ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ЧЕЛОВЕКА☛Медицина ✎ |
Таким образом при весе тела человека 50 кг в нем содержится 225 г тяжелых изотопов. Человек растет и прибавляет в весе за счет питания. Также за счет питания компенсируются затраты энергии, поддерживается температура тела, обеспечиваются процессы обмена веществ.
Пища – это белки, жиры и углеводы. Все эти вещества состоят, в основном, как раз из тех четырех элементов, о которых шла речь выше (кислород, углерод, водород и азот). Все органические вещества в конечном итоге обязаны своим происхождением фотосинтезу в растениях. Растения поглощают углекислый газ из воздуха, который под действием света и катализаторов (в роли последних выступают особые белковые структуры, так называемые энзимы) взаимодействует с водой, втягиваемой корневой системой, с образованием простейших «кирпичиков» органических веществ. Из этих «кирпичиков» также с помощью катализаторов – энзимов создаются сложные органические молекулы углеводов, жиров и белков.
Таким и только таким способом окисленный углерод (углекислый газ) переходит в восстановленный, т.е. способный гореть. Растения могут усваивать углекислый газ только по одному из трех способов. По какому конкретно, зависит от таких факторов, как концентрация углекислого газа в атмосфере, окружающая температура, длина светового дня. Наиболее распространенный носит название цикла Кельвина и обозначается С3.
Суть его в том, что из усвоенных молекул углекислого газа растение строит фосфоглицериновую кислоту - цепочку из трех атомов углерода (именно поэтому обозначение С3). Эта кислота используется в дальнейшем для синтеза углеводов. Цикл Кельвина по сравнению с двумя другими механизмами требует меньше энергии, то есть солнечного света, но работает при относительно больших концентрациях углекислого газа. Подавляющее большинство деревьев, кустарников и трав усваивают углекислый газ из атмосферы именно таким образом.
Второй механизм усвоения называется циклом Хетча-Слека и обозначается С4. Здесь на первом этапе из углекислого газа растения синтезируют яблочную и аспаргиновую кислоты, каждая из которых содержит в своей молекуле по четыре атома углерода (отсюда название С4). Такой механизм усвоения углекислого газа работает при невысоких концентрациях его в воздухе, но требует много солнечной энергии. Типичные представители растительного мира, использующие цикл Хетча-Слека, - это сахарный тростник и кукуруза.
Наконец, некоторые растения, произрастающие в жарком и сухом климате, например, кактусы и ананасы используют комбинированный механизм, объединяющий оба, описанные выше. Он обозначается латинскими буквами САМ (начальные буквы Crassulacean Acid Metabolism – метаболизм крассулациановой кислоты). Усвоение атмосферного углекислого газа растениями проходит за счет фотокаталитических процессов, причем в роли катализаторов выступают чрезвычайно избирательно действующие энзимы, «предпочитающие» работать с теми изотопами, которых в природе больше, т.е. с 1Н, 12С и 16О.
В результате природные органические вещества оказываются обогащенными наиболее распространенными изотопами. Малые отличия в изотопных составах элементов принято измерять в единицах d (дельта): d = [(Rпробы/Rстандарта) – 1].103 ‰. Здесь R – отношение концентраций тяжелого изотопа к легкому (например,13С к 12С). Величина в квадратных скобках как правило чрезвычайно мала, поэтому для удобства ее умножают на 1000 и отсчитывают в промиллях. Современные серийные приборы – масс-спектрометры – позволяют измерять значение d с точностью лучше, чем 0.01 ‰ (DELTAplus, DELTAplus XL, MAT 253). Для углерода, например, это означает возможность уверенно зарегистрировать разницу в изотопном составе двух образцов с содержанием 13С равным 0.0111121 атомных % (концентрация «тяжелого» атома С в международном стандарте изотопного состава углерода PDB) и 0.0111120 ат. %.
Для каждого из перечисленных механизмов усвоения углерода характерна своя величина d. Так, d 13С для механизма С3 лежит в интервале от –21 до –31, для механизма С4 от –9 до –15, для САМ от –11 до –28 ‰. Различие в изотопных эффектах углерода у растений С3 и С4 позволяет однозначно идентифицировать не только сами растения и их плоды, но и продукты их переработки.
Проиллюстрировать возможности контроля изотопного состава удобно на примере меда. Пчелы собирают пыльцу и нектар как правило с растений С3. Поэтому натуральный мед характеризуется величиной d 13С порядка -25 ‰. Если же мед разбавлен сиропом (кукурузным или из сахарного тростника, для которых d 13С составляет –10 ‰), то изотопный состав углерода в смеси будет промежуточным между –25 ‰ и –10 ‰. Если провести довольно несложную процедуру разделения меда на две составляющие - белковую и углеводную и проанализировать изотопный состав углерода в каждой из них, то станет сразу же ясно натуральный ли этот мед или фальсификат. В натуральном меде обе составляющие произошли одновременно и из одного источника и изотопное распределение углерода в них должно быть одинаковое. Если оно отличается, то мед фальсифицирован сахаром или сиропом.
По изотопному составу углерода удается устанавливать факты фальсификации не только меда, но и концентратов фруктовых соков, если в них добавлен дешевый сироп, что особенно важно для нашей страны, импортирующей полуфабрикаты прохладительных напитков. Другой пример использования изотопного состава углерода в целях установления истины – это выявление типа этилового спирта, используемого для изготовления водки. Известно, что синтетический спирт запрещен для приготовления алкогольных напитков: сырьем в этом случае может выступать только «пищевой» этиловый спирт, получаемый брожением глюкозы растительного происхождения и имеющим тот же изотопный состав углерода, что и сырье.
Синтетический спирт получают гидратированием этилена, содержащегося в крекинговых газах, изотопный состав углерода в котором резко отличается от растительного. Безусловно, химический состав примесей пищевого и синтетического спиртов различен и его легко можно зафиксировать с помощью, например, газового хроматографа. Однако, добавка ведра самогона в железнодорожную цистерну чистого синтетического спирта приводит к тому, что хроматограф окажется бессильным. В то же время измерение изотопного состава углерода даст однозначный ответ на вопрос, какой из спиртов пищевой, а какой синтетический.
Не спиртом единым жив человек! Все продукты питания несут на себе изотопную метку. А поскольку человек есть то, что он ест (и пьет), то и он несет эту метку. Изотопный состав углерода у американца (d 13С заключена в интервале от -19 ‰ до –13 ‰) заметно отличается от того, что у европейца (d 13С лежит между -28 ‰ и –21 ‰). Объяснить это не трудно. В диете европейца преобладают растения типа С3, растения этого же типа идут и на корм скоту. А в США значительно большую долю рациона и людей, и домашних животных составляет кукуруза и сахарный тростник, относящиеся к растениям С4. Экспериментально проверить это решил Тур Стерлинг из университета штата Юта. В 1996 году он отправился в геофизическую экспедицию в Монголию на четыре месяца. Каждое утро он собирал там остатки своих волос после бритья и упаковывал их в отдельные маркированные пакетики. Вернувшись в США, он продолжал это делать еще два месяца. А затем Крэг Кук, биолог из того же университета, провел изотопный анализ углерода волос. Оказалось, что во время пребывания в Монголии он изменился с –16 ‰ до –23 ‰, а через три недели после возвращения из экспедиции состав снова стал нормальным для американца. Интересно, что Стерлинг в середине своей командировки вернулся из монгольской «глубинки» в Улан-Батор и жил там в течение двух недель в посольстве США, питаясь американскими продуктами. Этот эпизод с соответствующим сдвигом нашел свое отражение на графике зависимости изотопного состава углерода от времени. Все это однозначно свидетельствует о связи изотопного состава с диетой.
Изотопная метка человека помогает органам, контролирующим наличие у спортсмена следов применения допинговых препаратов. Известно, что проблема их употребления решается химико-аналитическими методами. Но если принимаемый препарат совпадает с эндогенным, т.е. вырабатываемым организмом человека, то стандартная аналитика бессильна. Именно такая ситуация имеет место в случае тестостерона – одного из основных допингов. Однако, у синтетического тестостерона изотопный состав углерода существенно отличается от d 13С американца и, тем более, европейца. Поэтому измеренная величина d 13С дает однозначный ответ о происхождении тестостерона.
Вообще, проблема источника происхождения стоит очень остро будь то разлитая в океане нефть, или вино в бутылке с наклейкой «Бордо», или ванилин, по документам привезенный с Коморских островов. Такие задачи можно перечислять достаточно долго. В США и Европейском Союзе они решаются с помощью изотопной масс-спектрометрии: измеряется изотопный состав углерода, водорода, кислорода и азота исследуемого образца и сопоставляется с соответствующими величинами из банка данных. Это можно проиллюстрировать примером, показав фрагмент банка данных по изотопному составу кислорода в винах, производимых в странах Европейского Союза и в ряде приграничных к нему государств (в основном, стран среднеземноморского региона).
На приведенном графике по оси ординат отложен изотопный состав кислорода в вина (в единицах d 18О), а по оси абсцисс – район виноделия (в порядке убывания d 18О). Пользуясь этим банком данных идентифицируют место происхождения вина или проверяют его маркировку. Более сложная ситуация имеет место в случае нефти: здесь изотопный состав – одна из составляющих банка данных, который содержит кроме этого сведения о биомаркерах и микроэлементах нефти из каждой скважены.
С изотопным составом человека связано широкое распространение в последние три-четыре года в развитых странах нового неинвазивного метода диагностики ряда заболеваний. Удобно проиллюстрировать это на примере болезней желудочно-кишечного тракта. В 1994 году Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) официально признала факт инфекционного происхождения колита, гастрита, язвы двенадцатиперстной кишки и язвы желудка. Причиной перечисленных заболеваний является открытая в 1983 году бактерия Helicobacter pylori (H. pylori). Эта бактерия благодаря тому, что она окружена энзимом уреаза, может существовать в кислой среде желудка. Уреаза разлагает мочевину на аммиак и углекислый газ.
Это свойство уреазы положено в основу диагностики инфицирования пациента: если H. pylori присутствуют, мочевина разлагается, если бактерий нет, то проходит желудочно-кишечный тракт без разложения. Пациент через узкую трубку, доходящую до дна пробирки, делает выдох. Пробирка закрывается и маркируется. Пациенту дают выпить сок (или воду), в котором растворено около 70 мг мочевины, обогащенной стабильным изотопом углерода 13С. Через полчаса проводят повторный отбор пробы выдыхаемого воздуха в другую маркированную пробирку. Если пациент инфицирован, то углекислый газ в выдыхаемом им после приема мочевины воздухе будет обогащен изотопом 13С. При этом, чем больше в желудке бактерий H. pylori, тем больше это обогащение. Описанная процедура носит название «Уреазный дыхательный тест».
Наши знания о протекании биохимических процессов в организме здорового человека и об их нарушениях при тех или иных заболеваниях открывают широкие возможности применения дыхательного теста для диагностики. При этом в качестве изотопно меченного маркера выбирается такое соединение, одним из продуктов метаболизма которого выступает углекислый газ. В настоящее время разработаны неинвазивные методики диагностики экзокринной недостаточности поджелудочной железы, нарушений кинетики аминокислотного метаболизма и формирования белков. Также с помощью дыхательного теста контролируют энзимную функцию печени, активность окисления жирных кислот, время прохождения пищи через желудочно-кишечный тракт. Идеальным прибором для изотопной диагностики оказался масс-спектрометр . Уникальная точность, высокая производительность, простота эксплуатации сделали этот прибор незаменимым во врачебной практике развитых стран, предоставив возможность не только устанавливать факт заболевания, но и отслеживать результаты лечения. По европейской статистике достаточно одного такого прибора на миллион жителей.
Автор: Михаил Токарев
По материалам сайта "sciteclibrary.ru"
К ПРОБЛЕМЕ САМОДВИЖЕНИЯ ОТ ЛОГИКИ САМОУБИЙСТВА К ФОРМУЛЕ БЕССМЕРТИЯ 'ВОЗВРАТ В ДЕТСТВО' КАК УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ПСИХОТЕРАПИИ. ВВЕДЕНИЕ В МЕТОД РЕТРИ. ПАРАДОКСЫ СТАРЕНИЯ ЧТО ЖЕ УВИДИМ?