Ізотопний ефект макро- і мікроелементів в екосистемах

Автор(и)

  • Олена Григорівна Мусич ДУ «Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України», Україна https://orcid.org/0000-0003-3874-741X
  • Олександр Вікторович Зубко ДУ «Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України», Україна https://orcid.org/0000-0002-2521-8087
  • Олена Сергіївна Дем’янюк Інститут агроекології і природокористування НААН, Україна https://orcid.org/0000-0002-4134-9853

DOI:

https://doi.org/10.33730/2310-4678.4.2020.226644

Ключові слова:

ізотопи, ізотопні ефекти, метаболізм, біологічне фракціонування, макро- та мікроелементи

Анотація

Проаналізовано ізотопні ефекти, що відбуваються в живих організмах, обумовлених метаболізмом. Явище метаболізму розглядається в класичному розумінні як поєднання біохімічних реакцій (головним чином ферментативних), що проходять у клітинах живих істот та забезпечують розщеплення, синтез і взаємоперетворення складних сполук. Сфера використання природних ізотопів широка та різноманітна. Ізотопи є носіями інформації про народження і перетворення молекул, а фракціонування ізотопів — це хімічна характеристика речовини. Ізотопний метаболізм полягає в міжмолекулярному фракціонуванні ізотопів на окремих стадіях біохімічних реакцій, а саме — розщеплення, синтез і взаємоперетворення складних сполук, викликаному відмінностями будови та фундаментальних властивостей ядер ізотопів. Доведено, що фракціонування ізотопів
у хімічних і біохімічних реакціях, обумовлене ізотопними ефектами, ґрунтується на двох фундаментальних властивостях атомних ядер — маси і магнітного моменту. Кінетичний (масозалежний) ізотопний ефект розподіляє ізотопні ядра за їх масами, а магнітний — фракціонує ядра за їх магнітними моментами. Кінетичний ізотопний ефект залежить від величини різниці мас ізотопних молекул, температури і різниці енергій активації ізотопних форм. Магнітний ізотопний ефект залежить від швидкості реакції в окремо взятій клітині, його проекції, магнітного моменту і енергії електрон-ядерної взаємодії. Визначено, що фракціонування ізотопів у живих організмах полягає в тому, що відносний вміст одного з ізотопів у цій сполуці збільшується за рахунок зменшення його вмісту в іншій. Як наслідок, відбувається фракціонування ізотопів у межах одного біологічного об`єкта.

Посилання

  1. Buchachenko, A. L.(2007). Novaya izotopiya v khimii i biokhimii [New isotope in chemistry and biochemistry]. Moskva: Nauka [in Russian].
  2. Korkushko, O.V., Lysenko, O.B., Skulskiy, N.A., Sobotovich, E.V. & Shatilo, V.B. (2009). Yestestvennoe vnutrimolekulyarnoe fraktsionirovanie stabilnykh izotopov biogennykh elementov v organizme cheloveka [Natural intramolecular fractionation of stable isotopes of biogenic elements in the human body]. Zhurnal Akademii meditsinskikh nauk Ukrainy — Journal of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine, 4, 1–22 [in Russian].
  3. Turro, N.J. (1980) Magnetic field and magnetic isotope effects on cage reactions in micellar solutions. Journal of the American Chemical Society, 102, 4843–4845. https://doi.org/10.1021/ja00534a052 [in English].
  4. McCue, M.D. & Pollock, E.D. (2008). Stable isotopes may provide evidence for starvation in reptiles. Rapid Communications in Mass Spectrometry: RCM, 22, 15, 2307–2314. https://doi.org/10.1002/rcm.3615 [in English].
  5. Sobotovich, E.V., Florinsky, I.V., Lysenko, O.V. & Grodzinsky, D.M. (2010). Role of isotopes in the biosphere. Florinsky I.V. (Ed.). Man and the Geosphere. New York: Nova Science Publishers [in English].
  6. Sobotovych, E., Lysenko, O., Demikhov, Yu. et al. (2014). Izotopni spivvidnoshennia biohennykh khimichnykh elementiv u zhyvomu orhanizmi yak potentsiinyi indykator yoho fiziolohichnoho stanu [Biogenic chemical elements isotopic ratios in living organisms as a new potential indicator of physiological state]. Visnyk Lvivskoho universytetu. Seriia biolohichna — Visnyk of the Lviv University. Series Biology, 68, 36–68 [in Ukrainian].
  7. Wahl, SA., Noh, K. & Wiechert, W. (2008). 13 C labeling experiments at metabolic nonstationary conditions: An exploratory study. BMC Bioinformatics, 9, 152. https://doi.org/10.1186/1471-2105-9-152 [in English].
  8. Yuan, Y., Yang, T.H. & Heinzle, E. (2010). 13 C metabolic flux analysis for larger scale cultivation using gas chromatography-combustion-isotope ratio mass spectrometry. Metabolic Engineering, 12, 4, 392–400. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2010.02.001 [in English].
  9. Le Novere, N., Hucka, M., Mi, H., Moodie, S., Schreiber, F., Sorokin, A., et al. (2009) The Systems Bio­logy Graphical Notation. Nature Biotechnology, 27, 8, 735–741. https://doi.org/10.1038/nbt.1558 [in English].
  10. Guerrasio, R., Haberhauer-Troyer, C., Steiger, M., Sauer, M., Mattanovich, D., Koellensperger, G., et al. (2013). Measurement uncertainty of isotopologue fractions in fluxomics determined via mass spect­ rometry. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 405, 15, 5133–5146. https://doi.org/10.1007/s00216-013-6910-5) [in English].
  11. Millard, P., Massou, S., Wittmann, C., Portais, JC. & Letisse, F. (2014). Sampling of intracellular metabolites for stationary and non-stationary 13 C metabolic flux analysis in Escherichia coli. Analytikal Biochemistry, 465, 38–49. https://doi.org/10.1016/j.ab.2014.07.026
  12. Chokkathukalam, A., Kim, DH., Barrett, MP., Breitling, R. & Creek, DJ. (2014) Stable isotope-labeling studies in metabolomics: new insights into structure and dynamics of metabolic networks. Bioanalysis, 6, 4, 511–524. https://dx.doi.org/10.4155%2Fbio.13.348 [in English].
  13. Crown, S.B., Ahn, W.S. & Antoniewicz, M.R. (2012). Rational design of 13 C-labeling experiments for metabolic flux analysis in mammalian cells. BMC Systems Biology, 6(1), 43. https://doi.org/10.1186/1752-0509-6-43 [in English].
  14. Taymaz-Nikerel, H., de Mey, M., Ras C., ten Pierick A., Seifar RM., van Dam J.C., et al. (2009). Deve­lopment and application of a differential method for reliable metabolome analysis in Escherichia coli. Analytikal Biochemistry, 386, 1, 9–19 [in English].
  15. Au J., Choi J., Jones S.W., Venkataramanan K.P. & Antoniewicz M.R. (2014). Parallel labeling experiments validate Clostridium acetobutylicum metabolic network model for 13 C metabolic flux analysis. Metabolic Engineering, 26, 23–33. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2014.08.002 [in. English].
  16. Cleland W.W. (1982). Use of isotope effects to elucidate enzyme mechanisms. CRC Crit Rev Biochem, 13, 385–428. https://doi.org/10.3109/10409238209108715 [in English].
  17. Sobotovich, E.V. & Lysenko O.B. (2001). Izotopnyy sdvig elementov v biologicheskikh protsessakh [Shift isotope elements in biological processes]. Dopovidi NAN Ukrainy — Reports of the NAS of Ukraine, 4, 114–119 [in Russian].
  18. Lysenko, O.B., Demikhov, Yu.N., Borisova, N.N. & Koshlyakova, T.N. (2014). Izotopnyy sostav zhivykh organizmov kak perspektivnyy istochnik informatsii ob ikh fiziologicheskom sostoyanii [Isotopic composition of living organisms as a promising source of information about their physiological state]. The Ukrainian Biochemical Journal, 86, 5, 173–174 [in Russian].

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-18

Номер

№ 4 (2020)

Розділ

ЕКОЛОГІЯ

Ліцензія

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).