Вода с двойной меткой

Вода с двойной меткой — вода, в которой и водород и кислород частично или полностью заменены (то есть помечены) редким изотопом этих элементов в целях отслеживания.

По практическим соображениям (исходя из стоимости) и по соображениям безопасности воду с двойной меткой метят тяжёлыми, но нерадиоактивными изотопами, такими как: дейтерий (2H) и кислород-18 (18O) .

Вода с двойной меткой может быть использована для измерения средней суточной скорости метаболизма организма. Это делается путем введения в организм дозы воды с двойной меткой, а затем измерения скорости выведения дейтерия (2H) и кислорода-18 (18O) у субъекта с течением времени. Регулярно отбираются пробы и анализируется концентрация тяжёлых изотопов в воде организма (берутся пробы слюны, мочи или крови). Требуется как минимум два образца: первоначальный образец (после того, как изотопы достигли равновесия в организме) и второй образец через некоторое время. Интервал между взятием образцов зависит от размера организма. У мелких животных этот период может составлять всего 24 часа; у более крупных организмов (например, взрослых людей) он может длиться до 14 дней.

Метод был изобретён в 1950-х годах Натаном Лифсоном и его коллегами из Университета Миннесоты. Из-за высокой стоимости кислорода-18, до 1980-х годов его могли вводить только мелким животным. Достижения в области масс-спектрометрии в 1970-х и начале 1980-х сделало возможным использование малого количества кислорода-18, что сделало возможным применение метода к более крупным животным и людям[1]. Первое применение метода на людях было осуществлено в 1982 году Дейлом Шоллером, спустя более 25 лет после первоначального открытия. Полное описание этой методики представлено в книге британского биолога Джона Спикмена[2].

Механизм теста

Метод позволяет измерить выработку углекислого газа в организме в интервале между первым и последним взятием проб воды. При клеточном дыхании расщепляются углеродсодержащие молекулы (для высвобождения энергии), в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Атомы кислорода в CO2 находятся в равновесии с изотопами кислорода в воде организма[3]. Кислород в воде, помеченной кислородом-18 (18O), попадёт в углегислый газ (CO2) образующийся при дыхании. Кроме того, по мере того, как CO2 перемещается из места дыхания через цитоплазму клетки, через интерстициальную жидкость в кровоток, а затем в легкие, часть его обратимо превращается в бикарбонат. Таким образом, после употребления воды, меченой кислородом-18 (18O), 18O уравновешивается бикарбонатом и растворённым в организме углекислым газом (благодаря действию фермента карбоангидразы). При выдыхании углекислого газа из организма выводится 18O . Это было обнаружено Лифсоном в 1949 году. Однако 18O также теряется в результате потери воды организмом (например, с мочой и испарением жидкостей). Однако дейтерий (вторая метка в дважды меченой воде) теряется только при потере воды организмом. Таким образом, потеря дейтерия в воде организма с течением времени может быть использована для математической компенсации потери 18O через потерю воды. Остаются только чистые потери 18O в виде углекислого газа. Измеренное количества потерянного углекислого газа коррелирует с общим объёмом вырабатонного углекислого газа (см. дыхательный коэффициент). Этот коэффициент можно измерить и другими способами, и он почти всегда имеет значение от 0,7 до 1,0, а для смешанного рациона обычно составляет около 0,8.

Алгоритм метода:

  • Метаболизм можно рассчитать по соотношению поступления кислорода и выделения CO2 .
  • Вода с двойной меткой содержит прослеживаемый водород (дейтерий) и прослеживаемый кислород (18 O).
  • 18O выводится из организма двумя путями: (i) с выдыхаемым CO2 и (ii) с потерей воды (в основном) с мочой, потом и дыханием.
  • Но дейтерий уходит только вторым путем (потеря воды).

Приготовление

Поскольку изотопы будут растворены в воде организма, нет необходимости вводить их в состоянии высокой изотопной чистоты, нет необходимости использовать воду, в которой все или даже большинство атомов являются тяжелыми атомами, или даже начинать с воды, которая дважды мечена.

На практике дозы дважды меченой воды готовятся простым смешиванием тяжёлой воды (от 90 до 99 %) с водой, отдельно обогащенной кислородом-18 (18O), но в остальном содержащую нормальный водород. Обогащение кислородом-18 доводят не до высокого уровня, поскольку это было бы дорого и ненужно для данного применения. Образец смешанной воды содержит оба типа тяжелых атомов, в гораздо большей степени, чем обычная вода. Свободный обмен ионами в жидкой воде гарантирует, что запасы кислорода и водорода в любом образце воды (включая запас воды в организме) будут по отдельности уравновешены в течение короткого времени с любой дозой добавленного тяжелого изотопа(ов).

Применение

Метод двойной маркировки воды полезен для измерения средней скорости метаболизма (скорости полевого метаболизма) у субъектов, для которых другие типы прямых или косвенных измерений скорости метаболизма были бы затруднительны или невозможны. Например, этот метод позволяет измерять метаболизм животных в дикой природе, при этом технические проблемы в основном связаны со способом ввода дозы изотопа, а также сбора несколько образцов воды организма в более позднее время.

Большинство исследований на животных включают в себя отлов животных, введение им инъекций и последующее удержание их в течение различного периода времени до взятия первого образца крови. Этот период зависит от размера животного и варьируется от 30 минут для очень мелких животных до 6 часов для гораздо более крупных животных. Как у животных, так и у людей тест становится более точным, если для организма, питающегося стандартной пищей во время измерения, было проведено однократное определение дыхательного коэффициента.

Поскольку тяжелые изотопы водорода и кислорода в воде с двойной меткой нерадиоактивны и нетоксичны в используемых дозах (см. тяжёлая вода), измерение средней скорости метаболизма при помощи воды с двойной меткой использовалось на добровольцах, на младенцах[4] и беременных женщинах[5], а также более чем на 200 видах диких животных (в основном птицах, млекопитающих и некоторых рептилиях). В статье 2021 года обобщены результаты более 6400 измерений с использованием этой методики у людей в возрасте от 8 дней до 96 лет[6].

2H218O также может использоваться в случаях, когда требуется необычно тёплый лёд и необычно плотная вода, так как 2H218O плавится при температуре 4,00~4,04 °C , а максимальная плотность жидкости составляет 1,21684~1,21699 г/см 3 при температуре 11,43~11,49 °C[7].

См. также

Примечания

  1. ↑ Speakman JR (October 1998). The history and theory of the doubly labeled water technique. Am. J. Clin. Nutr. 68 (4): 932S – 938S. doi:10.1093/ajcn/68.4.932S. PMID 9771875.
  2. ↑ Speakman, J.R., Doubly Labelled Water: Theory and Practice. Springer Scientific publishers. ISBN 0-412-63780-4 ISBN 978-0412637803, 416 pages)
  3. ↑ Westerterp, Klaas R. (2017). Doubly labelled water assessment of energy expenditure: principle, practice, and promise. European Journal of Applied Physiology. 117 (7): 1277–1285. doi:10.1007/s00421-017-3641-x. ISSN 1439-6319. PMC 5486561. PMID 28508113.
  4. ↑ Jones PJ, Winthrop AL, Schoeller DA, et al. (March 1987). Validation of doubly labeled water for assessing energy expenditure in infants. Pediatr. Res. 21 (3): 242–6. doi:10.1203/00006450-198703000-00007. PMID 3104873.
  5. ↑ Heini A, Schutz Y, Diaz E, Prentice AM, Whitehead RG, Jéquier E (July 1991). Free-living energy expenditure measured by two independent techniques in pregnant and nonpregnant Gambian women. Am. J. Physiol. 261 (1 Pt 1): E9—17. doi:10.1152/ajpendo.1991.261.1.E9. PMID 1858878.
  6. ↑ Pontzer H, Yamada Y, Sagayama H, et al. (Aug 2021). Daily energy expenditure through the human life course. Science. 373 (6556): 808–812. Bibcode:2021Sci...373..808P. doi:10.1126/science.abe5017. PMC 8370708. PMID 34385400.
  7. ↑ Steckel, F.; Szapiro, S. (1962-07-04). Physical properties of heavy oxygen water. Part 1.—Density and thermal expansion. Transactions of the Faraday Society. 59: 331–343. doi:10.1039/TF9635900331.
Эта статья взята у (из) Wikipedia. Текст лицензируется по Creative Commons - Attribution - Sharealike. К медиа файлам могут применятся дополнительные условия.