Наука», М.
Денько Е. И. 1970. Успехи соврем, биол., 70, 1(4), 41.
Ерёмин В. А., Чекулаева Л. Н. Выкармливание микробов Micrococcus Lysodeikticus на дейтерированной среде, Микробиология, 1978
Ивлев А. А., Царица М. Я. в Колошин А. Г. 1976. Дескать. биол., 9, 3, 436.
Коротяев А. И. 1973. Механизмы саморегуляции бактериальной клеточки. «Медицина», М.
Лазарева А. В. 1973. Избирательное изотопное замещение водорода на дейтерий в полипептидной цепи цитохрома С. Дисс. Ин-т биофизики АН СССР, Пущине.
Мосин О. В., Карнаухова Е. Н., Пшеничникова А. Б., Складнев Д. А., Акимова О. Л. // Биотехнология. — 1993. — N 9. — С. 16-20.
Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. — 1996. — N 3. — С. 3-12.
Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Швец В. И. // Биоорганическая химия. — 1996. — Т. 22. — N 10-11. — С. 856-869.
Островский Д. Н. 1973. Строение, характеристики и некие функции мембран бактериальной клеточки. Дисс. Ин-т биохимии, М.
Семененко В. Е. и Зверева М. Г. 1972. Физиол. растений, 19, 229.
Успенская В. И. 1966. Экология и физиология питания пресноводных водных растений. МГУ, М.