7. Использование в биохимии радиоактивных изотопов

Изучению сложной цепи реакций обмена веществ в значительной мере помогло использование особых атомов, названных изотопами. На протяжении первой трети XX в. физики обнаружили, что большая часть элементов имеет несколько изотопов. Организм особой разницы между ними не чувствует, но лабораторные приборы чутко реагируют на нее.

Впервые широко использовал изотопы в биохими­ческих исследованиях американский ученый Рудольф Шенгеймер (1898—1941). В 1935 г. исследователям стал доступен редко встречающийся изотоп водорода (дейтерий), который вдвое тяжелее обычного водоро­да. Шенгеймер синтезировал молекулы жира, в ко­торых заменил обычный водород тяжелым водородом, или дейтерием, а затем скормил эти жиры лабора­торным животным. Таким образом в ткани животных был введен тяжелый водород, на который они реаги­ровали так же, как и на обычный. Анализы животных жиров, содержащих дейтерий, дали поразительные ре­зультаты.

В то время ученые полагали, что запасы жиров в организме в основном неподвижны и мобилизуются только при голодании. Однако, исследовав состав жи­ровой ткани крыс, получивших дейтерий, Шенгеймер обнаружил, что на четвертые сутки в тканях содержа­лась почти половина скормленного с пищей дейтерия. Другими словами, поглощенный жир откладывается, а ранее отложенный используется, то есть имеет ме­сто быстрый и непрерывный круговорот веществ, вхо­дящих в состав организма. Аналогичные результаты отмечались и в опытах с мечеными аминокислотами, в которых Шенгеймер использовал изотоп азота (тя­желый азот). Он кормил крыс смесью аминокислот, из которых лишь одна была меченая, и вскоре обна­ружил, что мечеными оказались все аминокислоты. На основе этих исследований Шенгеймера были вы­двинуты новые представления о динамическом состоя­нии всех составных частей организма.

В принципе можно проследить весь порядок обме­на, последовательно используя различные соединения с изотопами. Легче всего это сделать с помощью ра­диоактивных изотопов, атомы которых отличаются не только весом, но и способностью к распаду с выделе­нием высокоподвижных энергетических частиц. Эти частицы легко обнаружить, поэтому для опыта можно ограничиться минимальным количеством радиоактив­ных изотопов. Созданные после окончания второй ми­ровой войны ядерные реакторы позволили широко по­лучать радиоактивные изотопы. Кроме того, был открыт радиоактивный изотоп углерода (углерод-14), который оказался чрезвычайно полезным для иссле­дований.

Радиоактивные изотопы помогли американскому биохимику Мелвину Кальвину выявить тончайшие детали последовательных реакций процес­са фотосинтеза, посредством которого зеленые расте­ния превращают солнечный свет в химическую энер­гию и снабжают животный мир пищей и кислородом. Кальвин в течение нескольких секунд давал микроско­пическим растительным клеткам доступ к углекисло­те на свету и затем убивал их. К этому моменту успе­вали завершиться лишь первые этапы фотосинтеза. Затем он измельчал клетки и разделял их на составные части, используя метод хроматогра­фии на бумаге. Теперь оставалось уточнить, ка­кие из получаемых компонентов возникли в резуль­тате первого этапа фотосинтеза.

Кальвину удалось ответить на этот вопрос, так как в молекуле углекислоты, с которой соприкасались растительные клетки, содержался изотоп углерода (угле­род-14). Любое вещество, которое образуется из этой углекислоты в процессе фотосинтеза, само по себе становится радиоактивным, и его можно без труда определить. Этот вывод послужил отправной точкой для целого ряда исследований, проведенных в 50-х го­дах и позволивших разработать схему темновой и световой стадий фотосинтеза (цикл Кальвина).