D2O тяжелая вода: Тяжелая вода – свойства, получение и применение в ядерной отрасли

Содержание

Вода с низкой концентрацией дейтерия оказалась полезной для медицины

Ученые Медицинского института РУДН выяснили, как снижение концентрации дейтерия в воде влияет на реакции в живых организмах. Как выяснилось, реакции протекают быстрее, чем при полной замене дейтерия на водород. Статья была опубликована в Chemical Engineering Journal.

Тяжелый изотоп водорода – дейтерий, в ядрах которого присутствует «лишний» нейтрон – присутствует в любой воде естественного происхождения. В обычной питьевой воде доля дейтерия не превышает 0,015%. Но если концентрация дейтерия будет выше или ниже, биологические свойства воды могут меняться. Например, прежние исследования показывали, что вода с недостатком дейтерия может оказывать противоопухолевое, антидотное и метаболическое действие, может влиять на показатели жизнедеятельности клеточных культур в водных средах.

Группа ученых РУДН под руководством Антона Сыроешкина и Игоря Злацкого, кафедры фармацевтической и токсикологической химии, Медицинского института РУДН исследовала, как изменение концентрации дейтерия в воде влияет на процессы в биологических молекулах, а также на живые клетки.

Исследователи сравнивали воду с различным соотношением изотопов – легкую воду с пониженным содержанием дейтерия – с отношением D/H около 5 миллионных долей (ppm), воду с обычным содержанием дейтерия (140 ppm) и тяжелую воду – D2O.

Для молекулярного уровня организации жизни ученые РУДН исследовали мутаротацию галактозы – вращательную трансформацию молекулы, надмолекулярного – ферментативную дестабилазо-лизоцимную активность, для фармацевтических веществ – растворимость и двухфазное распределение, а также скорость жизни живых клеток в воде различного изотопного состава.

Как выяснилось, константа скорости изменения скорости оптического вращения для L-галактозы была в два раза меньше, чем для D-галактозы при небольшом содержании дейтерия, вне зависимости от конкретной концентрации, тогда как в тяжелой воде мутаротация первого порядка для L-галактозы не наблюдалась.

Изменялась и начальная скорость лизоцимной активности фермента дестабилазы-лизоцима: в воде с низким содержанием дейтерия она возрастала в 2 раза, в то время как в тяжелой воде не наблюдалось изменений активности.

При рассмотрении суспензионных систем изучали скорость растворения активных лекарственных веществ. Растворение происходит быстрее, когда

концентрация протия больше, чем дейтерия. Это отвечает нормальному кинетическому изотопному эффекту и подтверждает важную роль выбора изотопного состава растворителя для ускорения процесса.

Изменение изотопного состава воды повлияло и на поведение живых клеток: в воде с меньшим содержанием дейтерия клетки одноклеточных организмов вида Spirostomum ambigua обездвиживались в 8 раз быстрее.

Эти открытия могут оказаться полезными для дальнейших биомедицинских и терапевтических исследований, где дейтерий можно рассматривать как регулятор биологических свойств нормальных или раковых клеток.

Статья в Chemical Engineering Journal

Изучение изотопных эффектов тяжелой воды (D2O) в биологических системах на примере клеток прокариот и эукариот | Мосин

1. Денько Е.И. Действие тяжёлой воды (D2O) на клетки животных, растений и микроорганизмы // Усп. совр. биол. 1970. Т. 70. № 4. 41 c.

2. Ерёмин В.А., Чекулаева Л.Н. Выращивание бактерий Micrococcus lysodeikticus на дейтерированной среде // Микробиология. 1978. Т. 14. C. 125-136.

3. Кишенбаум И. Тяжелая вода // В кн: Физические свойства и методы анализа: Пер. с англ. — M.: Атомиздат. 1953. 8 с.

4. Лобышев В.Н, Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2O в биологических системах. — М.: Наука. 1978. 215 с.

5. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Включение дейтерированных ароматических аминокислот в молекулу бактериородопсина Halobacterium halobium // Прикл. биохим. Микробиол. 1999. Т. 35. № 1. C. 34-42.

6. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Исследование физиологической адаптации бактерий на тяжёловодородной среде // Биотехнология. 1999. № 8. C. 16-23.

7. Мосин О.В., Складнев Д.А., Швец В.И. Методы получения белков и аминокислот, меченных стабильными изотопами 2Н, 13С и 15N // Биотехнология. 1996. № 3. C. 12-32.

8. Мосин О.В. Дейтерий, тяжелая вода, эволюция и жизнь // Водоочистка, водоподготовка, водоснабжение. 2009. № 8. С. 64-70.

9. Мосин О.В., Игнатов И. Изотопные эффекты дейтерия в клетках бактерий и микроводорослей // Вода: химия и экология. 2012. № 3. С. 83-94.

10. Мосин О.В., Казаринова Л.А., Преображенская К.А., Складнев Д.А., Чеботаев Д.В., Юркевич А.М., Швец В.И. Рост бактерии Bacillus subtilis на высокодейтерированной среде // Биотехнология. 1996. № 4. C. 19-27.

11. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Швец В.И. Массспектрометрическая оценка уровня включения 2Н и 13С в молекулы аминокислот бактериальных объектов // Биоорган. химия. 1996. Т. 22. № 10-11. C. 856-869.

12. Мосин О.В., Складнев Д.А., Егорова Т.А., Юркевич А.М., Швец В.И. Изучение биосинтеза аминокислот штаммом Brevibacterium methylicum при росте на средах, содержащих тяжелую воду и дейтерометанол // Биотехнология. 1996. № 3. C. 3-12.

13. Складнев Д.А., Мосин О.В., Егорова Т.А., Еремин С.В., Швец В.И. Метилотрофные бактерии – источники изотопномеченых 2Н- и 13С-аминокислот // Биотехнология. 1996. № 5. C. 25-34.

14. Стом Д.И., Пономарева А.Л., Вятчина О.Ф. Влияние воды с измененным количеством дейтерия на красного калифорнийского гибрида (Eusenia fetida Andrei Bouche) // Бюлл. ВСНЦ СО РАМН. 2006. Т. 6. № 52. C. 167-169.

15. Cioni P., Strambini G.B. Effect of Heavy Water on Protein Flexibility // Biophysical J. 2002. V. 82(6). P. 3246-3253.

16. Cleland W.N., O’Leary M.H, Northrop D.D. Isotope Effects on Enzyme- Catalyzed Reactions. — Baltimore, London, Tokyo: University Park Press. 1976. 303 p.

17. Crespi H.L. Fully deuterated microorganisms: tools in magnetic

18. Mosin O.V., Karnaukhova E.N., Pshenichnikova A.B., Reshetova O.S. Electron impact mass-spectrometry in bioanalysis of stable isotope labeled bacteriorhodopsin // In: 6th Intern. Conf. on Retinal proteins. — Leiden, the Netherlands: Springer Verlag. 1994. 115 p.

19. Mosin O.V., Skladnev D.A., Shvets V.I. Biosynthesis of 2H-labeled phenylalanine by a new methylotrophic mutantBrevibacteriummethylicum //Bioscience,biotechnology,and biochemistry. 1998. V. 62(2). P. 225-229.

20. Vertes A. Physiological effects of heavy water. Elements and isotopes: formation, transformation, distribution. — Dordrecht: Kluwer Acad. Publ. 2004. 112 p. resonance and neutron scattering. Synthesis and Applications of Isotopically Labeled Compounds // In: Proceedings of an International Symposium. Baillie T, Jones J.R eds. — Amsterdam: Elsevier. 1989. P. 329-332.

21. Kushner D.J., Baker A., Dunstall T.G. Pharmacological uses and perspectives of heavy water and deuterated compounds // Can. J. Physiol. Pharmacol. 1999. V. 77(2). P. 79-88.

22. LeMaster D.M. Uniform and selective deuteration in two-dimensional NMR studies of proteins // Ann. Rev. Biophys. Chem. 1990. V. 19. P. 243-266.

23. Lis G., Wassenaar L.I., Hendry M.J. High-Precision Laser Spectroscopy D/H and 18O/16O Measurements of Microliter Natural Water Samples // Anal. Chem. 2008. V. 80(1). P. 287-293.

24. MacCarthy P. Infrared spectroscopy of deuterated compounds: an undergraduate

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (Книга) | OSTI.

GOV

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА (Книга) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

Полная запись
Другие родственные исследования

Авторов:

Андерсон, CE;

Эбенхак, Д.Г.

Дата публикации:: 1964-01-01

Исследовательская организация:: Завод Savannah River, Айкен, Южная Каролина (США)

Организация-спонсор:: Комиссия по атомной энергии США (AEC)

Идентификатор ОСТИ:: 4844194

Номер(а) отчета:: ТИД-21384

Номер АНБ:: НСА-19-005806

Тип ресурса:: Книга

Отношение ресурсов:: Связанная информация: Глава 9. В: Analysis of Essential Nuclear Reactor Materials, Rodden, CJ (ed.), 1964. 1297 страниц.

Страна публикации:: США

Язык:: Английский

Тема:: ХИМИЯ; аналитические процедуры; БИБЛИОГРАФИЯ; ТЯЖЕЛАЯ ВОДА; ЗАМЕДЛИТЕЛЬ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ; ПРИМЕСИ; ИЗМЕРЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ; КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ; КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ; ОБЗОР

Форматы цитирования

MLA
АПА
Чикаго
БибТекс

Андерсон, С. Е., и Эбенхак, Д. Г. ТЯЖЕЛАЯ ВОДА . США: Н. П., 1964. Веб.

Копировать в буфер обмена

Андерсон, CE, и Эбенхак, DG. ТЯЖЕЛАЯ ВОДА . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Андерсон, С.Э., и Эбенхак, Д.Г., 1964. "ТЯЖЕЛАЯ ВОДА". Соединенные Штаты. https://www.osti.gov/servlets/purl/4844194.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_4844194, название = {ТЯЖЕЛАЯ ВОДА}, автор = {Андерсон, CE и Эбенхак, DG}, abstractNote = {}, дои = {}, URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/4844194}, журнал = {}, номер =, объем = , место = {США}, год = {1964}, месяц = {1} }

Копировать в буфер обмена

Просмотреть книгу (1.49МБ)

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых хранится эта книга.

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Похожие записи в сборниках ОСТИ.ГОВ:

Аналогичные записи

Тяжелая вода: альтернативные применения в биологии, медицине и промышленности

Доктор П.С. Чаухан
ICMR Заслуженный ученый-медик и почетный приглашенный научный сотрудник
Плата для тяжелой воды
(ранее руководитель отдела клеточной биологии и руководитель проекта, MSP)
Центр атомных исследований Бхабха

Тяжелая вода (D2O), открытая доктором Х. К. Юри в 1932 году, принесла ему Нобелевскую премию, но он не мог представить, какой огромный интерес вызовет эта молекула в промышленности, биологии и медицине. D2O относительно более вязкий, чем h3O, имеет более высокие температуры плавления и кипения, в то время как различия в других физических свойствах не отмечены. D2O демонстрирует способность замедлять нейтроны примерно в 2600 раз по сравнению с h3O. Это способствовало революции в производстве ядерной энергии, поскольку D2O стал оптимизированным источником в качестве замедлителя в тяжеловодном реакторе под давлением (PHWR). D2O также сразу привлек внимание биологов, и к концу 19 века было опубликовано большое количество статей.30-е годы. Однако большой интерес к D2O возродился в конце 1950-х годов. Более ранние исследования проводились на различных организмах, от микробов до млекопитающих. В течение последних двух десятилетий основное внимание уделялось применению D2O в медицине и промышленности, помимо его использования для понимания механизмов реакций в биологических и физических науках. Здесь представлены различные применения тяжелой воды в биологии, медицине и промышленности.

Тяжелая вода обладает другими химическими и физическими свойствами по сравнению с обычной водой из-за разницы в энергии нулевой точки, возникающей из-за изотопных эффектов. Изотопный эффект приводит к различию энергий связи, что приводит к различному химическому поведению тяжелой воды. Из-за разницы в энергии связи D2O также проявляет различные эффекты связывания дейтерия (водородные связи в случае обычной воды), что приводит к изменениям в молекулярной структуре и поведении композита. В более широком смысле воздействие D2O на живые системы можно разделить на два типа:0003

«Изотопный эффект растворителя», основанный на свойствах молекулы D2O в целом, в частности на ее влиянии на структуру воды и биологические макромолекулы.
«Изотопный эффект дейтерия» (DIE), возникающий в результате способности D2O заменять H на D в биологических молекулах. Связь C-D в несколько раз прочнее связи C-H и, следовательно, более устойчива к ферментативному и даже химическому расщеплению.

В прошлом исследования млекопитающих были сосредоточены на выявлении эффектов D2O после замены воды в организме на D2O. На людях исследования по использованию D2O в качестве индикатора в лечебном питании и для определения нормальных параметров физиологии человека среди младенцев, беременных и кормящих матерей, а также здоровых взрослых продолжались на протяжении десятилетий и значительно расширились в последние годы. Основные преимущества D2O как индикатора заключаются в том, что он нерадиоактивен и, что более важно, обеспечивает практически мгновенный доступ ко всем частям тела, тканям и типам клеток. Ряд методов, основанных на ядерном магнитном резонансе и спектрофотометрии, повысили чувствительность обнаружения, и в настоящее время дейтерий является общепризнанным индикатором для людей. Эти исследования устанавливают безопасность D2O для людей при низкоуровневом воздействии.

Биологический и терапевтический потенциал D2O начал осознаваться уже на этапе биологических исследований 1950-60-х годов. В последние десятилетия широко распространился интерес к нескольким областям фундаментальной биологии, медицины и промышленности. Основное внимание уделялось дейтерированию лекарств для замедления путей их метаболизма. Измененный метаболизм некоторых препаратов может приводить к увеличению продолжительности их фармакологического действия и/или уменьшению токсических проявлений. Около двух десятков препаратов, уже используемых в клинической практике, были дейтерированы, и их терапевтическая эффективность значительно возросла. Недавно два таких препарата были одобрены для клинических испытаний регулирующими органами Канады и США. Это открывает новые возможности огромного потенциала для использования дейтерированных препаратов в системе здравоохранения. Сообщалось, что D2O может снижать гипертензию, вызванную солью и этанолом, у крыс. Аналогичным образом, есть сообщения об антигенотоксическом и радиозащитном действии D2O на мышей. Эти утверждения нуждаются в подтверждении и детальном расследовании.

Еще одно уникальное свойство D2O связано с повышением термостабильности макромолекул, клеток и тканей. Это свойство было использовано для повышения термостабильности некоторых вакцин, например. оральная вакцина против полиомиелита или другие макромолекулы, требующие замораживания. Французская группа продемонстрировала термостабилизацию пероральной полиомиелитной вакцины (ОПВ) на основе D2O. Недавно Despande и др. Центр исследования энтеровирусов, институт ICMR в Мумбаи в сотрудничестве с Советом по тяжелой воде (HWB) улучшили процесс, и было продемонстрировано явное преимущество ОПВ на основе D2O. Таким образом, оральная вакцина против полиомиелита остается биологически активной, даже если холодовая цепь на какое-то время нарушается. Эта технология имеет огромный потенциал в тропических странах и может служить системой поддержки холодовой цепи в отдаленных районах, где сложно поддерживать желаемую температуру. Аналогичным образом, некоторые ткани/органы, например. почки и другой биологический материал могут быть сохранены без деградации или гниения.

D2O более токсичен для злокачественных клеток, чем нормальные клетки животных, но требуются более высокие концентрации. Следовательно, необходимо исследовать новые методы для регулярного терапевтического использования. Было показано, что он контролирует инвазивность нескольких типов злокачественных клеток, включая трудно поддающиеся лечению клетки поджелудочной железы. Было обнаружено, что в бор-нейтронозахватной терапии (BNCT) D2O увеличивает проникновение нейтронов к соединениям бора, связанным со злокачественными клетками. Дейтерирование противоопухолевых препаратов снижает побочные эффекты при сохранении их терапевтической эффективности, в то время как D2O усиливает терапевтический потенциал фотосенсибилизаторов. Таким образом, существует более широкий интерес к изучению применения D2O в терапии рака с использованием различных подходов.

Перспективы будущего: D2O проявляет несколько биологических эффектов, независимых от h3O, и некоторые из них имеют огромные возможности применения в медицине и технике. Некоторые из областей, представляющих интерес, кратко упомянуты здесь.
Продление срока годности: Термостабилизация вакцин, используемых в стране, является важной областью с огромными возможностями и заслуживает приоритетного рассмотрения. Поскольку нормативные обязательства могут быть относительно менее строгими, вакцины, используемые в настоящее время для домашней птицы или крупного рогатого скота, сельскохозяйственных и домашних животных, представляют собой области выбора. Точно так же консервация клеток, органов и промышленных ферментов является еще одной областью, представляющей большой интерес и заслуживающей изучения.
Разработка лекарственных препаратов и терапия: Недавнее одобрение клинических испытаний дейтерированных препаратов агентствами Канады и США открывает огромные возможности для дейтерирования препаратов, уже используемых в стране. Сюда входят все классы лекарств, биологическая эффективность которых может быть повышена. Комплексная программа синтеза дейтерированных лекарств, их фармакокинетического профиля и детальных фармакотерапевтических исследований может быть очень полезной. Аналогичным образом, в области терапии рака многообещающими являются несколько стратегий, таких как дейтерирование противораковых препаратов для повышения эффективности и уменьшения побочных эффектов, использование D2O для замедления пролиферации злокачественных клеток и усиления БНЗТ или фотодинамической терапии. Антигипертензивные эффекты D2O поразительны и требуют детальной фармакологической оценки D2O.
Биотехнология: Низшие организмы, включая водоросли и бактерии, могут приспосабливаться к почти 100% D2O. Поскольку с микробной адаптацией связаны различные морфологические особенности, это явление является отличной моделью для изучения основной биологии стресса и адаптивных реакций. Некоторые из этих организмов исследуются как источники ряда дейтерированных молекул для промышленных, биотехнологических и медицинских применений. Чтобы проиллюстрировать это, дейтерированный глицерин имеет интересное потенциальное применение в качестве прекурсора прозрачных пластиков и других соединений. Дейтерированный глицерин может производиться Dunaliella spp, солеустойчивыми водорослями, растущими в D2O при высоких концентрациях NaCl. Таким образом, это указывает на интересный биотехнологический потенциал таких организмов, и несколько групп заняты использованием этих возможностей.
Промышленность: Различное поведение, возникающее в результате связывания изотопов и дейтерия, нашло потенциальное применение в различных отраслях промышленности. Используя некоторые фундаментальные различия между водородом и дейтерием, был разработан ряд приложений в области высоких технологий. Некоторые из них относятся к области оптических волокон [улучшенная интенсивность и лучшие характеристики передачи дейтерированного ПММА (полиметилметакрилат) по сравнению с обычным], оптических систем записи (улучшенная емкость памяти в результате более четкой и однородной оптической плотности записи с дейтерированное полимерное вещество) и полупроводники более высокого качества с уменьшенными токами утечки, вызванными напряжением, через затворы из оксида металла. Также сообщалось, что дейтерированные соединения, такие как присадки к смазочным материалам, обеспечивают превосходные свойства по сравнению с обычными смазочными материалами. Дейтерированные полимеры обладают интересными физико-химическими свойствами, обеспечивающими значительно лучшие характеристики для будущих технологий.

Потенциал дейтерированных соединений в промышленности огромен и требует целенаправленных усилий в некоторых фундаментальных и прикладных областях исследований.
Воздействие низких доз и гомеостатические преимущества: Область, которую еще предстоит изучить, связана с влиянием более низких концентраций D2O на физиологию млекопитающих и их последствиями для здоровья. D2O замедляет физиологические процессы. В настоящее время все больше признается благотворное влияние на здоровье физиологического замедления либо за счет ограничения калорийности, либо за счет контроля центральной нервной системы. Неудивительно, что несколько компаний в Северной Америке рекламируют D2O как средство для укрепления здоровья и косметическое чудо. Было бы целесообразно изучить, есть ли научная основа благотворного воздействия D2O на здоровье в более низких дозах.
Исследование биологических явлений: D2O предоставляет уникальные возможности для изучения основных механизмов биологических явлений. Как было сказано ранее, D2O имеет доступ ко всем органам тела, клеточным компонентам и молекулам. Простое изъятие D2O из питательной воды удаляет дейтерий из организма, поскольку H заменяет D. Это уникальное свойство, практически не присущее никакому другому агенту, и дает чрезвычайно интересные возможности для раскрытия тайн биологических процессов. Например, клеточное деление может быть подавлено, но клетки полностью восстанавливаются при отмене D2O. Таким образом, последовательность множества генов, участвующих в процессе, может быть легко исследована. С использованием новой технологии можно одновременно исследовать большое количество генов или белков и основные события трансляции.
Стремление к патентованию: До 1995 г.