CC BY
89
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ БИОЛОГИИ И БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
М. Г. Барышев, Е. В. Раменская
Исследование влияния воды с модифицированным изотопным составом на биологические объекты
Вода является одним из основных ресурсов составляющих все экосистемы, и какое либо изменение ее свойств вызывает серьезные изменения в подавляющем большинстве элементов экологических систем.
Природная вода состоит из смеси изотопных форм молекул, что является следствием наличия стабильных изотопов 16О, 17О, 18О,1Н, 2Н и радиоактивного изотопа 3Н с периодом полураспада 12,5 лет. Радиоактивные изотопы 14О, 15О, 19О характеризуются временами полураспада 76,5; 118 и 29,5 с и практически не встречаются в природной воде. В природной воде содержание тяжёлых изотопологов может доходить до 2,97 г/кг, это значимая величина, сопоставимая с концентрацией минеральных солей.
Природная вода, приближенная по содержанию изотополога 1H216O к стандарту SLAP, а также специально очищенная с значительно увеличенной долей этого изотополога по сравнению со стандартом SLAP, характеризуется как особо чистая лёгкая вода (менее строгое определение, которое применимо в реальной жизни).
В составе лёгкой воды доля самого лёгкого изотополога может составлять (мол.%): 99.76 < 1H216O < 100.
Если из воды, отвечающей стандарту SMOW, убрать все тяжёлые молекулы, масса которых составляет примерно 2,97 г/кг и заменить их на 1H216O, то масса 1 л такой лёгкой и изотопно чистой воды уменьшится на 250 мг. Поэтому характеристика лёгкой воды, в первую очередь её «лёгкость» и изотопный состав, поддаются исследованиям с помощью следующих методов: масс-спектрометрия, гравиметрия, лазерная абсорбционная спектроскопия, ЯМР.
Стандарт VSMOW (Vienna Standard Mean Ocean Water) характеризует изотопный состав глубинной воды Мирового океана.
Стандарт SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) характеризует изотопный состав природной воды из Антарктики.
Тяжелоизотопные молекулы, находящиеся в воде в природных концентрациях, в большинстве случаев не влияют на функционирование неживых систем. В большей степени действие лёгкой воды
220
влияет на биологические объекты, для которых характерны каскадные реакции.
Одним из перспективных пищевых веществ для коррекции антиоксидантного потенциала организма является вода с модифицированным изотопным составом (ВМИС), например вода с пониженным содержанием дейтерия. Известно, что человек в физиологических условиях потребляет до 2-3 л жидкости в сутки, поэтому изменение структуры питания за счет ВМИС с пониженным содержанием дейтерия может оказывать влияние на показатели АОС. ВМИС с пониженным содержанием дейтерия оказывает влияние на рост опухолевых клеток различных культур, обладает иммуномодулирующим свойством, влияет на обмен пероксида водорода в печени. Поиск и разработка новых способов коррекции дисбаланса в работе прооксидантно-антиоксидантной системы показали, что повышение потенциала антирадикальной защиты в организме можно достичь при усилении реакций изотопного обмена, например дейтерий-протий (D/H), в том числе путем введения в пищевой рацион воды с модифицированным изотопным составом со сниженным содержанием дейтерия (ВМИС ССД) по отношению к природному соотношению этих изотопов. Таким образом, все более широкое использование ВМИС с пониженным содержанием дейтерия как у людей с различными патологическими состояниями, так и для оздоровления (фитнес), а также в профессиональном спорте, требует детального изучения молекулярных механизмов ее действия, что позволит более рационально использовать ее эффекты для профилактики и в клинических условиях.
Основное действие, оказываемое легкой питьевой водой на организм, - постепенное снижение содержания дейтерия в жидких средах и тканях за счёт реакций изотопного обмена. Вода с модифицированным изотопным составом со сниженным содержанием дейтерия (ВМИС ССД) тормозит рост опухолевых клеток различных культур. Дейтерий может играть решающую роль в делении клеток, нехватка дейтерия в опухолевых клетках вызывает апоптоз и частичную или полную регрессию опухоли. ВМИС ССД обладает стимулирующим действием на репродуктивную функцию организма и не оказывает токсического действия на организм лабораторных животных. При длительном применении воды со сниженным содержанием дейтерия наблюдали снижение частоты и скорости развития помутнения хрусталика у мышей при повторном многократном воздействии гамма-излучения в низких дозах. Изучение структуры иммунных органов (тимуса и селезенки) показало, что механизмы адаптивного эффекта воды со сниженным содержанием дейтерия обусловлены повышением общей резистентности организма экспериментальных животных.
221
Содержание дейтерия в плазме крови здоровых животных на 36 ppm превышает уровень содержания дейтерия в питьевой воде. В случае замены обычной воды на «тяжелую» происходит уменьшение электропроводности растворов электролитов в основном из-за увеличения вязкости и, следовательно, сопровождается снижением подвижности ионов. Тяжелая вода влияет на активные свойства возбудимой мембраны. Присутствие дейтерия в биологических системах приводит к изменениям структуры и свойств в молекулах ДНК и белков. При этом различают первичные и вторичные изотопные эффекты дейтерия в зависимости от того, какое положение занимает атом дейтерия в молекуле. Наиболее важными для структуры макромолекулы связи являются динамические короткоживущие водородные (в том числе дейтериевые) связи. Структурнодинамические свойства клеточной мембраны, которые в большинстве зависят от качественного и количественного состава липидов, также могут изменяться в присутствии тяжёлой воды. Клеточная мембрана является одной из первых клеточных структур, которая испытывает воздействие тяжёлой воды и тем самым компенсирует свои реологические параметры: вязкость, текучесть, структурированность, путем изменения количественного и качественного состава липидов.
Таким образом, тяжелая вода в большинстве случаев - особенно при концентрациях D2O более 30%, обладает ингибирующими свойствами при воздействии на биологические системы, а легкая вода чаще активизирует биологические процессы, в том числе механизмы естественной детоксикации, которые включают в себя преимущественно три группы реакций: энзиматическую
биотрансформацию липофильных эндогенных ксенобиотиков при участии цитохром Р-450-зависимых монооксигеназ (1-я фаза детоксикации), конъюгацию метаболитов и гидрофильных соединений (2я фаза детоксикации) и антиоксидантную защиту.
Следует отметить, при употреблении воды с модифицированным изотопным составом с пониженным содержанием дейтерия 40 ppm (ВМИС ССД) в плазме крови происходит достоверное снижение концентрации дейтерия при использовании, которое продолжается до значений в 90-100 ppm, в дальнейшем практически не изменяющимся. При этом ВМИС с пониженным содержанием дейтерия оказывает влияние на прооксидантно-антиоксидантную систему организма, снижая интенсивность свободно-радикального окисления и восстанавливая потенциал эндогенной антиоксидантной системы. Наибольший прямой и косвенный антиоксидантный эффект ВМИС наблюдается в плазме крови и в гепатоцитах, тогда как интенсивность свободнорадикальных процессов выделительной системы изменяется менее существенно при введении ВМИС в
222
пищевой рацион. В то же время при воспалительных процессах положительный эффект ВМИС с пониженным содержанием дейтерия объясняется еще и ее возможным иммуномодулирующим эффектом, позволяющим уменьшить отрицательное воздействие бактериальных эндотоксических субстанций на организм. Все это позволяет рассматривать ВМИС как перспективное вещество для нутрицион-ной коррекции дисбаланса прооксидантно-антиоксидантной системы в организме.
Одним из типовых патологических процессов является совокупность биохимических реакций, приводящих к превалированию про-оксидантных факторов над потенциалом эндогенной антиоксидантной системы, т. е. к развитию окислительного стресса (ОС). Одновременно с ОС в организме зачастую происходит усиление распада биологических субстратов, что приводит к накоплению эндотоксических субстанций в биологических средах организма и развитию синдрома эндогенной интоксикации (ЭИ). ВМИС ССД в условиях формирования в организме ОС и синдрома ЭИ проявляет ряд особых свойств. Так, в Румынии (в университете сельского хозяйства и ветеринарии) проведены исследования по изучению ее антиоксидантного эффекта на крысах линии Вистар в условиях токсического воздействия соединениями хрома. Показано, что употребление ВМИС ССД нивелирует токсические эффекты хромсодержащих веществ. ЭИ как стадийный процесс имеет определенные особенности в зависимости от инициирующего его заболевания или повреждения на самых ранних стадиях своего развития, но постепенно, по мере развития вторичной аутоагрессии, приобретает универсальный характер.
Е. Ю. Елсукова, Н. В. Булычева, Т. Н. Таванец
Содержание тяжелых металлов и сульфатов в почвах и корке сосны обыкновенной (Pinus sуlvestris L.) в лесопарках и на особо охраняемых природных территориях Санкт-Петербурга
Санкт-Петербург непрерывно растет и развивается, увеличивается количество автотранспорта, удлиняются дорожные сети, расползается жилая застройка. Активная хозяйственная деятельность подразумевает использование сложных технологических процессов, которое влечет за собой выбросы и сбросы поликомпонентных соединений.
Наибольший вклад в загрязнение воздушного бассейна Санкт-Петербурга вносят предприятия Кировского, Приморского, Колпин-ского и Выборгского районов. Выбросы от предприятий этих райо-
223
