Биологическое и медицинское действие тяжелой и легкой воды

В какой мере данные по стабилизирующему действию D2O на клетки можно расценивать как указание на то, что мишенью повреждающих клеток, в частности нагрева, являются протоплазматические белки? Можно ли влияние D2O на теплолюбивость мух рассматривать как аргумент в пользу того, что рецептором температурных сдвигов у мух служит какой-то белок, меняющий в зависимости от температуры свою конформацию и этим путем посылающий сигналы в следующие инстанции, формирующие термическое поведение мух’? Если это соответствует действительности, то легко допустить, что в присутствии D2O этот белок становится более устойчивым, более жестким, в связи с чем для такого же изменения конформации рецептора требуется более высокая температура, чем в обычной воде.

Для ответа на эти вопросы важно знать, на какие компоненты клетки помимо белков D2O оказывает стабилизирующее действие. В связи с этим следует обсудить влияние D2O на температуру плавления нуклеиновых кислот и липидов.

Данные по действию D2O на термостабильность нуклеиновых кислот менее однозначны, чем подобные данные, полученные для белков. Результаты в сильной степени зависят от ионной силы и рН раствора. Рядом работ показано, что в растворах с нейтральным и высоким рН и с низкой ионной силой D2O стабилизирует ДНК, тогда как при кислом рН и высокой ионной силе D2O вызывает противоположный эффект — снижение температуры денатурационного перехода. При физиологических значениях рН и ионной силы плавление ДНК происходит в D2O и Н2O при одинаковой температуре. Тот факт, что стабилизирующее влияние D2O на нуклеиновые кислоты особенно значительно проявляется в растворах со слабой ионной силой, т.е. в условиях, когда увеличиваются силы электростатического притяжения и отталкивания, говорит о существенном влиянии D2O на этот вид взаимодействий. Связать стабилизацию ДНК в D2O с усилением водородных связей не удается.

При частичной замене в среде Н2O на D2O увеличение первичной теплоустойчивости таких клеточных функций, как движение протоплазмы в растительных клетках, движение ресничек клеток мерцательных эпителиев животных, сокращение мышечных волокон, нет никаких оснований приписывать стабилизирующему влиянию изотопа на нуклеиновые кислоты. Естественно думать, что это результат стабилизирующего действия D2O на сократительные белки. Подтверждением этого служит повышение теплоустойчивости в D2O глицериниэированных моделей мерцательных клеток и мышечных волокон и актомиозина в растворе.

Имеется ряд данных о том, что при частичной замене водных растворов на дейтериевые повышается теплоустойчивость клеточных функций, непосредственно связанных с деятельностью мембран. Так, Арманд и Хесс на изолированных хлоропластах Nerium oleander в присутствии D=0 обнаружили увеличение термореэистентности процесса передачи энергии от светособирающего комплекса к реакционному центру 2-й фотосистемы. По данным Соколова и соавторов, D2O повышает устойчивость к нагреву тилакоидных мембран хлоропластов из листьев гороха и протоплазматических мембран хлореллы.

Теплоустойчивость в первом случае повышалась на 10, во втором на 5 °С. В работе Ремеша и соавторов (1981) указывается на то, что D2O оказывает стабилизирующее действие на мембраны хлоропластов. Венедиктов и Кривошеева (1984) также обнаружили увеличение термостабильности хлоропластов гороха и фрагментов мембран цианобактерии Cynechococcus lividus при замене Н2O на D2O.

Деятельность мембран в первую очередь определяется их основными компонентами — липидами и белками. Одни авторы стабилизирующее влияние D2O на мембранные функции объясняют действием ее на белки, другие — на липиды. Так, Соколов и соавторы видят причину увеличения теплоустойчивости тилакоидных и пратоплаэматических мембран в тяжелой воде в том, что D2O повышает температуру перехода мембранных липидов из кристаллического состояния в жидкое. С другой стороны, Венедиктов и Кривошеева (1984) объясняют полученный ими результат возрастанием в D2O термостабильности мембранных белков.

Агрегатное состояние липидов, их вязкость, несомненно, весьма существенны для нормального выполнения клеточных функций, так или иначе связанных с мембранами. Вязкость липидов непосредственно зависит от температуры. Поэтому для понимания роли липидов в повышении теплоустойчивости клеток в тяжелой воде важно знать, как D2O влияет на температуру плавления липидов. Однако сведения по этому вопросу скудны и противоречивы.

Прямые калориметрические измерения температуры фазового перехода в D2O синтетического фосфолипида -дипальмитоилфосфатидилходина — были выполнены Саймоном и соавторами (1975). На покупном неочищенном препарате авторы получили температуру полуперехода (Tm) в Н2O 42,1, в D2O — 43,5 °С. Таким образом, разница составила 1,4 °С. С этими данными расходятся результаты Чена, который определял температуру фазового перехода ряда липидов также с помощью сканирующей микрокалориметрии. Были получены следующие температуры плавления в Н2О и D2O:

· для 1,2-дистеароил-L-3-глицерофосфатидилхолина — 54,65 и 55,09 °С,

· для 1,2-дипальмитоил-L-3-глицерофосфатидилхолина — 41,67 и 42,02 °С,

· для 1,2-миристоил-L-3-глицерофосфатидилхолина — 24,22 и 24,46 °С.

Во всех трех случаях температура фазового перехода в тяжелой воде была несколько выше, но не более чем на 0,4°С, а для дипальмитоилфосфатидилхолина, в отличие от того, что было получено Саймоном и соавторами, разница оказалась не 1,4, а 0,35 °C.