Различные природные воды. Адаптация к тяжёлой воде
Различные природные воды. Адаптация к тяжёлой воде
Это продолжение статьи, начало — на предшествующей страничке данного раздела.
Различные природные воды содержат различное содержание дейтерия. Соотношение меж тяжёлой и обыкновенной водой в природных водах составляет 1:5500. Рядовая водопроводная вода содержит около 100 г дейтерия на тонну воды, а морская вода от 130 до 150 г дейтерия на тонну воды. Горная вода содержит еще наименьшее количество дейтерия, чем другие виды вод, что благоприятно сказывается на метаболизм и функционирование организма. Представители Клуба мед биофизики из городка Тетевена, Болгария провели последующий научный опыт под управлением д-ра Игнатова. Они поливали семечки одной культуры обыкновенной водопроводной и горной водой. Результаты проявили, что растения, политые горной водой, росли резвее, чем растения, которых поливали обыкновенной водопроводной водой (рис. 2). Согласно приобретенным данным, большее содержание дейтерия уменьшало проницаемость мембраны клеточки и тем, замедляло транспорт питательных веществ вовнутрь клеточки. На рисунке ниже показан итог опыта с кукурузой спустя месяц после поливки (д-р Игнатов, Цветкова, 2010).
Рис. 2. Слева – растение, которое поливали водой из-под крана. С правой стороны – растение, которое поливали горной водой из Тетевена, Болгария (д-р Игнатов, Цветкова, 2010)
Научно достоверные результаты показывает проф. Клима при росте растений, поливаемых разной водой. Проводя исследования с водой воде, мы сталкиваемся с ее уникальными качествами, связанными с зарождением жизни.
Результаты демонстрируют, что дейтерий играет гигантскую роль в био системах. Присутствие дейтерия в био системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и протеины. 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 динамические короткоживущие водородные (дейтериевые) связи. Они формируются меж примыкающими атомами дейтерия (водорода) и гетероатомами кислорода, углерода, азота, серы и т.д. и играют главную роль в поддержании пространственной структуры макромолекулярных цепей и как эти структуры ведут взаимодействие с другими примыкающими макромолекулярными структурами, также с тяжеленной аква среды.
При попадании клеток в тяжёлую воду из их не только лишь исчезает протонированная вода за счет реакции обмена Н2О-D2О, да и происходит резвый H±D обмен в гидроксильных, сульфгидрильных и аминогруппах всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, сахара. Только С—Н-связь не подвергается обмену и соединения типа С—D синтезируются «de поvo».
Любопытно, что после обмена H±D ферменты не прекращают собственной функции (Thоmson 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 (замедлению) и специфики ферментативных реакций в тяжёлой воде.
В 1972 г. Креспи и Катц обосновали, что с повышением процентного содержания дейтерия в воде, рост растений замедляется (рис. 3). Было установлено, что высочайшие концентрации тяжёлой воды могут приводить к ингибированию многих жизненно-важных мутаций, включая блокировку митоза в стадии профазы, и даже в неких случаях вызывать спонтанные мутации. Тяжёлая вода высочайшей концентрации токсична для организма; хим реакции в её среде проходят несколько медлительнее, по сопоставлению с обыкновенной водой, водородные связи с ролью дейтерия несколько посильнее обыденных. Так, клеточки животных способны выдерживать до 25-30% тяжёлой воды в среде, растений -50%, а клеточки простых микробов и микроводорослей способны жить на 80% тяжеленной воде.
Рис. 3. Поливка томатов 30, 50 и 60%-ной тяжёлой водой ингибирует рост растения (по данным Креспи и Катца, 1972).
В 1996 г. Мосин обосновал, что к смерти клеток на тяжёлой воде могут приводить изменение соотношения главных „метаболитов” в процессе адаптации клеток к тяжеленной воде. Клеточки высших организмов гибнут при содержании тяжёлой воды в составе тела выше 30%, но мельчайшие организмы, просто приспосабливающиеся к резким изменениям сферы обитания, способны жить и плодиться даже в 98%-ной тяжёлой воды (Мосин О.В, 1996). Мосиным в процессе ступенчатой адаптации на агаризованных средах с увеличивающими концентрациями тяжёлой воды были получены приспособленные к тяжёлой воде клеточки микробов, относящиеся к разным таксономическим группам микробов. Общей особенностью микробов при росте на тяжёлой воде являлось пропорциональное повышение длительности лаг-фазы и времени клеточной генерации, в то время как выходы микробной биомассы уменьшались (гистограмма 1).
Гистограмма 1. Выход микробной биомассы –1, длительность лаг-фазы –2 и время клеточной генерации – 3 для мельчайшего организма Brevibacterium methylicum при росте на средах с разными концентрациями тяжёлой воды: а – начальный мельчайший организм на протонированной среде; б – начальный мельчайший организм на 98%-ной тяжёлой воде; в – приспособленный к тяжёлой воде мельчайший организм на 98%-ной тяжёлой воде. (О. В. Мосин, 1996)
Соответствующей особенностью приобретенных приспособленных к тяжёлой воде объектов являлось то, что весь био материал клеточки заместо природного водорода содержал дейтерий. Данный факт очень важен для исследования молекулярной организации клеточки способами ЯМР-спектроскопии.
Приобретенные для исследуемых микробов данные свидетельствуют о том, что способность к адаптации к высочайшим концентрациям тяжёлой воды связана с эволюционным уровнем организации объекта, т. е. чем ниже уровень развития живого, тем выше способность к адаптации (О.В. Мосин, 1996). Может быть, лёгкость адаптации простых к тяжёлой воде разъясняется тем фактом, что клеточка на генном уровне “помнит” из какой воды вышла жизнь. Мосин считает также, 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 СH-связей может происходить резвее, чем СD-связей, подвижность иона D+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды меньше константы ионизации обыкновенной воды. Всё это отражается на кинетике хим связи и скорости хим. реакций в тяжёлой воде. Связи, образованные атомами углерода с дейтерием прочнее, чем СН-связи из-за того, что амплитуда колебания дейтерона, имеющего вдвое огромную чем протон массу, меньше амплитуды колебания протона в аналогичной связи и тем, это выравнивает связь.
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. Потому структура спирали, каков является ДНК в присутствии тяжёлой воды стабилизируется. Не считая этого, отмечены радиопротекторные характеристики тяжёлой воды на клеточки печени животных, в какой экспонировались эти клеточки. Также было показано, что актуальный цикл плоских червяков, выращенных на тяжёлой воде возрастает приблизительно в 1,5 раза по-сравнению с червяками, выращенными на обыкновенной воде (М. Шепенинов, 2006).
Возможно, клеточка реализует лабильные адаптивные механизмы, которые содействуют многофункциональной реорганизации работы жизненно-важных систем в тяжёлой воде (О. В. Мосин, 1996). Так, 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.
Отмечено, что адаптация к тяжёлой воде проходит легче при постепенном увеличении содержания дейтерия в среде, потому что чувствительность к тяжёлой воде различных главных систем различна (О. В. Мосин, 1996). 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 в те участки, которые более чувствительны к подмене на дейтерий. Если допустить это, то встраивание протонов должно приводить к скоплению легкого изотопа в органическом материале клеток и соответственно к обогащению томным изотопом среды культивирования.
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. Электрическая микроскопия дейтерированных клеток микробов Micrococcus lysodeikticus (В. А. Ерёмин, Л. Н. Чекулаева, 1978) выявила значительные различия в морфологии выращенных на тяжёлой воде клеток (набросок 4). Клеточки, выращенные на тяжёлой воде имели в 2—3 раза более толстую клеточную стену; чем протонированные клеточки, рассредотачивание в их ДНК было неравномерным (В. А. Ерёмин, Л. Н. Чекулаева, 1978). На микрофотографии дейтерированных клеток Micrococcus lysodeikticus видны как плотные (одинарная стрелка), так и электронно-прозрачные участки (двойная стрелка), состоящие из плотно упакованных мембран, наподобие мезосом. Не считая того, для дейтерированного мельчайшего организма (набросок 4, в) было также типично резкое изменение формы клеток и направления их деления с образованием сложных структур, состоящих из 6—8 клеток. По наблюдениям создателей, клеточное деление не заканчивалось обыденным расхождением дочерних клеток, а приводило к образованию атипичных клеток—«монстров», обрисованных Мозесом с соавт. (Moses et al., 1958).
Рис. 4. Электрические микрофотографии клеток микробов Micrococcus lysodeikticus; б – клеточки, выращенные на протонированной среде, в – дейтерированные клеточки, выращенные на тяжёловодородной среде (по данным В. А. Ерёмина и Л. Н. Чекулаевой, 1978 ).
Возможно, наблюдаемые морфологические конфигурации на тяжёлой воде связаны с ингибированием роста дейтерированных клеток и обоснованы перестройкой в процессе адаптации к тяжёлой воде. Факт, что дейтерированные клеточки более большие, чем протонированные является общебиологическим и наблюдается при выращивании целого ряда животных и растительных объектов (Мосин О. В., 1996).