Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигацииПерейти к поиску

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 из практических соображений, так и из соображений безопасности, почти все недавние применения метода «воды с двойной меткой» используют воду, меченную тяжелыми, но нерадиоактивными формами каждого элемента ( дейтерия и кислорода-18 ). Теоретически для такой маркировки можно использовать радиоактивные тяжелые изотопы элементов; это имело место во многих ранних применениях метода [ необходима цитата ] .

В частности, вода с двойной меткой (DLW) может использоваться в качестве метода измерения средней суточной скорости метаболизма организма в течение определенного периода времени (часто также называемой полевой скоростью метаболизма., или FMR, у животных, кроме человека). Это делается путем введения дозы DLW и последующего измерения скорости выведения дейтерия и кислорода-18 у субъекта с течением времени (путем регулярного отбора проб на концентрацию тяжелых изотопов в воде тела, путем отбора проб слюны, мочи или крови). Требуются как минимум два образца: исходный образец (после того, как изотопы достигли равновесия в организме), и второй образец через некоторое время. Время между этими образцами 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.

Этот метод был изобретен в 1950-х годах Натаном Лифсоном и его коллегами [1] [2] из Университета Миннесоты. Однако его использование было ограничено мелкими животными до 1980-х годов из-за высокой стоимости изотопа кислорода-18. Достижения в области масс-спектрометрии в 1970-х и начале 1980-х снизили количество необходимого изотопа, что сделало возможным применение метода к более крупным животным, включая человека. [3] Первое приложение для человека было в 1982 году, [4] с помощью Дейл Скеллер , более 25 лет после того , как метод был первоначально обнаружен. Полное изложение техники представлено в книге британского биолога Джона Спикмана . [5]

Механизм проверки

Этот метод измеряет выработку углекислого газа субъектом в интервале между первой и последней пробами воды в организме. Метод зависит от деталей углеродного обмена в нашем организме. Когда клеточное дыхание разрушает углеродсодержащие молекулы с выделением энергии, в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Углекислый газ содержит два атома кислорода и только один атом углерода, но молекулы пищи, такие как углеводы, не содержат достаточно кислорода, чтобы обеспечить оба атома кислорода, присутствующие в CO 2 . Оказывается, один из двух атомов кислорода в CO 2 происходит из воды организма. Если кислород в воде обозначен как 18 O, то CO 2, образующийся при дыхании, будет содержать меченый кислород. Кроме того, как CO 2перемещается от места дыхания через цитоплазму клетки, через интерстициальные жидкости в кровоток, а затем в легкие, часть его обратимо превращается в бикарбонат. Итак, после употребления воды, меченной 18 O, 18 O уравновешивается с пулом бикарбоната и растворенного углекислого газа в организме (за счет действия фермента карбоангидразы ). Как диоксид углерода выдыхаемого, 18 вывода теряется из организма. Это было обнаружено Лифсоном в 1949 году. [6] Однако 18 O также теряется из-за потери воды в организме (например, с мочой и испарением жидкости). Однако дейтерий (вторая метка в воде с двойной меткой) теряется толькопри потере воды в организме. Таким образом, потери дейтерия в воде тела с течением времени могут быть использованы для математически компенсировать потери 18 O по маршруту вода потери. Остается только оставшаяся чистая потеря 18 O в двуокиси углерода. Это измерение количества потерянного диоксида углерода является отличной оценкой общего производства диоксида углерода. Как только это станет известно, общая скорость метаболизма может быть оценена из упрощающих предположений относительно соотношения кислорода, используемого в метаболизме (и, следовательно, выделяемого тепла), к удаленному углекислому газу (см. Дыхательный коэффициент ). Этот коэффициент можно измерить другими способами, и почти всегда он составляет от 0,7 до 1,0, а для смешанной диеты обычно составляет около 0,8.

Говоря простым языком:

  • Метаболизм можно рассчитать по поступлению кислорода / выходу CO 2 .
  • Вода DLW («меченая») представляет собой прослеживаемый водород (дейтерий) и прослеживаемый кислород ( 18 O).
  • В 18 листьев O тела двумя способами: (I) выдыхаемого СО 2 , и (б) потери воды в ( в основном) мочи, пота, и дыхание.
  • НО: дейтерий уходит только вторым путем (потеря воды).

ТАК: по потере дейтерия мы знаем, сколько меченой воды покинуло тело в виде воды. И поскольку концентрация 18 O в воде тела измеряется после того, как дается маркированная доза, мы также знаем, сколько меченого кислорода покинуло тело в воде. (Более простой вид является то , что отношение дейтерия к 18 O в воде тела фиксируется, так что общая потеря скорости дейтерия от тела , умноженной на это отношение, сразу же дает скорость потери 18 O в воде.) Измерение 18 O разбавление со временем дает полную потерю этого изотопа всеми путями (водой и дыханием). Поскольку отношение 18 O к общему количеству кислорода в воде в организме измеряется, мы можем преобразоватьПотеря 18 O при дыхании до общего количества кислорода, потерянного из водного бассейна организма в результате преобразования в углекислый газ. Сколько кислорода покинуло организм в виде CO 2, это то же самое, что и CO 2, произведенное метаболизмом, поскольку организм производит CO 2 только этим путем. Потери CO 2 говорят нам о произведенной энергии, если мы знаем или можем оценить респираторный коэффициент (отношение произведенного CO 2 к используемому кислороду).

Практическое применение изотопов

Вода с двойной меткой может вводиться путем инъекции или перорально (обычный путь для 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 имеет двойную структуру. помечены. Также нет необходимости вводить ровно один атом 18 O на каждые два атома дейтерия. На практике этот вопрос определяется экономическими соображениями при покупке воды, обогащенной 18 O, и чувствительностью имеющегося масс-спектрографического оборудования.

На практике дозы воды с двойной меткой для метаболической работы получают простым смешиванием дозы оксида дейтерия ( тяжелая вода ) (от 90 до 99%) со второй дозой H 2 18 O, которая представляет собой воду, отдельно обогащенную 18O (хотя обычно не на высоком уровне, так как это было бы дорого и ненужно для этого использования), но в остальном содержит нормальный водород. Затем образец смешанной воды содержит оба типа тяжелых атомов в гораздо большей степени, чем обычная вода, и теперь имеет «двойную метку». Свободный обмен водородом между молекулами воды (посредством нормальной ионизации) в жидкой воде гарантирует, что бассейны кислорода и водорода в любом образце воды (включая бассейн с водой тела) будут по отдельности уравновешены за короткое время с любой добавленной дозой. тяжелый изотоп (ы).

Приложения

Метод воды с двойной меткой 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 косвенных калориметрических измерений скорости метаболизма будут затруднены. или невозможно. Например, этот метод позволяет измерять метаболизм животных в дикой природе, при этом технические проблемы связаны в основном с тем, как вводить дозу изотопа, и собирать несколько проб воды в организме в более позднее время, чтобы проверить дифференциальное выведение изотопов.

Большинство исследований на животных заключается в отлове исследуемых животных и инъекции им, а затем их удержании в течение переменного периода до взятия первой пробы крови. Этот период зависит от размера животного и колеблется от 30 минут для очень маленьких 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 диетой, во время измерения было проведено одно определение респираторного коэффициента , поскольку это значение изменяется относительно мало (и медленнее) по сравнению с более значительным. большие изменения скорости метаболизма, связанные с терморегуляцией и активностью.

Поскольку тяжелые изотопы водорода и кислорода, используемые в стандартном измерении воды с двойной меткой, нерадиоактивны, а также нетоксичны в используемых дозах (см. Тяжелая вода ), измерение средней скорости метаболизма воды с двойной меткой широко используется у людей. добровольцы, и даже у младенцев [7] и беременных женщин. [8] Этот метод использовался для более чем 200 видов диких животных (в основном птиц, млекопитающих и некоторых рептилий). Рассмотрены применения метода на животных. [9] [10]

Вода с двойной меткой ( 2 H 2 18 O) также может использоваться для необычно теплого льда и необычно плотной воды, поскольку она имеет более высокую температуру плавления и плотнее, чем легкая вода или то, что обычно подразумевается под «тяжелой водой» ( 2 H 2 16 O). 2 H 2 18 O плавится при 4,00 ~ 4,04 ° C (39,2 ~ 39,27 ° F), а максимальная плотность жидкости достигает 1,21684 ~ 1,21699 г / см 3 при 11,43 ~ 11,49 ° C ( 52,57 ~ 52,68 ° F). ). [11]

Ссылки

  1. ^ Лифсон, Н., Гордон, Г.Б. и Макклинток, Р. (1955) Измерение общего производства диоксида углерода с помощью D218O. J. Appl. Physiol., 7, 704–710.
  2. ^ Лифсон, Н. и Макклинток Р. (1966) Теория использования скорости оборота воды в организме для измерения энергетического и материального баланса. J. Theor. Биол., 12, 46–74.
  3. ^ Спикман JR (октябрь 1998). «История и теория техники дважды маркированной воды» . Являюсь. J. Clin. Nutr . 68 (4): 932S – 938S. DOI : 10.1093 / ajcn / 68.4.932S . PMID  9771875 .
  4. ^ Schoeller, DA и van Santen, E. (1982) Измерение расхода энергии у людей с помощью воды с двойной меткой. J. Appl. Physiol., 53, 955–959.
  5. ^ Спикмен, Дж. Р., Вода с двойным обозначением: теория и практика. Издатели Springer Scientific. ISBN 0-412-63780-4 ISBN 978-0412637803 , 416 страниц)   
  6. ^ Лифсон, Н., Гордон, Г.Б., Висшер, М.Б. и Ниер, А.О. (1949) Судьба использованного молекулярного кислорода и источника кислорода вдыхаемого углекислого газа изучалась с помощью тяжелого кислорода. J. Biol. Chem. А, 180, 803–811.
  7. ^ Джонс П.Дж., Уинтроп А.Л., Шоллер Д.А. и др. (Март 1987 г.). «Валидация воды с двойной маркировкой для оценки расхода энергии у младенцев» . Педиатр. Res . 21 (3): 242–6. DOI : 10.1203 / 00006450-198703000-00007 . PMID 3104873 . 
  8. ↑ Heini A, Schutz Y, Diaz E, Prentice AM, Whitehead RG, Jéquier E (июль 1991 г.). «Расход энергии на свободную жизнь, измеренный двумя независимыми методами у беременных и небеременных гамбийских женщин». Являюсь. J. Physiol . 261 (1 Pt 1): E9–17. DOI : 10.1152 / ajpendo.1991.261.1.E9 . PMID 1858878 . 
  9. ^ Speakman, JR (2000) Стоимость жизни: полевые показатели метаболизма мелких млекопитающих. Успехи в экологических исследованиях 30: 177–297
  10. ^ Надь, KA (2005) Скорость обмена веществ и размер тела. Журнал экспериментальной биологии 208, 1621–1625.
  11. ^ Steckel, F .; Сапиро, С. (4 июля 1962 г.). «Физические свойства тяжелой кислородной воды. Часть 1. - Плотность и тепловое расширение». Труды общества Фарадея . 59 : 331–343. DOI : 10.1039 / TF9635900331 .