Ізотопний складу людини

З чого складається людське тіло? Крім того, що як будь-яка матерія людський організм складний з цеглинок - атомів, атоми одного сорту відрізняються кількістю елементарних частинок, їх складових, тобто мають властивість ізотопів. Для для того, щоб було легше оперувати цифрами, уявімо собі якогось людини, вага якого складає 50 кг. Тоді на кисень, вуглець, азот і водень припадає загалом 48.3 кг. На всі інші елементи -- , що залишилися, 1.3 кг. Користуючись таблицею природного поширеності ізотопів, легко порахувати, яка кількість в такому гіпотетичному людині міститься тих чи інших ізотопів. Більше всього в людині кисню (30.481 кг). Це означає, що ізотопу кисню з масовим числом 16 (позначається 16о) в людині 30.4 кг, ізотопу з масовим числом 17 (17О) 12.3 г і з масовим числом 18 (18О) 68.6 м. Вуглецю в нашому людину 11.537 кг і він розподілений між ізотопом з масовим числом 12 (12С) - 11.4 кг - і ізотопом з масовим числом 13 (13С) -- 137 р. водню в людині трохи більше п'яти кг: з масовим числом 1 (1Н) 5.0 кг, з масовим числом 2 (2Н або D - дейтерій) 1.5 р. Нарешті, ізотопи азоту з масовими числами 14 (14N) і 15 (15N) містяться в кількостях 1.3 кг та 5.1 г, відповідно. Один з авторів зобразив такого "ізотопного людини "в наступному вигляді:

Таким чином при масі тіла 50 кг в ньому міститься 225 г важких ізотопів. Людина росте і додає у вазі за рахунок харчування. Також за рахунок харчування компенсуються витрати енергії, підтримується температура тіла, забезпечуються процеси обміну речовин.

Їжа - Це білки, жири і вуглеводи. Всі ці речовини складаються, в основному, якраз з тих чотирьох елементів, про які йшла мова вище (кисень, вуглець, водень і азот). Всі органічні речовини в кінцевому підсумку зобов'язані своїм походженням фотосинтезу в рослинах. Рослини поглинають вуглекислий газ з повітря, який під дією світла і каталізаторів (у ролі останніх виступають особливі білкові структури, так звані ензими) взаємодіє з водою, що втягується кореневої системою, з утворенням найпростіших "цеглинок" органічних речовин. З цих "Цеглинок" також за допомогою каталізаторів - ензимів створюються складні органічні молекули вуглеводів, жирів і білків.

Таким і тільки таким способом окислений вуглець (вуглекислий газ) переходить у відновлений, тобто здатний горіти. Рослини можуть засвоювати вуглекислий газ лише за одним із трьох способів. За яким конкретно, залежить від таких факторів, як концентрація вуглекислого газу в атмосфері, навколишнє температура, довжина світлового дня. Найбільш поширений носить назву циклу Кельвіна і позначається С3.

Суть його в тому, що з засвоєних молекул вуглекислого газу рослина будує фосфогліцеріновую кислоту - ланцюжок з трьох атомів вуглецю (саме тому позначення С3). Ця кислота використовується в подальшому для синтезу вуглеводів. Цикл Кельвіна в порівнянні з двома іншими механізмами вимагає менше енергії, тобто сонячного світла, але працює при відносно великих концентраціях вуглекислого газу. Переважна більшість дерев, чагарників і трав засвоюють вуглекислий газ з атмосфери саме таким чином.

Другий механізм засвоєння називається циклом Хетча-Слек і позначається С4. Тут на першому етапі з вуглекислого газу рослини синтезують яблучну і аспаргіновую кислоти, кожна з яких містить у своїй молекулі по чотири атома вуглецю (звідси назва С4). Такий механізм засвоєння вуглекислого газу працює при невисоких концентраціях його в повітрі, але вимагає багато сонячної енергії. Типові представники рослинного світу, що використовують цикл Хетча-Слек, - це цукрова тростина і кукурудза.

Нарешті, деякі рослини, які ростуть у теплому і сухому кліматі, наприклад, кактуси і ананаси використовують комбінований механізм, що об'єднує обидва, описані вище. Він позначається латинськими літерами САМ (початкові літери Crassulacean Acid Metabolism - метаболізм крассулаціановой кислоти). Засвоєння атмосферного вуглекислого газу рослинами проходить за рахунок фотокаталітичних процесів, причому в ролі каталізаторів виступають надзвичайно вибірково діючі ензими, "які віддають перевагу" працювати з тими ізотопами, яких у природі більше, тобто з 1Н, 12С та 16о.

В результаті природні органічні речовини виявляються збагаченими найбільш поширеними ізотопами. Малі відмінності в ізотопних складах елементів прийнято вимірювати в одиницях d (дельта): d = [(Rпроби/Rстандарта) - 1] .103 ‰. Тут R - відношення концентрацій важкого ізотопу до легкого (наприклад, 13С до 12С). Величина в квадратних дужках як правило надзвичайно мала, тому для зручності її множать на 1000 і відраховують в проміле. Сучасні серійні прилади - мас-спектрометри - дозволяють вимірювати значення d з точністю краще, ніж 0.01 ‰ (DELTAplus, DELTAplus XL, MAT 253). Для вуглецю, наприклад, це означає можливість впевнено зареєструвати різницю в ізотопного складу двох зразків з вмістом 13С рівним 0.0111121 атомних% (концентрація "важкого" атома С в міжнародному стандарті ізотопного складу вуглецю PDB) і 0.0111120 ат. %.

Для Кожен з названих механізмів засвоєння вуглецю характерна своя величина d. Так, d 13С для механізму С3 лежить в інтервалі від -21 до -31, для механізму С4 від -9 до -15, для САМ від -11 до -28 ‰. Різниця в ізотопних ефекти вуглецю у рослин С3 і С4 дозволяє однозначно ідентифікувати не тільки самі рослини і їхні плоди, а й продукти їхньої переробки.

Проілюструвати можливості контролю ізотопного складу зручно на прикладі меду. Бджоли збирають пилок і нектар як правило з рослин С3. Тому натуральний мед характеризується величиною d 13С порядку -25 ‰. Якщо ж мед розведений сиропом (кукурудзяним або з цукрового очерету, для яких d 13С становить -10 ‰), то ізотопний склад вуглецю в суміші буде проміжним між -25 ‰ і -10 ‰. Якщо провести досить нескладну процедуру поділу меду на дві складові -- білкову та вуглеводну і проаналізувати ізотопний склад вуглецю в кожній з них, то стане одразу ж ясно натуральний чи цей мед або фальсифікат. У меду обидві складові відбулися одночасно і з одного джерела та ізотопними розподіл вуглецю в них має бути однакова. Якщо воно відмінна, то мед фальсифікований цукром або сиропом.

За ізотопного складу вуглецю вдається встановлювати факти фальсифікації не тільки меду, але і концентратів фруктових соків, якщо в них долучено дешевий сироп, що особливо важливо для нашої країни, що імпортує напівфабрикати прохолодних напоїв. Інший приклад використання ізотопного складу вуглецю з метою встановлення істини - це виявлення типу етилового спирту, що використовується для виготовлення горілки. Відомо, що синтетичний спирт заборонений для приготування алкогольних напоїв: сировиною в цьому випадку може виступати тільки "Харчовий" етиловий спирт, який одержують бродінням глюкози рослинного походження і мають той же ізотопний склад вуглецю, що і сировину.

Синтетичний спирт отримують гідратірованіем етилену, що міститься в крекінгові газах, ізотопний склад вуглецю в якому різко відрізняється від рослинного. Безумовно, хімічний склад домішок харчового і синтетичного спиртів різний і його легко можна зафіксувати за допомогою, наприклад, газового хроматографа. Однак, добавка відра самогону в залізничну цистерну чистого синтетичного спирту призводить до того, що хроматограф виявиться неспроможним. У той же час вимірювання ізотопного складу вуглецю дасть однозначну відповідь на питання, який із спиртів харчової, а який синтетичний.

Не спиртом єдиним живе людина! Всі продукти харчування несуть на собі ізотопних позначку. А оскільки людина є те, що він їсть (і п'є), то і він несе цю позначку. Ізотопний склад вуглецю в американця (d 13С укладена в інтервалі від -19 ‰ до -13 ‰) помітно відрізняється від того, що у європейця (d 13С лежить між -28 ‰ і -21 ‰). Пояснити це не важко. У дієті європейця переважають рослини типу С3, рослини цього ж типу йдуть і на корм худобі. А в США значно більшу частку раціону і людей, і домашніх тварин становить кукурудза і цукровий очерет, що відносяться до рослин С4. Експериментально перевірити це вирішив Тур Стерлінг з університету штату Юта. У 1996 році він відправився в геофізичну експедицію до Монголії на чотири місяці. Щоранку він збирав там залишки свого волосся після гоління і упаковував їх в окремі марковані пакетики. Повернувшись в США, він продовжував це робити ще два місяці. А потім Крег Кук, біолог з того ж університету, провів ізотопний аналіз вуглецю волосся. Виявилося, що під час перебування в Монголії він змінився з -16 ‰ до -23 ‰, а через три тижні після повернення з експедиції склад знову став нормальним для американця. Цікаво, що Стерлінг в середині свого відрядження повернувся з монгольської "глибинки" в Улан-Батор і жив там протягом двох тижнів у посольстві США, харчуючись американськими продуктами. Цей епізод з відповідним зрушенням знайшов своє відображення на графіку залежності ізотопного складу вуглецю від часу. Все це однозначно свідчить про зв'язок ізотопного складу з дієтою.

ізотопна мітка людини допомагає органам, які контролюють наявність у спортсмена слідів застосування допінгових препаратів. Відомо, що проблема їх вживання вирішується хіміко-аналітичними методами. Але якщо приймається препарат збігається з ендогенних, тобто вироблюваним організмом людини, то стандартна аналітика безсила. Саме така ситуація має місце у випадку тестостерону - одного з основних допінгів. Однак, у синтетичного тестостерону ізотопний склад вуглецю істотно відрізняється від d 13С американця і, тим більше, європейця. Тому виміряна величина d 13С дає однозначну відповідь про походження тестостерону.

Взагалі, проблема джерела походження стоїть дуже гостро будь то розлита в океані нафту, або вино в пляшці з наклейкою "Бордо", або ванілін, за документами привезений з Коморських островів. Такі завдання можна перераховувати досить довго. У США та Європейському Союзі вони вирішуються за допомогою ізотопної мас-спектрометрії: вимірюється ізотопний склад вуглецю, водню, кисню та азоту досліджуваного зразка і зіставляється з відповідними величинами із банку даних. Це можна проілюструвати прикладом, показавши фрагмент банку даних з ізотопного складу кисню у винах, що виробляються в країнах Європейського Союзу та в ряді прикордонних до нього держав (в основному, країн середземноморського регіону).

На наведеному графіку по осі ординат відкладено ізотопний склад кисню в вина (у одиницях d 18О), а по осі абсцис - район виноробства (у порядку убування d 18О). Користуючись цим банком даних ідентифікують місце походження вина або перевіряють його маркування. Більш складна ситуація має місце у випадку нафти: тут ізотопний склад - одна зі складових банку даних, який містить крім цього відомості про біомаркерів і мікроелементах нафти з кожної сверд.

З ізотопним складом людини пов'язане широке поширення в останні три-чотири роки в розвинених країнах нового неінвазивного методу діагностики ряду захворювань. Зручно проілюструвати це на прикладі хвороб шлунково-кишкового тракту. У 1994 році Всесвітня Організація Охорони Здоров'я (ВООЗ) офіційно визнала факт інфекційного походження коліту, гастриту, виразки дванадцятипалої кишки і виразки шлунка. Причиною перерахованих захворювань є відкрита в 1983 році бактерія Helicobacter pylori (H. pylori). Ця бактерія завдяки тому, що вона оточена ензимом уреаза, може існувати в кислому середовищі шлунка. Уреаза розкладає сечовину на аміак і вуглекислий газ.

Це властивість уреази покладено в основу діагностики інфікування пацієнта: якщо H. pylori присутні, сечовина розкладається, якщо бактерій немає, то проходить шлунково-кишковий тракт без розкладання. Пацієнт через вузьку трубку, що доходить до дна пробірки, робить видих. Пробірки закривається і маркується. Пацієнту дають випити сік (або воду), в якому розчинено близько 70 мг сечовини, збагаченої стабільним ізотопом вуглецю 13С. Через півгодини проводять повторний відбір проби видихається повітря в іншу маркіровану пробірку. Якщо пацієнт інфікований, то вуглекислий газ у видихуваному ним після прийому сечовини повітрі буде збагачений ізотопом 13С. При цьому, чим більше в шлунку бактерій H. pylori, тим більше це збагачення. Описана процедура носить назву "уреазний дихальний тест".

Наші знання про протікання біохімічних процесів в організмі здорової людини і про їх порушення при тих чи інших захворюваннях відкривають широкі можливості застосування дихального тесту для діагностики. При цьому як ізотопно міченого маркера вибирається таке з'єднання, одним з продуктів метаболізму якого виступає вуглекислий газ. В даний час розроблені неінвазивні методики діагностики екзокринної недостатності підшлункової залози, порушень кінетики амінокислотного метаболізму та формування білків. Також з допомогою дихального тесту контролюють ензимна функцію печінки, активність окислення жирних кислот, час проходження їжі через шлунково-кишковий тракт. Ідеальним приладом для ізотопної діагностики виявився мас-спектрометр BreathMATplus. Унікальна точність, висока продуктивність, простота експлуатації зробили цей прилад незамінним в лікарській практиці розвинених країн, надавши можливість не тільки встановлювати факт захворювання, а й відслідковувати результати лікування. За європейською статистикою достатньо одного такого приладу на мільйон жителів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/