Вода с двойной маркировкой
Вода с двойной меткой — это вода, в которой и водород , и кислород были частично или полностью заменены (т.е. помечены ) необычным изотопом этих элементов для целей отслеживания.
На практике, как по практическим соображениям, так и по соображениям безопасности, почти во всех недавних применениях метода «двойно меченной воды» (DLW) используется вода, меченная тяжелыми, но нерадиоактивными формами каждого элемента ( дейтерий , 2 ЧАС; и кислород-18 , 18 О). Теоретически для такой маркировки можно использовать радиоактивные тяжелые изотопы элементов; так было во многих ранних применениях метода. [ нужна ссылка ]
В частности, DLW может использоваться в качестве метода измерения средней суточной скорости метаболизма организма за определенный период времени (часто также называемой скоростью полевого метаболизма или FMR у животных, отличных от человека). Это делается путем введения дозы DLW, а затем измерения скорости выведения 2 Рука 18 O у субъекта с течением времени (посредством регулярного отбора проб концентрации тяжелых изотопов в воде организма, путем отбора проб слюны, мочи или крови). Требуется как минимум две пробы: первоначальная (после того, как изотопы достигли равновесия в организме) и вторая проба через некоторое время. Время между этими пробами зависит от размера животного. У мелких животных этот период может составлять всего 24 часа; у более крупных животных (например, взрослых людей) этот период может достигать 14 дней.
Метод был изобретен в 1950-х годах Натаном Лифсоном и его коллегами. [1] [2] в Университете Миннесоты. Однако до 1980-х годов его использование ограничивалось мелкими животными из-за высокой стоимости кислорода-18. Достижения в области масс-спектрометрии в 1970-х и начале 1980-х годов снизили количество требуемого изотопа, что сделало возможным применение метода к более крупным животным, включая человека. [3] Первое применение на людях было в 1982 году. [4] Дейл Шоллер , спустя более 25 лет после того, как этот метод был впервые открыт. Полное описание метода представлено в книге британского биолога Джона Спикмана . [5]
Механизм теста
[ редактировать ]субъектом Этот метод измеряет выработку углекислого газа в промежутке между первым и последним отбором проб воды из организма. Метод зависит от особенностей углеродного обмена в нашем организме. Когда клеточное дыхание расщепляет углеродсодержащие молекулы с целью высвобождения энергии, в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Атомы кислорода в CO 2 существуют в равновесии с изотопами кислорода в воде организма. [6] Поэтому, если кислород в воде помечен знаком 18 O, то CO 2 , образующийся при дыхании, будет содержать меченый кислород. Кроме того, по мере того, как CO 2 перемещается из места дыхания через цитоплазму клетки, через интерстициальную жидкость в кровоток и затем в легкие, некоторая его часть обратимо превращается в бикарбонат. Так, после употребления воды с маркировкой 18 О, 18 O уравновешивает запасы бикарбоната и растворенного углекислого газа в организме (за счет действия фермента карбоангидразы ). При выдыхании углекислого газа 18 О теряется из тела. Это было обнаружено Лифсоном в 1949 году. [7] Однако, 18 O также теряется в результате потери воды в организме (например, с мочой и испарением жидкостей). Однако дейтерий (вторая метка в воде с двойной меткой) теряется только тогда, когда теряется вода из организма. Таким образом, потерю дейтерия в воде организма с течением времени можно использовать для математической компенсации потери дейтерия. 18 O по пути потери воды. В результате остается только оставшийся чистый убыток 18 О в углекислом газе. Это измерение количества потерянного углекислого газа является отличной оценкой общего производства углекислого газа. Как только это станет известно, общую скорость метаболизма можно будет оценить, исходя из упрощающих предположений относительно соотношения кислорода, используемого в метаболизме (и, следовательно, выделяемого тепла), к выделившемуся углекислому газу (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 питания обычно составляет около 0,8.
Говоря простым языком:
- Метаболизм можно рассчитать по поступлению кислорода/выходу CO 2 .
- DLW («меченая» вода) — это отслеживаемый водород (дейтерий) и отслеживаемый кислород ( 18 ТЕМ).
- The 18 О покидает организм двумя путями: (i) с выдыхаемым CO 2 и (ii) с потерей воды (в основном) с мочой, потом и дыханием.
- Но дейтерий уходит только вторым путем (потеря воды).
По потере дейтерия мы знаем, сколько меченой воды покинуло организм в виде воды. И, поскольку концентрация 18 Содержание O в воде организма измеряется после введения указанной дозы; мы также знаем, сколько меченого кислорода покинуло организм в воде. (Более простая точка зрения состоит в том, что соотношение дейтерия к 18 O в воде организма фиксирован, поэтому общая скорость потери дейтерия из организма, умноженная на это соотношение, сразу дает скорость потери 18 O в воде.) Измерение 18 Разбавление O с течением времени дает полную потерю этого изотопа всеми путями (с водой и дыханием). Поскольку соотношение 18 O в общий кислород воды в организме измеряется, мы можем преобразовать 18 Потеря O при дыхании в результате потери общего количества кислорода из водного бассейна организма в результате преобразования в углекислый газ. Количество кислорода, выведенного из организма в виде CO2, такое же, как и количество CO2 , вырабатываемого в результате метаболизма, поскольку организм производит CO2 только этим путем. Потери CO 2 говорят нам о произведенной энергии, если мы знаем или можем оценить дыхательный коэффициент (отношение произведенного CO 2 к израсходованному кислороду).
Практическое применение изотопов
[ редактировать ]DLW можно вводить путем инъекции или перорально (обычный способ у людей). 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 вдвойне помечены. Также нет необходимости вводить ровно один атом 18 О на каждые два атома дейтерия. На практике этот вопрос регулируется экономикой закупок. 18 O обогащенной воды и чувствительности имеющегося масс-спектрографического оборудования.
На практике дозы дважды меченной воды для метаболической работы готовятся путем простого смешивания дозы оксида дейтерия ( тяжелой воды ) (от 90 до 99%) со второй дозой H 2 . 18 O, то есть вода, отдельно обогащенная 18 O (хотя обычно не до высокого уровня, поскольку это было бы дорого и ненужно для такого использования), но в остальном содержит нормальный водород. Проба смешанной воды содержит оба типа тяжелых атомов, в гораздо большей степени, чем обычная вода, и теперь «двойно помечена». Свободный обмен водородами между молекулами воды (посредством нормальной ионизации) в жидкой воде гарантирует, что пулы кислорода и водорода в любой пробе воды (включая водный резервуар организма) будут отдельно уравновешены за короткое время любой дозой добавленного вещества. тяжелый изотоп(ы).
Приложения
[ редактировать ]Метод дважды меченной воды особенно полезен для измерения средней скорости метаболизма ( полевой скорости метаболизма ) в течение относительно длительных периодов времени (несколько дней или недель) у субъектов, для которых другие типы прямых или непрямых калориметрических измерений скорости метаболизма были бы затруднительны. или невозможно. Например, этот метод может измерять метаболизм животных в диком состоянии, при этом технические проблемы связаны в основном с тем, как вводить дозу изотопа, а также собирать несколько образцов воды из организма в более позднее время для проверки дифференциального удаления изотопов.
Большинство исследований на животных включают отлов испытуемых животных и введение им инъекций, а затем выдерживание их в течение определенного периода времени, прежде чем будет взят первый образец 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 однократное определение дыхательного коэффициента было проведено для организма, питающегося стандартным рационом на момент измерения, поскольку это значение изменяется относительно мало (и более медленно) по сравнению с гораздо более медленными изменениями. более значительные изменения скорости метаболизма, связанные с терморегуляцией и активностью.
Поскольку тяжелые изотопы водорода и кислорода, используемые при стандартном измерении DLW, нерадиоактивны, а также нетоксичны в используемых дозах (см. « Тяжелая вода »), измерение средней скорости метаболизма по DLW широко применяется у людей-добровольцев и даже у младенцев [8] и беременные женщины. [9] Этот метод был использован на более чем 200 видах диких животных (в основном на птицах, млекопитающих и некоторых рептилиях). Рассмотрены применения метода на животных. [10] [11] В статье 2021 года были обобщены результаты более 6400 измерений с использованием этой методики на людях в возрасте от 8 дней до 96 лет. [12]
ДЛВ ( 2 Ч 2 18 O) также может использоваться для обозначения необычно теплого льда и необычно плотной воды, поскольку он имеет более высокую температуру плавления и плотнее, чем легкая вода или то, что обычно подразумевается под «тяжелой водой» ( 2 Ч 2 16 ТЕМ). 2 Ч 2 18 O плавится при 4,00–4,04 °C (39,2–39,27 °F), а жидкость достигает максимальной плотности 1,21684–1,21699 г/см. 3 при 11,43–11,49 °C (52,57–52,68 °F). [13]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лифсон, Н., Гордон, ГБ и МакКлинток, Р. (1955) Измерение общего производства углекислого газа с помощью D218O. Дж. Прил. Физиол., 7, 704–710.
- ^ Лифсон Н. и МакКлинток Р. (1966) Теория использования скорости оборота воды в организме для измерения энергетического и материального баланса. Дж. Теория. биол., 12, 46–74.
- ^ Спикмен младший (октябрь 1998 г.). «История и теория техники двойной маркировки воды» . Являюсь. Дж. Клин. Нутр . 68 (4): 932С–938С. дои : 10.1093/ajcn/68.4.932S . ПМИД 9771875 .
- ^ Шоллер, Д.А. и ван Сантен, Э. (1982) Измерение расхода энергии у людей с помощью дважды меченной воды. Дж. Прил. Физиол., 53, 955–959.
- ^ Спикмен, младший, Вода с двойной маркировкой: теория и практика. Издательство Springer Scientific. ISBN 0-412-63780-4 ISBN 978-0412637803 , 416 страниц)
- ^ Вестертерп, Клаас Р. (2017). «Двойная оценка затрат энергии на воду: принцип, практика и обещание» . Европейский журнал прикладной физиологии . 117 (7): 1277–1285. дои : 10.1007/s00421-017-3641-x . ISSN 1439-6319 . ПМЦ 5486561 . ПМИД 28508113 .
- ^ Лифсон Н., Гордон Г.Б., Вишер М.Б. и Нир А.О. (1949) Судьба используемого молекулярного кислорода и источник кислорода дыхательного углекислого газа, изученный с помощью тяжелого кислорода. Ж. Биол. хим. А, 180, 803–811.
- ^ Джонс П.Дж., Уинтроп А.Л., Шоллер Д.А. и др. (март 1987 г.). «Валидация дважды маркированной воды для оценки энергетических затрат у младенцев» . Педиатр. Рез . 21 (3): 242–6. дои : 10.1203/00006450-198703000-00007 . ПМИД 3104873 .
- ^ Хейни А., Шютц Ю., Диас Э., Прентис А.М., Уайтхед Р.Г., Жекье Э. (июль 1991 г.). «Затраты энергии на свободную жизнь, измеренные двумя независимыми методами у беременных и небеременных женщин Гамбии». Являюсь. Дж. Физиол . 261 (1 Часть 1): E9–17. дои : 10.1152/ajpendo.1991.261.1.E9 . ПМИД 1858878 .
- ^ Спикман, JR (2000) Стоимость жизни: скорость метаболизма мелких млекопитающих. Достижения экологических исследований 30: 177–297.
- ^ Надь, К.А. (2005) Скорость метаболизма и размер тела. Журнал экспериментальной биологии 208, 1621–1625.
- ^ Понцер Х., Ямада Ю., Сагаяма Х. и др. (август 2021 г.). «Суточные затраты энергии на протяжении жизни человека» . Наука . 373 (6556): 808–812. Бибкод : 2021Sci...373..808P . дои : 10.1126/science.abe5017 . ПМЦ 8370708 . ПМИД 34385400 .
- ^ Стеккель, Ф.; Сапиро, С. (4 июля 1962 г.). «Физические свойства тяжелокислородной воды. Часть 1. Плотность и тепловое расширение». Труды Фарадеевского общества . 59 : 331–343. дои : 10.1039/TF9635900331 .