Зависимость накопления тяжелых изотопов углерода и водорода в биосистемах от техногенного загрязнения окружающей среды

Предполагается, что повышенная техногенная нагрузка вносит коррективы в изотопные соотношения биогенных элементов. Было проведено обследование больных с патологическими изменениями разной этиологии. Зафиксировано наличие изотопного сдвига углерода в сторону увеличения содержания его тяжелого изотопа, а также выявлена прямопропорциональная связь величины сдвига со степенью тяжести заболевания. Эти исследования могут явиться основой для экологической оценки среды проживания организмов.

Вступление
          В 50-х гг. ХХ ст., использовав данные по относительным скоростям реакций между мечеными изотопами и молекулами, С. Сильвермен и У. Саккетт с коллегами показали, что при термическом разрыве связей С — С в различных органических веществах изотопы могут фракционироваться [1].
          В настоящее время исследователи предпочитают анализировать чистые соединения углерода с известным химическим строением и изучать изотопные связи между сосуществующими в осадках органическими фазами или метаболическими родственными соединениями. Это аналогично подходу геохимика, которого всегда больше интересует элементарный или изотопный состав индивидуальных материалов, чем химический состав породы в целом.
          Существует много специфических проблем и в биологии, и в геологии, при решении которых можно использовать данные по изотопам основных биогенных элементов (O, N, S, Fe, Ca, Na и др.), и особенно по изотопам углерода.
          Наша задача в какой-то степени объединяет эти проблемы, т. к. заключается в изучении зависимости накопления тяжелых изотопов углерода и водорода от техногенного загрязнения окружающей среды.
          Так известно, что при снижении молекулярного СО2 из-за условий среды и биологических обстоятельств изотопное равновесие между его молекулами и ионами кислых углеродистых соединений (например, НСО3-) нарушается, а из НСО3- образуется обогащенный 13С молекулярный СО2, активно поступающих в дальнейшем в трофические цепи.
          В 60-х гг. ХХ ст. в исследованиях, проведенных в лабораториях Абельсона и Дегенса было установлено, что внешняя среда обуславливает изменчивость изотопного состава некоторых элементов организма [2, 3]. Сейчас надежно установлено, что наибольшее обогащение изотопом 12С имеют липиды, а наименьшее – белки, аминокислоты (АК), лигнин. Фенолы в этом ряду занимают промежуточное положение. Помимо этого различается и изотопный состав углерода АК в одном и том же организме: в лейцине доля наиболее легкого изотопа углерода более высокая, чем в аспарагиновой и глутаминовой кислотах. Более того, углерод карбоксильных групп АК более богат 13С по сравнению с углеродом АК в целом. Эти примеры наглядно демонстрируют, насколько различным может быть изотопный состав некоторых элементов разных биохимических компонентов организмов.
          Сбор, систематика и обобщение данных по изотопному составу элементов в биосистемах показывает, что развиваемые в настоящее время концепции, объясняющие закономерности внутримолекулярного распределения изотопов углерода в биогенных молекулах, очень противоречивы. Действительные причины закономерного распределения изотопов углерода в биогенных молекулах следует, по-видимому, искать как в особенностях метаболических путей, так и в суммарных изотопных эффектах.
Связь накопления 13С и нарушения обмена веществ
          Существование живого организма как открытой, квазистационарной системы предполагает непрерывный приток свободной энергии из внешней среды c пищей (или светом у растений) и непрерывный приток вещества, используемого для увеличения массы при росте и размножении. Отсюда можно сделать вывод о возможности проникновения как жизненно важных, так и токсичных веществ из внешней среды в клетку.
          Исследование степени проницаемости клеточных оболочек изотопными методами показало, что в действительности, практически все вещества проникают в клетку, с более значительной скоростью проникают углеводы, АК, минеральные вещества (Na+, Cl-, K+, H3PO4 и др.). Сорбционный механизм может приводить как к увеличению, так и к понижению накопления данного вещества в клетке. Таким образом, изучение направленности движения веществ из внешней среды в клетку и обратно имеет очень большое значение для понимания самых существенных свойств живых клеток, определяющих функциональную активность живых организмов. Например, накопление тяжелого изотопа углерода в клетке прямо пропорционально скорости проникновения в нее АК из внешней среды, так как многие из них богаты этим стабильным изотопом. Поэтому можно предположить, что накопление 13С в клетке вызывается нарушениями энергетической составляющей изотопного метаболизма, так как процессы декарбоксилирования и восстановительного аминирования (или трансаминирования) «утяжеленных» белковых АК могут сказаться на энергетическом состоянии системы. Вероятно, аналогичные явления наблюдаются и в случае биосистем, испытывающих влияние больших техногенных нагрузок.
          Путем изменения структуры молекулы метаболита можно получить соединения, которые уже не могут нормально функционировать в обмене веществ и тормозят обмен соответствующих природных аналогов. В последние годы интерес к антиметаболитам значительно возрос, и были синтезированы многочисленные аналоги АК, витаминов, пуринов и др. метаболитов. Некоторые из них представляют интерес для биохимических исследований и для терапии.
          Механизм действия антиметаболитов еще не совсем ясен, однако известно, что они могут тормозить обмен природных продуктов, поэтому антагонист может оказывать действие, сходное с влиянием недостаточности природного продукта обмена. В одних случаях торможение снимается одновременным или предварительным введением природного метаболита. В других случаях торможение устранить труднее или оно вообще необратимо.
          При рассмотрении вопроса об аналогах АК сразу бросается в глаза, что многие природные АК сходны по своей структуре. Имеется много примеров антагонистических отношений между двумя природными АК нафтина, которые значительно усложняются в системах, содержащих много АК [4]. Можно несколько видоизменить подход к решению этой проблемы и во главу ее угла поставить не только изменения структуры молекулы метаболита, но и изменение изотопного соотношения отдельных биогенных элементов этой молекулы, например: С, Н, О или N, в случае серосодержащих АК это может быть и сера. Так, например, при изменении изотопного соотношения 12С/13С в сторону увеличения содержания тяжелого изотопа 13С, что особенно характерно для углерода моноаминодикарбоновых АК и для углерода карбоксильных групп АК относительно декарбоксилированного остатка, мы получим « утяжеленные» молекулы природных АК, что, по-видимому, может влиять на интенсивность изотопного метаболизма. Иначе говоря, АК с большим содержанием 13С, по-видимому, можно рассматривать как антиметаболиты природных АК. Некоторые из искусственно синтезированных антиметаболитов представляют интерес как для биохимических исследований, так и для терапии.
          Однако получить ответ о механизме действия антиметаболитов, в частности утяжеленных метаболитов природных АК, невозможно без специально поставленных исследований изолированных ферментных систем. Антагонизм между природными АК, который наиболее проявляется у группы АК с разветвленной углеродной цепью (лейцин, изолейцин и валин) – это другая сторона проблемы, которой в данном случае мы не касаемся.
Влияние изотопного соотношения водорода на состояние биосистемы
          Как известно, основная масса водорода на Земле сосредоточена в гидросфере. Поскольку естественные экосистемы неразрывно связаны с гидросферой, то большинство проведенных исследований изотопного состава водорода, в том числе и дейтерия (D), в природных экосистемах опираются на эту связь. Небезразличное отношение организма к разным изотопам водорода было обнаружено при работе с тяжелой водой. Большое общетеоретическое и практическое значение исследований влияния DO2 на различные процессы в живых организмах обуславливает растущий интерес к этой проблеме. Финкель и Чайка исследовали влияние различных концентраций DO2 в питьевой воде на развитие трансплантированной мышам опухоли. В разные сроки после трансплантации измеряли объем жидкости, выделяемой клетками опухоли, их объем и число. Было обнаружено весьма резкое замедление роста опухоли. При концентрации дейтерия в тканевых жидкостях, равной 24 %, объем жидкости на 9-й день после введения 7х105 клеток этой опухоли каждой мыши был в три раза меньше, чем в контроле. Соответственно меньшим было и число опухолевых клеток.
          Попытки теоретического объяснения аномальных эффектов в биологических системах не приводили к положительным результатам. Концепция, объясняющая аномальные эффекты D и 18О в D2O и Н218О, должна учитывать отсутствие таких эффектов для 15N и одинаковый порядок величин эффектов для D и 18O. Ответственным за анализируемые явления могло бы быть вещество, в котором сравнимо относительное содержание водорода и кислорода и нет азота. В наибольшей степени этому условию соответствует вода, составляющая значительную часть протоплазмы. Поэтому можно предположить, что причиной рассматриваемых изотопных эффектов является изменение изотопного состава воды. Вода в клетках находится в особом структурированном состоянии, промежуточном между структурой жидкой воды и льда. Слои ориентированной «кристаллической» воды окружают все гидрофильные макромолекулы в протоплазме, в том числе молекулы белка и нуклеиновых кислот. По-видимому, более правильно говорить о соответствии каких-то свойств не непосредственно у равных макромолекул, а у макромолекул, окруженных слоями структурированной воды. Такое соответствие может быть существенно нарушено при неравномерном изотопном составе структурированной воды в клетке. С этой точки зрения « изотопный анабиоз» указывает, что относительно однородная структура связанной воды любого изотопного состава обеспечивает необходимое взаимодействие макромолекул, без которого невозможны матричные синтезы или согласованные перемещения протоплазменных структур при митозе.
          Наблюдаемая картина получила бы естественное объяснение, если бы рассматриваемые биологические эффекты были связаны с какими-то параметрами, непосредственно зависящими от молекулярного веса воды. Так, например, изменение молекулярного веса непосредственно влияет на низкие колебательные частоты узлов кристаллической решетки воды и соответствующие им нулевые энергии. В связи с этим интересно отметить весьма существенную величину отклонений определенных фоновых уровней воды при изменении изотопного состава. Деление клеток происходит со сложной и совершенной координацией перемещений всех их основных частей (хромосом, центриоли, митохондрий и т. д.). Малейшее нарушение нормальной последовательности этих перемещений делает процесс невозможным или приводит к аномалиям. Можно предположить, что вода не только участвует в гидролитических и синтетических процессах, происходящих при делении, но и передает информацию, требующуюся для корреляции процессов в разных частях клетки.
Накопление тяжелого изотопа углерода и функциональная активность организма
          Таким образом, если изотопный обмен, в широком смысле – это перераспределение изотопов между молекулами, которое не сопровождается явными макроскопическими или физико-химическими процессами, то при изотопном метаболизме перераспределение изотопов (особенно накопление более тяжелого изотопа того или иного биогенного элемента) может изменять интенсивность процесса, что в свою очередь находит отражение в изменении функциональной (биологической) активности организма.
          В результате ряда экспериментов, в Институте геохимии окружающей среды НАН и МЧС Украины (ИГОС НАН и МЧС Украины) появилось предположение о том, что различная степень влияния техногенной нагрузки на живые организмы может вызвать изменения на уровне изотопного метаболизма стабильных изотопов углерода [5, 6].
          Для проверки этой гипотезы с 2000г. в ИГОС НАН и МЧС Украины проводятся совместные работы с Институтом геронтологии АМН Украины и Научным Центром радиационной медицины АМН Украины. Для получения репрезентативных данных был проведен комплекс клинических и лабораторных исследований углерода у трех групп людей разных возрастных категорий: первая группа состояла из здоровых доноров (10 человек), вторая группа — онкологические больные, имеющие разную степень лейкемии (10 человек) и третья группа — больные ишемической и гипертонической болезнью с разной степенью тяжести. Отбор проводился в клиниках вышеуказанных медицинских учреждений. Для изучения изотопного соотношения углерода использовались эритроциты, полученные из проб венозной крови. Пробы отбирались в состоянии покоя натощак. После центрифугирования и отмывания с помощью физиологического раствора получали эритроцитарную массу, которую медленно высушивали в чашке Петри при температуре 36о С. Отношение стабильных изотопов углерода 12С/13С определялось масс-спектрометрическим методом. Было зафиксировано, во-первых, наличие у больных лейкемией изотопного сдвига дельта углерода (в среднем –3,5‰ в сторону увеличения содержания тяжелого изотопа) и относительная стабильность изотопного сдвига дельта 13С в первой группе (от –23,3‰ до -23,8‰), в случае ишемической болезни от -21,2‰ до -21,5‰, а в случае гипертонии от -21,8‰ до -22,5‰. Во-вторых, было установлено, что величина изотопного сдвига углерода прямо пропорциональна степени тяжести заболевания. В то же время, проведенные исследования не выявили существенных различий в соотношении легкого и тяжелого изотопов углерода в эритроцитах здоровых молодых людей и здоровых людей пожилого возраста. Таким образом, между показателями изотопного соотношения углерода и основного обмена веществ существует корреляционная связь, что в определенной мере свидетельствует о влиянии изотопного распределения углерода в эритроцитах на интенсивность реакций внутриклеточного изотопного метаболизма.
Выводы
          Дальнейшие исследования, на наш взгляд, могут определить роль изменений изотопной формулы углерода и других биогенных элементов в интенсивности ключевых реакций внутриклеточного метаболизма, в формировании различных патологий, выявить зависимость изменений изотопного соотношения от экологических факторов. В подобные эксперименты мы планируем включать и другие биогенные элементы, в частности железо. Не исключена возможность изотопных сдвигов, к примеру, в железе гема крови, структура которого целиком подобна структуре хлорофилла, но ядром последнего является железо вместо магния.
          Таким образом, существует зависимость между накоплениями тяжелых изотопов биогенных молекул и изменением функциональной активности живого организма. Это положение может являться основой для экологической оценки среды обитания живых организмов, особенно в условиях увеличения техногенной нагрузки и может быть использована для создания новых методов доклинической диагностики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРИ
1. Органическая геохимия / Под ред. Дж. Эглинтона и М. Т. Дж. Мэрфи – Л.:»Недра», 1974. – 487с.
2. Abelson P. H., Hoering T. C. Carbon isotope fractionation in formation of amino acid by photosynthetic organisms. // Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1961, 47, V. 5. — P. 623 — 632.
3. Degens E. T., Quillard R. J., Sackett W. M., Hellebust J. A. Metabolic fractionation of carbon isotopes in marine plankton. – Pt. I. »Deep. Sea Res.» 1968, 15. P. 1—9.
4. Degens E. T., Behreng M., Gotthardt B., Reppmann B. Metabolic fractionation of carbon isotopes in marine plankton. – Pt. II. «Deep-Sea Res.», 1968, 15. – P. 11- 20.
5. Соботович Э. В., Лысенко О. Б. Изотопные сдвиги элементов в тканях растений как возможный индикатор биологической активности организма и фитопатологий. // Зб. наук. пр. ДНЦ РНС НАН и МЧС Украины, № 1, К., 2000. – С. 164 — 179.
6. Е. Соботович, О. Коркушко, О. Лысенко, В. Шатило. Індикатор біологічної активності організму? Вісн. НАН України. 2000, № 12. С. 16 — 23.

О. Б. Лысенко, А. В.Бухал, Л. В. Лысенко
Зависимость накопления тяжелых изотопов углерода и водорода в биосистемах от техногенного загрязнения окружающей среды

Збірник матеріалів МНПК “Перший Всеукраїнський з’їзд екологів”
Скачати в форматі pdf:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/1vze/zb_m/0026_zb_m_1VZE.pdf
Скачати в форматі doc:
http://eco.com.ua/sites/eco.com.ua/files/lib1/konf/1vze/zb_m/0026_zb_m_1VZE.doc

Оцінка: 
0
No votes yet