Изотопы углерода аминокислот в патогенных биоминеральных образованиях Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

с

Se&KAuK ИГ Коми НЦ УрО РАН, сентябрь, 2015 г., № 9

УДК 550.42:612:549

[КРАТКОЕ СООБЩЕНИЕ]

ИЗОТОПЫ УГЛЕРОДА АМИНОКИСЛОТ В ПАТОГЕННЫХ БИОМИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ

С. Н. Шанина, В. И. Каткова, Е. В. Машина

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар Shanina@geo.komisc.ru, Katkova@geo.komisc.ru, Borovkova@geo.komisc.ru

Влияние процессов метаболизма на изотопные соотношения биогенных элементов в живых организмах может быть использовано для ранней диагностики патологий разной этиологии, но в настоящее время остается малоизученным. Получены результаты по исследованию изотопного состава углерода аминокислот семи образцов патогенных биоминеральных образований, сформированных в организме человека (уролиты и холелиты) и различающихся по минеральному составу. Изотопный состав углерода полученных эфиров аминокислот определен с помощью масс-спектрометра DeltaVAdvantage (Thermo), соединенного с газовым хроматографом Trace GC Ultra (Thermo, капиллярная колонка DB-5) и системой IsoLink. Замечено, что в кристаллических образованиях углеводородного состава (мочевая кислота, били-рубинат кальция) изотопный состав углерода большинства изученных аминокислот облегчен.

Ключевые слова: изотопы, аминокислоты, уролиты, холелиты, биоминеральные образования.

ISOTOPES OF CARBON OF AMINO ACIDS IN PATHOGENIC BIOMINERAL FORMATIONS

S. N. Shanina, V. I. Katkova, E. V. Mashina

Institute of Geology Komi SC UB RAS, Syktyvkar

The influence of processes of a metabolism on isotope parities of biogenic elements in living organisms can be used for early diagnostics of different pathologies, but now remains poorly studied. The results on research of isotope composition of the carbon of amino acids of seven samples of the pathogenic biomineral formations generated in human organism (urolites and cholelites), differing on mineral structure, were received. The isotope structure of carbon of the received ethers of amino acids was determined by means of mass-spectrometer DeltaVAdvantage (Thermo) connected with gas chromatograph Trace GC Ultra (Thermo, capillary column DB-5) and system IsoLink. It was noticed that in crystal formations of the hydrocarbonic structure (a uric acid, a bilirubinate of calcium) the isotope structure of carbon of the majority of the studied amino acids was sinplified.

Keywords: isotopes, amino acids, kidney stones, gallstones, biomineral formations.

Исследование состава изотопов в органических соединениях актуально для выявления биогенного или абиогенного происхождения вещества. В настоящее время данные об изотопном составе углерода, особенно на молекулярном уровне, активно используют в геохимических, медицинских исследованиях, а также для получения информации об источнике происхождения белков и сахаров в пищевой промышленности.

Аминокислоты, входящие в состав белка, имеют разный изотопный состав углерода [1, 3—5]. Значительный диапазон вариаций изотопного состава углерода аминокислот отражает разницу в биохимических путях

метаболизма, приводящих к синтезу отдельных специфических аминокис -лот. Так, например, эксперименты показали [6], что эритроциты крови человека при употреблении напитков, подслащенных сахаром, обогащаются легким изотопом 813С .

аланина

Данная работа посвящена сравнительному анализу изотопного состава углерода аминокислот в уроли-тах и холелитах, различающихся по минеральному составу.

Объекты и методы

исследований

В качестве материала для определения изотопного состава индивидуальных аминокислот послужили 7 об-

разцов, включая уролиты, состоящие из мочевой кислоты (C5N4H403), кар-бонатгидроксилапатита (Са5(Р04)3х х(0Н,С03)) и струвита (MgNH4PO4x x6H2O), и холелиты, в составе которых определены билирубинат кальция, холестерин (C27O45OH), арагонит (СаС03).

Для извлечения аминокислот из образцов применяли кислотный гидролиз в 6М HCl при 105 °С в течение 12 часов. Выделенные из гидролизата аминокислоты очищали от примесей и переводили в N-пентафторпропионо-вые изопропиловые эфиры соответствующих аминокислот. Идентификация и определение содержания аминокислот в образцах выполнены на газо-

Vestnik IG Komi SC UB RAS, September, 2015, No. 9

*

bom хроматографе GC-17A (Shimadzu, капиллярная колонка Chirasil-L-Val). Изотопный состав углерода полученных эфиров аминокислот определен с помощью масс-спектрометра Delta VAdvantage (Thermo), соединенного с газовым хроматографом Trace GC Ultra (Thermo, капиллярная колонка DB-5) и системой IsoLink.

Пересчет полученных значений изотопного состава производных аминокислот на исходные аминокислоты производили по формуле:

813Cc = 1/nc(ncd§13Ccd - nd§13Cd), где n — число атомов углерода, с — аминокислота, d — дериват, cd — дериват аминокислоты. Погрешность измерений составила ±1.8 % для углерода аминокислот.

Результаты исследований

Исследован изотопный состав углерода десяти индивидуальных аминокислот для патогенных биоминеральных образований (мочевые камни и хо-лелиты)(см. рисунок). Установлено, что 813C аминокислот отличается не только у изученных биоминералов, но и внутри каждой группы и зависит от особенностей состава камней и условий их биосинтеза. При этом во всех изученных патогенных биоминеральных образованиях сохраняется тенденция, характерная для природных объектов [2]: изотопически тяжелой аминокислотой по углероду является глицин, а изотопически легкой — лейцин. Зависимости 813Cak от содержания аминокислот и их принадлежности к незаменимым аминокислот не установлено.

Мочевые камни. В фосфатных мочевых камнях (№ 11, 15, 47) значения 813C для индивидуальных аминокислот меняются от —3.5 до —27.7 %. Практически для всех изученных аминокислот характерны незначительные вариации изотопного состава в пределах 2—6 % между исследованными образцами. Значительные отличия характерны для образца № 45 (мочевая кислота), изотопный состав углерода аминокислот которого заметно облегчен. При этом значительное облегчение 813C характерно для аланина, глицина, валина, аспа-рагиновой, глутаминовой кислот и про-лина.

Желчные камни. Отличительной особенностью изученных желчных камней является изотопный состав углерода фенилаланина, который облегчен на 4—5 % по сравнению с мочевыми камнями. Кроме того, в холелитах установлены значительные вариации 813Ca^k между изученными образцами для ала-

Изотопный состав углерода аминокислот уролитов и холелитов: Ala — аланин, Gly — глицин, Val — валин, Leu — лейцин, Ile — изолейцин, Pro — пролин, Asp — аспараги-новая кислота, Glu — глутаминовая кислота, Phe — фенилаланин, Lys — лизин

Isotope composition of carbon in amino acids of kidney stones and gallstones: Ala — alanine, Gly — glycine, Val — valine, Leu — leucine, Ile — isoleucine, Pro — proline, Asp — aspartic acid, Glu — glutamic acid, Phe — phenylalanine, Lys — lysine

нина, валина и лизина. Наибольшие отличия в изотопном составе углерода аминокислот характерны для пигментного холелита (КМП), имеющего в составе билирубинат кальция. В нем хорошо заметно облегчение 813САК по сравнению с изученными камнями холестеринового состава (№ 72, 76).

Таким образом, предварительные результаты по исследованию изотопного состава углерода аминокислот в уро-литах и холелитах показали, что в кристаллических образованиях углеводородного состава (мочевая кислота, би-лирубинат кальция) изотопный состав углерода большинства изученных аминокислот облегчен. Однако в настоящий момент нельзя говорить, как протекает дифференциация состава 813САК при формировании патогенных биоминеральных образований в организме человека. Исследования в этом направлении будут продолжены.

Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 15-18-5-5.

Литература

1. Галимов Э. М. Изотопы углерода в нефтегазовой геологии. М.: Недра, 1973. 384 с. 2. Шанина С. Н, Бушнев Д. А. Изотопный состав углерода аминокислот твердых битумов // ДАН. 2014. Т. 456. № 5. С. 586-590. 3. Abelson P. H., Hoering T. C. Carbon isotope fractionation in formation of amino acidsby photosynthetic organisms // Proceedings of the National Academy of Sciences, 1961. V. 47. № 5. P. 623-632. 4. Macko S. A., Estep M. L. F. Microbial alteration of stable nitrogen and carbon isotopic compositions of organic matter // Organic Geo-

chemistry, 1984. V. 6. P. 787-790. 5. KeilR. G, Fogel M. L. Reworking of amino acid in marine sediments: Stable carbon isotopic composition of amino acids in sediments along the Washington coast // Limnol. Oceanogr., 2001. V. 46. P. 14-23. 6. Choy K, Nash S.H., Krista A. R, Hopkins S, Boyer B. B, O'Brien D. M. The Carbon Isotope Ratio of Alanine in Red Blood Cells Is a New Candidate Biomarker of Sugar-Sweetened Beverage Intake // The Journal ofNutrition, 2013. V. 143: P. 878-884.

References

1. Galimov E. M. Izotopy ugleroda v neftegazovoi geologii (Carbon isotopes in oil-gas geology). Moscow, Nedra, 1973, 384 pp. 2. Shanina S. N., Bushnev D. A. Izotopnyi so-stav ugleroda aminokislot tverdyh bitumov (Isotope composition of amino acid carbon of solid bitumen). DAN, 2014, V. 456, No. 5, pp. 586-590. 3. Abelson P. H., Hoering T. C. Carbon isotope fractionation in formation of amino acidsby photosynthetic organisms. Proceedings ofthe National Academy of Sciences, 1961, V.47, No. 5, pp. 623-632. 4. Macko S. A., Estep M. L. F. Microbial alteration of stable nitrogen and carbon isotopic compositions of organic matter. Organic Geochemistry, 1984, V. 6, pp. 787-790. 5. Keil R. G., Fogel M. L. Reworking of amino acid in marine sediments: Stable carbon isotopic composition of amino acids in sediments along the Washington coast. Limnol. Oceanogr., 2001, V. 46, pp. 14-23. 6. Choy K., Nash S.H., Krista A. R., Hopkins S., Boyer B. B., O'Brien D. M. The Carbon Isotope Ratio of Alanine in Red Blood Cells Is a New Candidate Biomarker of Sugar-Sweetened Beverage Intake. The Journal ofNutrition, 2013, V. 143, pp. 878-884.

Рецензент д. г.-м. н. О. В. Мартиросян