Жизнь микробов в экстремальных условиях - Кашнер Д.
Скачать (прямая ссылка):
ных и водородных связей и уменьшений объема за счет разрыва электростатических связей. Это, бесспорно, чрезвычайно интересный аспект исследований действия давления, который привел к кардинальной переоценке основных представлений химии биополимеров.
Денатурация молекул нативной ДНК также вызывает незначительные изменения объема (Weida, Gill, 1966; Gunter, Gunter, 1972; Chapman, Sturtevant, 1969); однако в данном случае изменения носят положительный характер, и давление стабилизирует ДНК в нативном состоянии. Оказалось, что давление противодействует денатурирующему эффекту высокой температуры и повышает температуру «плавления» ДНК на несколько градусов (Heden et al., 1964; Weida, Gill, 1966; Suzuki et al., 1971, 1972). Влияние нагревания на нативную ДНК четко показывает, что денатурация представляет собой кооперативный процесс. По-видимому, небольшое изменение объема вызвано компенсирующими друг друга увеличениями и уменьшениями объема, происходящими на различных этапах суммарной реакции.
Большинство исследований денатурации белков проводится с давлениями порядка тысяч атмосфер, а не с давлениями ниже 1160 атм, которые встречаются в морских глубинах. Принято даже считать, что давления меньше 1000 атм стабилизируют нативную конформацию белков, как это установили, например, Джонсон и Эйринг (Johnson, Eyring, 1970), изучавшие действие давления на биолюминесценцию. По-видимому, денатурация белков не играет определяющей роли в подавлении роста давлением, которое обычно встречается в биосфере. Тем не менее это утверждение нельзя принимать безоговорочно. Изучая денатурацию химотрипсина под действием давления, Хоули (Hawley, 1971) построил графики площадей изменения свободной энергии в зависимости от температуры и давления. Денатурацию можис) рассматривать как двухстадийный процесс, при котором нативное состояние (N) находится в равновесии с денатурированным (.D). Тогда константа равновесия реакции равна (D)/(N), а изменение свободной энергии составляет —RTln(D)/(N). Графики Хоули для нулевого изменения свободной энергии описывают условия, при которых (D) = (N). Они представляют собой замкнутые эллипсы, причем площадь, заключенная внутри эллипса, соответствует условиям, при которых предпочтение отдается нативному состоянию, а площадь вне эллипса соответствует условиям, благоприятным для денатурированного состояния. При изучении денатурации метмиоглобина Зпп и Каузман (Zipp, Kauz-mann, 1973) расширили этот анализ, введя дополнительную ось для pH, и получили пространственную замкнутую структуру. Если проследить за ее очертаниями при постоянной температуре, скажем, при 20°С, в поисках точек, соответствующих нулевому
изменению свободной энергии при различных значениях pH, то мы найдем, что (D) — (N) при pH 6 и давлении около 4300 кг-смг2, а также при pH 5 и давлении около 3000 кг •см-2. При pH 4 то же самое условие равновесия соблюдается при давлении уже около 900 кг-см-2. Иными словами, при этом низком значении pH давления, существующие в глубине морей, могут вызвать денатурацию метмиоглобина. Если температура в морях на большой глубине не превышает нескольких градусов, то для того, чтобы денатурация произошла при pH 4, достаточно давления в несколько сот атмосфер. В морях можно найти лишь немного мест на большой глубине, где рИ = 4, поскольку в воде содержатся бнкарбонатные и другие ноны, оказывающие забу-феривающее действие. Тем не менее главный вывод заключается в том, что давления, существующие в глубине морей, способны вызвать денатурацию белков, если остальные физические н химические параметры не являются оптимальными для поддержания нативного коиформационного состояния.
Было изучено взаимовлияние уровней давления и pH' при ингибировании роста бактерий (Matsumura et al., 1974). Данные, полученные в этих исследованиях, можно сопоставить с результатами опытов по денатурации белков. Общая закономерность заключается в том, что область pH, при которой возможен рост, сужается по мере возрастания давления. Вместе с тем при кислых или щелочных значениях pH среды чувствительность бактерий к давлению увеличивается. Как правило, при повышенном давлении выход,биомассы и скорость роста уменьшаются. Мацу-мура и др. (Matsumura et al., 1974) установили, что для многих бактерий этот эффект давления, по крайней мере отчасти, объясняется повышенной чувствительностью к кислотам, которые накапливаются в результате обмена веществ в замкнутых сосудах для культивирования. Нейтрализация этих кислот приводит к увеличению выхода биомассы, который тем не менее остается ниже,' чем у культур, выращиваемых при 1 атм, поскольку давление оказывает и иные воздействия на эффективность роста.
Сходство между реакцией микроорганизмов на комбинированное действие давления, температуры и pH и влиянием этих факторов на денатурацию белков вряд ли можно считать чисто случайным. Не исключено, что во многих случаях неспособность микроорганизма расти при повышенном давлении объясняется обратимой денатурацией ферментов или других клеточных белков. Конечно, эти случаи могут характеризоваться неоптимальными условиями, однако не следует забывать, что оптимальные условия роста в природе являются скорее исключением, чем правилом.
