其实道理很简单,重水是作为一种引入标记物的物质而使用的。这种标记物就是重水所含有的重氢,也就是氘。
1 什么是标记?为什么要标记?标记要有那些基本属性?
标记其实很简单,就是让一个东西变得和原本“有差异”,从而能把这个东西从其他和它一样的东西中被观测或检测到。例如中学生都知道的“标记重捕法”,就要给捕捉到的动物做标记,比如画一个标记、连上一个标记等。这就是为了在“重捕”时,将被捕到的动物和之前没有被捕到的动物区分开来。
那么,从这里可以看到,标记要有两个基本属性,即“区分性”和“无妨碍性”。所谓区分性,就是要能做真正做到区分。而“无妨碍性”,则是说标记要尽可能的维持被标记物原有的特性。用“标记重捕捉法”为例,就是你可以在动物皮毛上画一个图案做标记,但是你不能折断动物的一条腿做标记,因为后者已经影响了原有的特性,
动物是这样,分子也一样。然而我们无法给分子涂上颜色或者加上什么东西(尤其对于小分子来说),因为这会完全改变分子的结构,从而违背了“区分性”原则。
然而,幸好我们有同位素。同位素的概念中学课本就有,不再敷述。当将同位素原子替代分子内的相应原子时,会造成分子量的些许变化,从而能被质谱、核磁共振等技术检测而区分。另一方面,由于替换的是分子内的原子,因此这种替换对分子的性质尤其是化学性质影响较小,适合应用在药学、生物学等对化学反应有要求的研究中。当然,影响不是一点没有,但是这种影响和原子被替换的比例、替换的位置、分子量改变的程度等因素有关。替换比例越低、分子量改变越小,这种影响通常也越小。
2 哪些同位素?
几乎每一种元素都有其所对应的同位素,但是并非所有的同位素都能拿来做标记。同位素可分为稳定同位素和放射性同位素,后者由于会因衰变(同时产生辐射)而发生变化,因此这个性质并不利于对生物体内的分子做标记,因为首先衰变会造成量的变化,其次衰变产生的辐射可能对生物体有害(当然,放射自显影技术是另一个话题了)。
而稳定同位素则没这个问题,因此可作为生物体内分子的标记使用。但是,生物体分子绝大多数是有机物,因此需要用组成有机物的原子的同位素作为标记物。由于以上原因,生物体中用作标记的稳定同位素主要有4种,即2H、13C、15N和18O
2H就是氘。它可以以重水的形式被植物吸收,从而掺入植物利用重水所合成的有机物中,从而形成“被标记”的相应分子。此时就可利用这些被标记分子完成“识别”,进而可以进行定量、示踪等工作。而微博中提到的实验,就是一个涉及胡萝卜素分子示踪和代谢的研究。当然,在药学研究中,这种技术使用的更多。
3 氘作为标记物,安全性如何?
氘作为氢的稳定同位素,当然不存在放射性的问题。那么其安全性高低,决定于两个因素:被氘标记的分子性质发生了多大的变化;如果有变化,那么摄入的量有多少。
很多人说重水有毒,这句话并不算错。因为大量饮用重水的确会导致实验动物的死亡。这是因为,首先由于水分子分子量小,因此两个氢被氘替换后,相对而言质量的变化较大(增大了12.5%),因此对水的性质影响较大。而由于水在体内的含量非常高,而且是最为重要的溶剂和反应媒介存在,因此过量摄入重水会对生命体造成损害。然而,这个量是很大的。据报道,对于哺乳动物,需要体内的氢原子有15%以上被替换为氘之后(氢原子质量占人体质量的10%,换句话说每公斤体重要含有15g氘原子),才会产生显著的毒性效应;重水含量要超过细胞内水量的25%~50%以上才有可能导致死亡。
事实上,由于同位素具有相对固定的丰度,因此我们每天的呼吸、饮食,都会摄入同位素。对于氘来说,其丰度约为0.015%左右,换句话说,每1000mg氢原子中,就含有0.15mg的氘。如果按照这一比例,我们每天喝2L水就会附带喝下30多mg的氘,加上饮食中的氘会更多。对于一个75公斤重的人体来说,体内会稳定的存在超过1000mg的氘(当然18O、13C之类就更多了)。
从上表可以看到,用于标记和示踪的氘用量可达每千克体重80mg。此外,除了用于提供氘外,重水本身就是一种常用的标记物,比如著名的人体代谢测定方法“双标水法”,就是按照每公斤0.5-1g的剂量(50kg人体就是25-50克)喝下重水、重氧水或2H218O的“双标水”作为标记物来进行代谢研究的。而这个剂量依然是远低于可能造成健康危害的剂量的。可见,在这些实验剂量下,使用稳定同位素做标记都是被认为安全的。
那么,微博中“黄金大米事件”(http://ajcn.nutrition.org/content/96/3/658.full )中的情况如何呢?我们来仔细看看。
首先,在实验中,是用有23%的氢原子被氘替换的重水(其实是重水-轻水混合物,因为不能妨碍植物的生长)来培养植物,让植物内的分子(研究对象是胡萝卜素)被标记。而在进食实验中并没有“喝下重水”,而只是吃下了含有标记分子的食品而已。而且使用重水也只是为了实验的标记,在生产型和其他实验性栽培过程中并不会使用重水。实验结果显示,在这一实验中,植物体内大多数胡萝卜素都带有了氘,而且以带10个氘的为最多。
带有10个氘,说明分子量大了10,然而对于胡萝卜素来说,分子量只大了1.9%,远小于重水质量的增加程度,因此可以说对被标记的胡萝卜素的性质影响极小。
那么通过被标记胡萝卜素摄入的氘又有多少呢?文中我们可以看到,摄入的胡萝卜素量最大为每天1.4mg(菠菜组,黄金大米为0.6mg,人工合成胡萝卜素为0.5mg)。那么按照图中所述的有90%的胡萝卜素都被标记(方便起见视为全被标记)、平均含有10个氘来算,通过胡萝卜素摄入的氘量最多为0.051mg。
有些懂生物和化学的人可能会意识到,植物里其他成分也会被氘标记啊。这个观察很敏锐,事实上,在这一实验中真正的氘的摄入的大头是其他植物组织,而非胡萝卜素。那么,氘的摄入总量有多大?按照实验中重水中23%的氢原子被氘替换,而植物光合作用吸收的CO2又不含氢,因此可近似视作植物内同化产物中有23%的氢原子被氘代替,再将食用的60g黄金大米等同为24g淀粉(按照米饭60%含水率计算,这是煮饭的水,不是重水)计算,摄入的氘含量大约为700mg。这一剂量相比天然摄入来说水平的确偏高,但相比于人体内几公斤的氢含量,这个摄入量微乎其微,远达不到“15%”的引起显著毒性的剂量。
事实上,稳定同位素标记技术长期实践过程中,被认为是一种相当安全的技术。可安全的应用于多种代谢相关的研究之中。
综上,在这一实验中,重水是作为一种标记物被使用的。受试者并未直接饮用重水。从受试者总氘摄入量来说,理论计算值为约700mg(可能存在误差),这一剂量相对自然氘摄入量来说偏高,但仍远低于安全限。重水仅是为此类实验使用,而在生产型种植中不会使用重水,因此生产型产品中不会含有通过重水引入的氘。
最后再啰嗦一句。这个实验的最大问题在于程序违规(当事人已经受到处理),但就安全性来说并不存在问题。
【1】图片来自:B. Koletzko 等,《Safety of stable isotope use》,Eur J Pediatr ,1997
【2】图片来自:李高,《稳定同位素标记药物在临床药代动力学研究中的应用》,中国临床药理学杂志,2000
联系客服