Изотопный состав человека

Из чего состоит человеческое тело? Помимо того, что как любая материя человеческий организм сложен из кирпичиков - атомов, атомы одного сорта отличаются количеством элементарных частиц, их составляющих, то есть обладают свойством изотопии. Для для того, чтобы было легче оперировать цифрами, представим себе некоего человека, вес которого составляет 50 кг. Тогда на кислород, углерод, азот и водород приходится в общей сложности 48.3 кг. На все другие элементы – оставшиеся 1.3 кг. Пользуясь таблицей природной распространенности изотопов, легко посчитать, какое количество в таком гипотетическом человеке содержится тех или иных изотопов. Больше всего в человеке кислорода (30.481 кг). Это означает, что изотопа кислорода с массовым числом 16 (обозначается 16О) в человеке 30.4 кг, изотопа с массовым числом 17 (17О) 12.3 г и с массовым числом 18 (18О) 68.6 г. Углерода в нашем человеке 11.537 кг и он распределен между изотопом с массовым числом 12 (12С) – 11.4 кг - и изотопом с массовым числом 13 (13С) – 137 г. Водорода в человеке чуть больше пяти кг: с массовым числом 1 (1Н) 5.0 кг, с массовым числом 2 (2Н или D - дейтерий) 1.5 г. Наконец, изотопы азота с массовыми числами 14 (14N ) и 15 (15N ) содержатся в количествах 1.3 кг и 5.1 г, соответственно. Один из авторов изобразил такого "изотопного человека" в следующем виде:

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 BreathMATplus. 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.