Тяжёлая вода. Эксперименты на животных

При изменении изотопного состава молекул происходят изменения параметров химических реакций, в которых участвуют эти молекулы. Наибольший изотопный эффект наблюдается на дейтерии. Химические реакции с участием дейтерия, в отличие от протия, протекают с меньшей скоростью из-за большей энергии активизации. Скорость ферментных реакций с участием протия в 4–5 раз выше, чем с дейтерием. Так, по теории абсолютных скоростей разрыв С2H-связей может происходить быстрее, чем СH-связей, подвижность иона 2H+ меньше, чем подвижность Н+, константа ионизации тяжёлой воды несколько меньше константы ионизации обычной воды. При этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле.

Но наиболее чувствительными к изотопным эффектам дейтерия оказались биологические системы [1]. Присутствие дейтерия в биологических системах приводит к изменениям структуры и свойствам жизненно-важных макромолекул таких как дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и белки. Наиболее важными для структуры макромолекулы связи являются водородные (дейтериевые) связи. Они формируются между соседними 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 взаимодействуют с другими соседними макромолекулярными структурами, а также с тяжелой водной окружающей среды.

Конформация двойной спирали макромолекулы ДНК и макромолекул белков изменяются в присутствии тяжёлой воды так, чтобы макромолекулы обычных белков, помещённые в тяжелую воду имеют более устойчивую пространственную структуру за счёт вторичных изотопных эффектов тяжёлой воды [2]. Вероятно, именно поэтому тяжёлая вода проявляет стабилизирующий эффект на пространственную структуру спирали макромолекул посредством формирования многочисленных 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 водородом С-2Н могут синтезироваться в молекулах только de nоvo, т.е. в процессе биосинтеза. И эти связи приводят к дестабилизации дейтерированных молекул.

Серьезное изменение в биохимии клетки связано в её способности делиться в присутствии тяжёлой воды. Тяжёлая вода замедляет скорость деления клетки (митоз) в стадии профазы и особенно этот эффект выражен для быстро делящихся клеток. Этот эффект пропорционален концентрации тяжёлой воды в среде [3].

В процессе роста клеток на тяжёлой воде в них синтезируются макромолекулы, в которых атомы водорода в углеродном скелете полностью замещены на дейтерий. Такие дейтерированные макромолекулы претерпевают адаптационные модификации, необходимые для нормального функционирования клетки в тяжёлой воде. Их активность и биологические свойства могут быть совершенно иными, чем их протонированные аналоги. Но эти изменения не единственны; физиология, морфология, цитология клетки, а также генетический аппарат клетки также подвергается воздействию и модификации в тяжёлой воде.

Способность к адаптации к тяжёлой воде у разных родов и видов бактерий различная и может варьировать в пределах таксономической группы [4]. Адаптация к тяжёлой воде определяется как таксономической специфичностью организмов, так и особенностями их метаболизма, функционированием различных путей ассимиляции субстратов, а также эволюционной нисшей, которую занимает исследуемый объект. При этом чем ниже уровень эволюционного развития организма, тем лучше он приспосабливается к присутствию дейтерия в среде. Для всех организмов рост на тяжёлой воде сопровождался снижением ростовых характеристик [5-8], причём адаптированные к тяжёлой воде клетки сохраняли способность к росту и биосинтезу на тяжеловодородной среде.

Но как ведут себя высшие организмы, если поить их тяжёлой водой? Ответ на этот вопрос дали исследования академика В.И. Бадьина с соавторами [9]. Учёные провели измерения динамики снижения содержания дейтерия в организме 4-х месячных телят, которых поили водой с пониженным содержанием дейтерия.

Для эксперимента были отобраны три здоровых теленка 4-х месячного возраста. Каждый из них помещался в отдельное стойло. Перед началом эксперимента у животных были взяты пробы мочи, крови и волосяные покровы. Животных измеряли для определения веса. В течение эксперимента телят кормили сеном (1,5–2 кг/сут.) и комбикормом (2 кг/сут.). А поили их очищенной водой с добавкой тяжёлой воды с известным изотопным сдвигом протий/дейтерий.

Затем на второй, пятый и седьмой день эксперимента у животных отбирали мочу и кровь, в которых определяли содержание дейтерия, а также макрои микроэлементов. Каждый день у телят измеряли пульс, частоту дыхания и температуру тела. В течение всего эксперимента за телятами вели наблюдение ветеринарный врач и зоотехник.

Было установлено, что концентрация дейтерия в моче животных до начала эксперимента оказалась примерно равной концентрации дейтерия в воде Московского региона.

Академик В.И. Бадьин с соавт. [9] пришёл к следующим выводам:
-Потребление животными воды, обедненной дейтерием, приводит к изменению изотопного состава воды мочи.
-Потребление животными очищенной воды, приводило к снижению концентрации кальция в моче.
-Зарегистрировано уменьшение содержания кальция, магния и кадмия в волосяном покрове.
-Произошло увеличение концентрации креатенина в моче и сыворотке крови при сохранении соотношения концентраций кровь/моча.
-Телята, пившие воду, обедненную дейтерием, отличались от обычных телят резвостью и высокой подвижностью.

Таким образом, изотопный эффект т дейтерия может активизировать или угнетать биохимические процессы в организме. Однако, до тех пор, пока не накоплены первичные сведения в области токсикологии дейтерия, исследовать его действие на человеке очень опасно. Первым шагом в практическом использовании обедненной дейтерием воды может быть применение ее в рационе персонала на производстве тяжелой воды в качестве профилактического средства.

Литература.
1. Crespi H. L. Biosynthesis and uses of per-deuterated proteins. in: Synt. and Appl. of Isot. Label. Compd. // Ed. R. R. Muccino. - Elsevier. - Amsterdam, 1986 - P. 111-112.
2. Katz J, Crespi H.L. // Pure Appl. Chem. - 1972. - V.32. - P. 221-250.
3. Daboll H. F., Crespi H. L., Katz J. J. // Biotechnology and Bioengineering. - 1962. - V. 4. - P. 281-297.
4. Мосин О. В., Карнаухова Е. Н., Пшеничникова А. Б., Складнев Д. А., Акимова О. Л. // Биотехнология. - 1993. - N 9. - С. 16-20.
5. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. - 1996. - N 3. - С. 3-12.
6. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Юркевич А. М., Швец В. И. // Биотехнология. - 1996. - N 4. - С. 27-35.
7. Складнев Д. А., Мосин О. В., Егорова Т. А., Ерёмин С. В., Швец В. И. // Биотехнология. - 1996. - N 5. - С. 25-34.
8. Мосин О. В., Складнев Д. А., Егорова Т. А., Швец В. И. // Биоорганическая химия. - 1996. - Т. 22. - N 10-11. - С. 856-869.
9. Бадьин В. И., Дробышевский Ю. В. и др. Отчет о НИР «Разработка препарата и способа его получения для стимуляции жизнедеятельности организма», Фирма «Мед-Чернобыль», 1993 г.