Техника меченых атомов приобрела широкую популярность в наше время. Теоретически эта методика очень проста. По существу, она сводится к введению особого изотопа в биологически важный метаболит (или продукт питания), после чего прослеживаются последовательные реакции этого метаболита в организме путем наблюдения за судьбой меченого изотопа в продуктах распада, крови, моче и т.д. На основании этих данных строится метаболизм. Использование меченых изотопов стало возможным благодаря широкому развитию методов получения изотопов.
Изотоп водорода дейтерий, содержащий в своём ядре один нейтрон, распространённый в природе (природная распространённость дейтерия составляет 0.015%) в виде тяжёлой воды, был открыт в 1939 году.
Сразу после открытия этого изотопа учёные начали проводить исследования связанные с ростом клеток на тяжёлой воде, которые привели их к неожиданным результатам. Тяжёлая вода отличается от обычной воды молекулярной массой. В молекуле тяжёлой воды в отличие от обычной воды вместо двух атомов водорода, связанных ковалентной связью с атомом кислорода в молекуле эти два атома водорода замещены на дейтерий. Основной вывод, сделанный учёными был таков - максимальные концентрации тяжёлой воды несовместимы с жизнью и приводят к гибели клетки.
Тяжёлая вода отличается от обычной воды молекулярной массой. В молекуле тяжёлой воды в отличие от обычной воды вместо двух атомов водорода, связанных ковалентной связью с атомом кислорода в молекуле эти два атома водорода замещены на дейтерий. Атом дейтерия, как изотоп водорода содержит одинаковое количество положительно заряженных частиц протонов, но различается от атома водорода содержанием нейтрально заряженных частиц нейтронов, которых в атоме дейтерия 2. Различие в нуклеарной массе атомов водорода и дейтерия и определяет те гидрофобные эффекты, которые тяжёлая вода оказывает на клетки и организм.
1. Smith K., Barua J. M., Watt P. W. // Am. J. Physiol. - 1992. - V. 262. - N 3. - P. 1372-1376.
2. McIntosh L. P., Dahlquist F. W. // Quarterly Reviews of Biophysics. - 1990. - V. 23. - N. 1. - P. 1-38.
3. Harbison G. S., Smith S. O., Pardoen J. A., Mulder P. P. J., Lugtenburg J., Herzfeld R., Mathies R., Griffin R. G. // Biochemistry. - 1984. - V. 23. - P. 2662-2667.
4. Ames J. B., Ros M., Raap J., Lugtenburg J., Mathies R. A. // Biochemistry. - 1992. - V. 31. -P. 5328-5335.
5. Fischer M. R., de Groot H. J. M., Raap J., Winkel C., Hoff A. J., Lugtenburg J. // Biochemistry. - 1992. - V. 31. - P. 11038-11043.
НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ВКЛЮЧЕНИЕ АТОМОВ ДЕЙТЕРИЯ, УГЛЕРОДА-13, АЗОТА-15, И КИСЛОРОДА-18 В МОЛЕКУЛЫ АМИНОКИСЛОТ И БЕЛКОВ.
О. В. МОСИН
Статья посвящена развитию современных биотехнологических и химико-ферментативных методов по включению атомов дейтерия, углерода-13, азота-15 и кислорода-18 в молекулы аминокислот и белков. Рассмотрены потенциальные возможности этих методов для направленного синтеза изотопномеченых молекул аминокислот и белков. Представлены собственные и имеющиеся в литературе данные по получению и использованию синтезированных меченых соединений в разнопрофильных биохимических исследованиях с применением методов спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), инфракрасной (ИК) и лазерной спектроскопии, а также масс-спектрометрии.
До XIX века люди считали воду обычным химическим элементом. В 1805 году Александр Гумбольдт и Жозеф Луи Гей-Люссак установили, что вода состоит из молекул, каждая из которых содержит два атома водорода и один кислорода и считалось, что вода - индивидуальное соединение, описываемое единственно возможной формулой.
В 1932 году мир облетела сенсация: кроме воды обычной, в природе существует еще и тяжелая вода. В молекулах такой воды место водорода занимает его тяжелый изотоп - дейтерий.
Тяжелую воду открыли американские физики Гаральд Юри и Эльберт Осборн. В 1933 году американец Герберт Льюис совместно с Ричардом Макдональдом впервые выделили ее в чистом виде.
Все начинается с воды — считал древнегреческий философ Фалес Милетский. Вода — основа эволюции всего живого во Вселенной; без воды не существует жизни.
Работы по улучшению качества воды ведутся во всех странах мира уже давно. Однако существующие очистительные сооружения и технологии водоподготовки не справляются со своими задачами. Поэтому и возникли различные способы и устройства для доочистки питьевой воды. В общих чертах все эти устройства, какой бы совершенной ни была очистка, ничего не могут поделать с генетической памятью воды, проявляющемся в способности воды сохранять след действия на ее молекулярную структуру всех примесных соединений.
Тяжелая вода очень дорога и дефицитна. Однако если удастся найти дешевый и практичный способ ее получения, то области применения этого редкого пока ресурса заметно расширятся. Откроются новые страницы в химии, биологии, а это новые материалы, неизвестные соединения и, может быть, неожиданные формы жизни, где все макромолекулы ДНК и белков состоят из дейтерированных молекул.
Рис. 1. Молекулы воды прочно связаны друг с другом и образуют устойчивую молекулярную конструкцию, которая сопротивляется любым внешним воздействиям, в частности тепловым. (Именно поэтому, чтобы превратить воду в пар, нужно подвести к ней много тепла). Молекулярная конструкция воды скреплена каркасом из особых квантово-механических связей, названных в 1920 году двумя американскими химиками Латимером и Родебушем водородными. Все аномальные свойства воды, включая необычное поведение при замерзании, объясняются с точки зрения концепции водородных связей.
Дейтерий - изотоп водорода с одним "лишним" нейтроном в ядре - экологически чистое, дешевое и доступное в неограниченных количествах топливо, поскольку выделяется из обычной воды. В одной тонне воды его столько, что им можно заменить 250 тонн нефти. Правда соответственно и внимание к нему повышенное пока, лишь в научной среде. Например, ученые из Российского федерального ядерного центра - Всероссийского научно-исследовательского института технической физики (РФЯЦ-ВНИИТФ) города Челябинск-70 предлагают взрывать небольшие термоядерные заряды. По их убеждению, тем самым можно спасти мир от энергетического голода и экологической катастрофы, а страну - от нищеты. Российские оружейники однажды уже спасли мир от третьей мировой войны, создав стратегическое ядерное и термоядерное оружие. Что же они предлагают XXI столетию?
Из существующих изотопов водорода в природе преобладает изотоп с массой 1 (протий). Другой стабильный изотоп с массой 2, дейтерий, встречается довольно редко и составляет всего 0,015%. Третий изотоп, имеющий массу 3 (тритий), нестабилен и находится в природе в таких малых количествах, что его можно считать искусственным изотопом. Одно из наиболее важных отличий протия (Н) и дейтерия (D) - разница в массах, поэтому химические связи дейтерия более стабильны, и для их разрыва требуется большая энергия, что сказывается на скорости химических реакций. По этой причине в тяжелой дейтериевой воде растворимость солей и газов меньше, чем в обычной. Тяжелая вода имеет большую вязкость, иную проводимость и другие особенности. Разумеется, и по биологическим свойствам тяжёлая вода несколько отличается.
Российские исследователи давно обнаружили, что тяжелая вода тормозит рост бактерий, водорослей, грибов, высших растений и культуры тканей животных. А вот вода со сниженной до 50% концентрацией дейтерия (так называемая "бездейтериевая" вода) обладает антимутагенными свойствами, способствует увеличению биомассы и количества семян, ускоряет развитие половых органов и стимулирует сперматогенез у птиц.
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.
Вода H2O - самое распространённое в природе химическое соединение.
Тяжелая вода играет значительную роль в различных биологических процессах. Различные исследователи независимо друг от друга установили, что тяжелая вода действует отрицательно на растительные и живые организмы. Но всё же, как показали исследования многие клетки бактерий, водорослей и растений могут быть адаптированы к росту на тяжёлой воде. Как сообщил ведущий научный сотрудник Пущинского института теоретической и экспериментальной биофизики РАН Виктор Кутышенко, в ходе экспериментов было установлено, что чайный гриб адаптируется к воде, на 98% состоящей из тяжелой, всего за сутки.
Учёные считают, что Вселенная, сформировавшаяся в результате “Большого взрыва” несколько десятков миллиардов лет тому назад, была значительно горячее и плотнее, чем сейчас и состояла, в основном, из двух элементов – водорода и гелия. Дейтерий сформировался в последующие мгновения эволюции Вселенной в результате столкновения свободного нейтрона и протона при температурах миллион градусов Цельсия. А ещё позже два атома дейтерия сформировали дейтерон и вошли в состав в ядро гелия, который состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Таким образом, дейтерий может служить своеобразным индикатором эволюции Вселенной, поскольку количество дейтерия в мире постоянно. Вплоть до настоящего времени считалось, что в процессе формирования гелия израсходовались почти все дейтероны, и лишь 10 тысяч дейтеронов остались неизрасходованными. Исходя из этого количества дейтерия в мире, природная распространённость дейтерия составляла по расчётам не более 0.015% (от общего числа всех атомов водорода) .
О.В.Мосин Вода благодаря своеобразию своих физических и химических свойств, занимает исключительное положение в природе и играет особо важную роль в жизни человека. Вода занимает 70% земной поверхности и составляет приблизительно 70% массы человека: эмбрион состоит из воды на 95%, в теле новорожденного её – 75%, у взрослого человека – 60%, в старости её количество снижается. Содержание воды в организме идёт по экспоненте: волосы – около 10%, клетки разных тканей 60%, ЦНС – 90%. Объём воды, потребляемой человеком в сутки, составляет 2,5-3,0 литров, столько же воды и выводится. Если воды выводится на 6-8% больше нормы, то возникает мышечная слабость, головокружение, головная боль и др. явления. Избыточная потеря 10% воды приводит к более тяжёлым изменениям, а – 15-20% - вызывает смерть. Без воды человек может прожить только несколько суток.
Одним из интереснейших биологических феноменов является способность некоторых микроорганизмов расти в искусственных условиях на средах, в которых все атомы протия заменены на дейтерий (О.В. Мосин, Д.А. Складнев, В. И. Швец, 1996), хотя в природе этот изотоп составляет лишь 0,015%.
При попадании клеток в дейтерированную тяжёловодородную среду из них не только исчезает протонированная вода за счет реакции обмена Н2О-D2О, но и происходит быстрый H±D обмен в гидроксильных, сульфгидряльных и аминогруппах всех органических соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, сахара. Известно, что только С—Н-связь не подвергается обмену и соединения типа С—D синтезируются «de по-vo» (Чиргадзе с соавт., 1967).
Дейтерий (тяжелый водород) – один из двух стабильных изотопов водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Молекула дейтерия двухатомна. Содержание в природном водороде – 0,012–0,016%. Температура плавления – 254,5° С, температура кипения – 249,5° С. Тяжелая вода (оксид дейтерия) – изотопная разновидность воды; плотность 1,1, температура плавления – 3,8° С, температура кипения – 101,4° С.
В 1932 одно за другим следовали выдающиеся открытия в области физики: были открыты нейтрон и позитрон, разработана протоно-нейтронная теория строения ядер и релятивистская квантовая механика, построен первый циклотрон и изобретен электронный микроскоп, проведена первая реакция ядерного синтеза, экспериментально измерена скорость движения молекул. Недаром физики назвали этот год anno mirabilis – год чудес. В этом же году был открыт и второй изотоп водорода, названный дейтерием (от греческого deuteros – второй, символ D).
МЕТОД ТВЕРДОФАЗОВОЙ АДАПТАЦИИ КЛЕТОК К ТЯЖЁЛОЙ ВОДЕ
Тяжёлая вода отличается от обычной воды молекулярной массой. В молекуле тяжёлой воды в отличие от обычной воды вместо двух атомов водорода, связанных ковалентной связью с атомом кислорода в молекуле эти два атома водорода замещены на дейтерий.
Атом дейтерия отличается от атома водорода тем, что кроме протона он содержит нейтрон. Различие в нуклеарной массе атомов водорода и дейтерия и определяет те гидрофобные эффекты, которые тяжёлая вода оказывает на клетки и организм.
Важной проблемой для биосинтеза является адаптация клетки к тяжёлой воде. Долгое время считалось, что тяжёлая вода несовместима с жизнью. Известно, что высокие концентрации тяжёлой воды в ростовой среде могут вызвать ингибирование жизненно-важных функций роста и развития многих микроорганизмов [1].
Сказки про «живую» воду не были плодом фантазии. Люди давно подметили, что целебными свойствами обладает талая и ледниковая вода. Позже ученые нашли объяснение этому феномену — в ней, по сравнению с обычной, гораздо меньше молекул, где атом водорода заменен его тяжелым изотопом — дейтерием.
Легенда о «живой» воде обрела под собой твердую почву в шестидесятых годах прошлого века. В то время бурно развивалась атомная промышленность. Для ее нужд начали производить тяжелую воду. Учёные обнаружили, что побочный продукт этого производства — легкая вода (с пониженным содержанием дейтерия) — чрезвычайно благотворно влияет на живые организмы. В Московской горбольнице, где лечились атомщики, легкую воду стали использовать для оздоровления пациентов. Результаты впечатляли, но с развалом Союза у нас для научных экспериментов наступили не лучшие времена.
ДЕЙТЕРИЙ (от греческого deuteros-второй) (тяжелый водород) D, стабильный изотоп водорода с нуклеарной массой 2 ат. ед.
Ядро атома дейтерия - дейтерон состоит из одного протона и одного нейтрона, причём энергия связи между ними равна 2,23 МэВ.
Поперечное сечение ядерной реакции (n,) 53.1033 м2, поперечное сечение захвата тепловых нейтронов дейтеронами 15.1032 м2 (для протонов 3.1029м2). Молекула двухатомна, длина связи 0,07417 нм; основная частота колебаний атомов в молекуле 3118,46 см1; энергия диссоциации 440 кДж/моль, константа диссоциации К = p2D/pD2 = 4,173.1073 (293,15 К). С другими изотопами водорода дейтерий образует молекулы протодейтерия HD (мол. м. 3,02205) и дейтеротрития DT (мол. м. 5,03034).
