Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.4. Изотопные эффекты и их биологическая роль
Количество публикаций о воде с пониженным содержанием дейтерия увеличилось в несколько раз за последние 10 лет. Проведенные исследования биологической активности воды обедненной по дейтерию показали ее положительную биологическую активность. Влияние воды с измененным изотопным составом исследовалось в основном на многоклеточных сложноорганизованных биологических объектах [25–27].
Исследователи обнаружили, что клетки Spirogyra nitida в тяжелой воде прекращают расти и делиться, однако затем в более продолжительных опытах установили, что адаптация к тяжеловодородной среде в некоторых случаях возможна. Так метилотрофные бактерии адаптируются к средам, содержащим 99,9 % оксида дейтерия D2О, однако скорость роста и выход биомассы после адаптации остаются более низкими, чем в аналогичных средах, содержащих обычную воду [4, 28, 29]. Подробности того, как происходит адаптация, какие процессы в нее вовлечены, еще предстоит выяснить.
Дейтерий, включаясь в белок, изменяет его структуру. Например, дейтерирование ≈ 0,5 ккал/моль лошадиного цитохрома снижало его стабильность. Это отражается в снижении скорости ренатурации при почти таком же ускорении разворачивания, что соответствует около 50 % нативных Н-связей в переходном состоянии спиральных белков. Однако α/β-белок (убиктивин млекопитающих) имеет слабый изотопный эффект лишь при скорости разворачивания, что говорит о том, что путь укладки может быть иным и зависит от величины поверхности, ставшей недоступной в переходном состоянии.
Механизм адаптации и ингибирующего действия D2О изучен недостаточно. Возможно, биологический эффект дейтерия вызван снижением активности дейтерированных ферментов [30].
Даже незначительное изменение содержания дейтерия в воде влияет на ее свойства. Ниже приводим лишь некоторые наиболее изученные аспекты воздействия воды с измененным содержанием дейтерия на организм.
Известно, что помещение белков в тяжелую воду (оксид дейтерия) сопровождается увеличением их термостабильности на 2–6 °С. Зависимость температуры денатурации от доли тяжелой воды в растворе не линейна. Проанализированы факторы, обеспечивающие увеличение термостабильности белков в тяжелой воде. Проведенный анализ указывает на существенную роль воды, специфически связанной с биополимером. Судя по характеру нелинейности – быстрому увеличению температуры денатурации при малых добавках тяжелой воды, – тяжелая вода по сравнению с обычной водой предпочтительнее связывается с белком. Форма кривых зависит от исследуемого белка и варьирует от выпуклой до S-образной. Для выяснения роли воды в стабилизации биополимеров рассмотрены модели с одним и двумя центрами связывания воды, существенной для термостабильности нативного биополимера [31]. Получены нелинейные зависимости температуры денатурации от концентрации дейтерия в смесях тяжелая – обычная вода. Форма кривых зависит от соотношения констант связывания ОН– и OD-групп. В белках осуществляется обмен H–D в пептидных группах: в 80 и более процентах пептидных групп обмен протекает до 5 мин. Это объяснено существованием заполненных водой пор в структуре белка. Наилучшим образом экспериментальные кривые описываются двуцентровой моделью связывания с предпочтительным связыванием тяжелого изотопа. Необходимость участия двух ОН– или OD-групп, либо их комбинации свидетельствует об участии водных мостиков в стабилизации нативной структуры белков [25].
При комнатной температуре наблюдается активирующее действие малых концентраций дейтерия на ферментативную активность. Однако при температуре ниже температуры фазового перехода липидов и липидобелковых комплексов препарата (13,4 °С) активация ферментов малыми добавками D2О отсутствует.
С понижением содержания дейтерия обнаружено значительное увеличение скорости роста и развития некоторых водорослей.
Наблюдается радиозащитный и иммуностимулирующий эффект обедненной дейтерием воды. Длительное употребление воды с пониженным содержанием дейтерия (дейтерия и кислорода 18О) приводит к снижению степени тяжести лучевых повреждений, обусловленных действием гамма – излучения в низких дозах в условиях ежедневного воздействия.
Потребляемая вода с пониженным содержанием дейтерия усиливает иммунную защиту организма. Иммунологические параметры существенно повышаются при употреблении легкой воды. В условиях воспаления потребление обедненной дейтерием воды приводило к статистически достоверному усилению иммунологического ответа в виде повышения численности полиморфноядерных нейтрофилов и лимфоцитов в периферической крови и повышения фагоцитарной способности нейтрофилов крови [26].
Дейтерий накапливается в биологических системах и его концентрация в различных клетках организма со временем становится выше, чем в потребляемой воде. Более легкие изиогомологи удаляются преимущественно с влагой [32]. Количество протия, дейтерия и трития в воде влияет на параметры связывания, что следует учитывать при проведении любого изотопного исследования [34].
Выводить дейтерий из организма можно только с помощью реакций изотопного обмена, для чего должна быть использована вода с пониженным содержанием дейтерия [35].
Биологическая активность воды зависит не только от изотопного состава, но и от структуры.