Гипотеза изотопного резонанса - Википедия - Isotopic resonance hypothesis

В гипотеза изотопного резонанса (ИзоРес)[1][2] постулирует, что определенные изотопные составы химических элементов влияют на кинетику химических реакций с участием молекул, построенных из этих элементов. Изотопные составы, для которых предсказывается этот эффект, называются резонансными изотопными составами.

По сути, гипотеза IsoRes основана на постулате о том, что менее сложные системы демонстрируют более быструю кинетику, чем эквивалентные, но более сложные системы. Кроме того, на сложность системы влияет ее симметрия (более симметричные системы проще), а на симметрию (в общем смысле) реагентов может влиять их изотопный состав.

Термин «резонанс» относится к использованию этого термина в ядерной физике, где пики в зависимости сечения реакции от энергии называются «резонансами». Точно так же резкое увеличение (или уменьшение) кинетики реакции в зависимости от средней изотопной массы определенного элемента здесь называется резонансом.

История создания

Концепция изотопов возникла из радиоактивности. Новаторская работа по радиоактивности Анри Беккерель, Мари Кюри и Пьер Кюри был награжден Нобелевская премия по физике 1903 г.. Потом Фредерик Содди перенесет радиоактивность из физики в химию и прольет свет на природу изотопов, что сделало его Нобелевская премия по химии 1921 г. (награжден в 1922 г.).

Вопрос о стабильных нерадиоактивных изотопах был более сложным и требовал разработки Фрэнсис Астон масс-спектрографа высокого разрешения, который позволил разделить разные стабильные изотопы одного и того же элемента. Фрэнсис Астон был награжден Нобелевская премия по химии 1922 г. за это достижение. Провозгласив правило целых чисел, Астон решил проблему, которая занимала химию в течение ста лет. Понимание заключалось в том, что разные изотопы данного элемента будут химически идентичными.

Он был открыт в 1930-х годах Гарольдом Юри в 1932 году (удостоен Нобелевской премии по химии в 1934 году).[нужна цитата ] Было обнаружено, что содержание дейтерия оказывает сильное влияние на химию и биохимию.

В линейном приближении эффект изотопного замещения пропорционален соотношению масс тяжелого и легкого изотопа. Таким образом, ожидается, что химические и биологические эффекты более тяжелых изотопов «биологических» атомов C, N и O будут намного меньше, поскольку массовые отношения нормальных изотопов к более тяжелым намного ближе к единице, чем коэффициент два для водорода и дейтерия. Однако в 1930-х годах сообщалось, что[3] а затем снова в 1970-х[4][5] и 1990-е,[6] а также недавно,[7] что относительно небольшие изменения в содержании тяжелого изотопа водорода, дейтерия, оказывают глубокое воздействие на биологические системы. Эти сильные нелинейные эффекты не могли быть полностью объяснены на основе известных концепций изотопических эффектов. Эти и другие наблюдения делают возможным, что изотопы имеют гораздо более глубокое значение, чем могли представить первопроходцы.

В 2011 Роман Зубарев сформулировал гипотезу изотопного резонанса.[1][2] Это произошло из следующего неожиданного наблюдения. Определить ΔMм = Mмононуклеоз - Мном, где Mmono - моноизотопная масса (например, O = 15,994915 Да), а Mном - номинальная (целая) масса, то есть количество нуклонов (например, 16O = 16). ΔMм является константой во всей Вселенной. Определить ΔMявляется = Mсредний - Ммононуклеоз, где Mсредний - средняя изотопная масса (например, O = 15,999 Да на Земле). Очевидно ΔMявляется зависит от точного изотопного состава данной молекулы. Наконец, определите NMD = 1000ΔMм/ Мном и NIS = 1000ΔMявляется/ Мном, где NMD [в единицах] и NIS [в единицах] - нормированные изотопный дефект и сдвиг, соответственно. Если NIS построить как функцию от NMD для большого количества наземных пептидов, можно ожидать однородного распределения точек данных (как на рис. 1B). Это не то, что нашла команда Зубарева,[1] вместо этого они обнаружили запрещенную зону в распределении с узкой линией посередине (рис. 1А).

Это случайное открытие привело Зубарева к формулировке гипотезы изотопного резонанса.[2]

Аналоги в науке

В качестве примера изотопической симметрии (в композиционном, а не в геометрическом смысле), влияющей на кинетику физико-химических процессов, см. Массово-независимое фракционирование изотопов в озоне O3.

Значение для происхождения жизни

Согласно гипотезе IsoRes, существуют определенные резонансные изотопные составы, при которых земные организмы лучше всего развиваются. Любопытно, что средние земные изотопные составы очень близки к резонансу, влияющему на большой класс аминокислот и полипептидов, молекулы, имеющие важнейшее значение для жизни.[1] Таким образом, гипотеза IsoRes предполагает, что ранней жизни на Земле, возможно, в решающей степени способствовала близость к IsoRes. Напротив, нет сильного резонанса для атмосферы Марса, что привело к предсказанию, что жизнь не могла возникнуть на Марсе и что планета, вероятно, бесплодна.[8]

Другие нетривиальные предсказания

Можно было бы ожидать, что обогащение тяжелыми изотопами приведет к прогрессивно более медленным реакциям, но гипотеза IsoRes предполагает, что существуют определенные резонансные составы, для которых кинетика увеличивается даже при более высоком содержании тяжелых стабильных изотопов. Например, на 9,5% 13С, 10,9% 15N и 6,6% 18O (когда все три элемента в 10-35 раз обогащены по сравнению с их естественным содержанием) и нормальный состав дейтерия (150 ppm или 0,015%), предсказывается очень сильный резонанс (рис. 1C) («суперрезонанс»).[8]Еще одно нетривиальное предсказание гипотезы IsoRes состоит в том, что при содержании дейтерия ≈250-350 ppm земной резонанс становится «идеальным», а скорость биохимических реакций и роста земных организмов еще больше возрастает. Это предсказание подтверждается, по крайней мере, некоторыми экспериментальными наблюдениями.[8][9]

Экспериментальная проверка

Гипотеза IsoRes была проверена экспериментально с помощью роста E. coli и подтверждена чрезвычайно сильной статистикой (p << 10−15).[8] Особенно убедительные доказательства более быстрого роста были обнаружены для «суперрезонанса».

Рисунок 1

Рис. 1. 2D график молекулярных масс 3000 триптических пептидов E. coli. А - земные изотопные составы (красной стрелкой показана линия резонанса); B - 18Содержание O увеличено на 20%, что разрушило земной резонанс; C - изотопные составы «суперрезонанса», где все точки (молекулы) идеально выровнены. По материалам исх. 4.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Р.А. Зубарев и др. Реликтовые особенности раннего возраста в массовом распределении пептидов. Евро. J. Biol. 5, 190 (2010)
  2. ^ а б c Р.А. Зубарев, Роль стабильных изотопов в жизни - Проверка гипотезы изотопного резонанса, Genomics Proteomics Bioinformatics 9, 15 (2011)
  3. ^ Т. С. Барнс. Влияние тяжелой воды низкой концентрации на эвглену. Наука 79, 370 (1934)
  4. ^ Лобышев В.И. и др. Активация Na, K-ATPasa низкой концентрацией D2O и ингибирование высокой концентрацией, Биофизика 23, 397 (1978).
  5. ^ В. И. Лобышев. Активирующее влияние тяжелой воды малых концентраций на регенерацию гидроидного полипа Obelia Geniculata. Биофизика 28, 666 (1983)
  6. ^ Сомляй Г. с соавт. Натуральный дейтерий необходим для нормального роста клеток. ФЕВРАЛЬ 317, 1 (1993)
  7. ^ A. Kovács et al. Истощение дейтерия может замедлить прогрессирование рака простаты, J Cancer Ther, 2, 548 (2011).
  8. ^ а б c d X. Xie, R.A. Зубарев, Влияние низкоуровневого обогащения дейтерием на рост бактерий, PLoS One 9, e102071 (2014)
  9. ^ X. Xie, R.A. Зубарев, Гипотеза изотопного резонанса: экспериментальная проверка с помощью измерений роста Escherichia coli, Sci. Отчет 5, 9215 (2015)