БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 5, с. 1034-1040

ДИСКУССИИ

УДК 577.3

МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

С БИОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С УЧЕТОМ

НЕСКОМПЕНСИРОВАННОГО НЕЙТРОНА В ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЯХ

В.В. Малышко*^, ***, Е.В. Барышева***, А.В. Чуркина**, С.С. Джимак*^, **

*Южный научный центр РАН, 344006, Ростов-на-Дону, пр. Чехова, 41

**Кубанский государственный университет, Краснодар, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

***Кубанский государственный медицинский университет, 350063, Краснодар, ул. Седина, 4

****Кубанский государственный аграрный университет, 350004, Краснодар, ул. Калинина, 13

E-mail: jimack@mail.ru

Поступила в редакцию 10.10.2019 г.

После доработки 29.06.2020 г.

Принята к публикации 02.07.2020 г.

Изучены физическиe закономерности, обеспечивающие фракционирование изотопов, которые

приводят к накоплению определенных изотопных форм в межклеточном и внутриклеточном про-

странстве на различных уровнях организма. Рассмотрена новая гипотеза фракционирования ста-

бильных изотопов в биологических объектах посредством реализации нейтронного эффекта. От-

мечена следующая особенность: весьма вероятно, что развитие изотопного шока у живых существ

наблюдается в основном при наличии ковалентных связей между атомами, имеющих нескомпенси-

рованный нейтрон. Возможное объяснение подобного феномена может быть связано с изменением

физических параметров следующих явлений: взаимодействия магнитных моментов валентных

электронов с магнитными моментами атомных ядер и взаимодействия магнитных моментов атом-

ных ядер, приводящие к изменению расстояния между атомными ядрами.

Ключевые слова: фракционирование изотопов, изотопные эффекты в организме, нейтрон, гипотеза ре-

зонанса.

DOI: 10.31857/S0006302920050221

Понимание механизмов возникновения изо-

внутренних средах и органах может обеспечить

топных эффектов представляет интерес для изу-

возможность превентивного повышения адапта-

чения особенностей физиологических процессов

ционного потенциала организма за счет модифи-

в растениях и животных в зависимости от их гео-

кации интенсивности обменных процессов и

графического происхождения и места обитания

структурных перестроек на клеточном уровне [8].

[1-3].

Данный эффект может быть объяснен ожидае-

Однако, несмотря на многочисленные экспе-

мым положительным биологическим воздей-

риментальные данные о различном соотношении

ствием на организм путем уменьшения концен-

легких и тяжелых изотопов биогенных элементов

трации тяжелых изотопов, обладающих выражен-

в биообъектах в зависимости от среды обитания

ными кинетическими изотопными эффектами

[4, 5], нерешенным в отношении обмена стабиль-

[9].

ных нерадиоактивных изотопов (С, О, Н и дру-

Несомненно, крупным открытием является

гих) остается вопрос, посвященный объяснению

доказательство наличия парамагнитных изотоп-

возможных механизмов их полиизотопного воз-

ных эффектов у некоторых металлов, принимаю-

действия. Решение данной задачи необходимо

щих участие в биокатализе [10, 11]. В данных ра-

для прогнозирования конечных биоэффектов в

ботах прежде всего показано изменение активно-

организме, при естественных или искусственно

сти ферментов, регулирующих энергообмен и

создаваемых колебаниях изотопного состава, в

передачу генетической информации в клетках в

том числе при создании различных способов по-

зависимости от изотопного состава среды [12, 13].

лиизотопной коррекции метаболических нару-

шений [6, 7].

Целью настоящего исследования явилось

В связи с этим целенаправленное изменение

обоснование возможных закономерностей фор-

соотношения тяжелых и легких изотопов во мирования биофизических и биохимических эф-

1034

МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

1035

фектов при полиизотопном взаимодействии мак-

изотопных флуктуаций на метаболизм [17-19].

ро- и микроэлементов в организме.

При этом замена дейтерия на протий приводит,

по данным ряда исследований, к ускорению пе-

Известно, что термодинамическая неравно-

реноса протонов в митохондрии и, следователь-

ценность изотопных соединений может приво-

но, к усилению продукции отдельных субстратов,

дить к неравномерному распределению изотопов

обеспечивая, в том числе, и более высокий энер-

водорода. Это может наблюдаться, например,

гообмен. Данное явление повышает резистент-

при достижении равновесия в результате реакций

ность клетки к неблагоприятному внешнему или

изотопного D/H-обмена между клетками и при-

внутреннему воздействию (например, к гипо-

водить к преимущественному накоплению одной

ксии, интоксикации и т.п.).

из изотопных форм в межклеточном или внутри-

клеточном пространствах. Реакции изотопного

Влияние изотопного обмена на каталитиче-

обмена в биологических системах могут сопро-

ские комплексы в некоторых органоидах (мито-

вождаться изменением не только термодинами-

хондриях, лизосомах) может не только изменять

ческих (удельный заряд ионов), но прежде всего

интенсивность метаболических процессов на

кинетических (коэффициент диффузии, ско-

клеточном уровне, но и существенно модифици-

рость протекания биохимических реакций) пока-

ровать резистентность и/или реактивность био-

зателей на молекулярном уровне.

логической ткани в целом.

Известен межмолекулярный или изотопный

Например, клетка, находящаяся в различном

эффект, обусловленный более устойчивым взаи-

функциональном состоянии, характеризуется

модействием дейтерированной сольватирующей

особенным уровнем энергетических и биосинте-

оболочки и непосредственно биомолекулы (бе-

тических потребностей [20, 21], которые, в свою

лок, ДНК и др.) [14]. Данный изотопный эффект

очередь, могут меняться в определенном диапа-

сопровождается снижением вовлеченности био-

зоне, модифицируя цепочки метаболических

молекулы в биохимические реакции в связи с за-

превращений с выраженной конкуренцией за пи-

медлением десольватации отдельных регулирую-

руватный фонд. Данная зависимость сопровож-

щих участков молекул при переходе их в функци-

дается изменением соотношений частей пируват-

онально активное состояние.

ного фонда, избирательно извлекающихся для

энергетики клетки и синтеза метаболитов, требу-

При этом необходимо учитывать, что в живых

ющихся в данной ситуации, обуславливая селек-

организмах наблюдается суммирование межмо-

цию изотопов [22].

лекулярных и внутримолекулярных кинетиче-

ских изотопных эффектов. Это обусловлено

В отдельных работах описано разнонаправ-

сложностью организации высокомолекулярных

ленное воздействие реакций изотопного обмена

соединений (белков, нуклеиновых кислот), кото-

на функциональную активность биологических

рые обладают высокой способностью к сольвата-

систем, их нативные свойства и структурную ор-

ции и, следовательно, к изотопному обмену водо-

ганизацию [23-28]. Прежде всего это касается

рода между диссоциирующими группами в мак-

влияния пониженных (по отношению к природ-

ромолекуле и ее гидратационной оболочкой.

ному уровню) концентраций тяжелых нерадиоак-

Такие изменения приводят не только к модифи-

тивных изотопов на живые системы [29].

кации энергетического взаимодействия фермен-

Последнее нередко связано с традиционным

тов с субстратами (межмолекулярный эффект),

объяснением кинетических изотопных эффек-

но и способны сопровождаться различной скоро-

тов, которое базируется на представлении об уве-

стью внутримолекулярных конформационных

личении их выраженности, пропорциональном

перестроек. Например, вышеописанные вариа-

концентрации тяжелых изотопов. При этом не-

ции в комплексах фермент-субстрат или фер-

редко не учитываются изотопные эффекты, свя-

мент-кофактор (фермент-кофермент) могут

занные с целенаправленным понижением кон-

привести к уменьшению времени отдельных эта-

центрации тяжелых нерадиоактивных изотопов

пов биокаталитических превращений или уско-

по отношению к их природному содержанию, и

рить восстановление фермента в активную форму

изотопные эффекты, возникающие в сложноор-

по завершении отдельного каталитического цик-

ганизованных живых системах при формирова-

ла, повышая таким образом активность биохими-

нии различных изотопных градиентов [30].

ческих процессов [15, 16].

Важным в такого рода научной работе пред-

Наглядным примером изучения вышеуказан-

ставляется выбор объекта исследования, который

ного влияния скорости биохимических процес-

бы позволял должным образом оценить всю мно-

сов при различных соотношениях легких и тяже-

гогранность влияния реакций изотопного обмена

лых изотопов биогенных элементов на функцио-

на биологические системы. В связи с чем в науч-

нирование органоидов и субклеточных структур

ной литературе можно встретить исследования

является оценка интенсивности энергетического

различных одноклеточных и многоклеточных ор-

обмена в митохондриях, позволяющая характе-

ганизмов [31-35], что, однако, нередко представ-

ризовать результирующий эффект воздействия

лено в дискретном виде, без учета генетической

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

1036

ЕЛКИНА и др.

гетерогенности особей и не подвергалось метаа-

Влияние нескомпенсированного по массе

нализу.

нейтрона реализуется не на все ядро одномомент-

но, а стохастически по времени на каждую триаду

При сравнительном анализе ряда данных экс-

(протон-электрон-нейтрон), что приводит к

периментальных исследований была выявлена

возникновению эффекта масс (пропорциональ-

следующая закономерность (таблица): возникно-

ного минимум половине равновесного протон-

вение изотопного шока характерно в тех случаях,

нейтронного взаимодействия). Вышеописанный

когда высока вероятность образования связей с

эффект опосредованно приводит к изменению

нечетным количеством нейтронов (нескомпен-

силы взаимодействия заряженных частиц (про-

сированным нейтроном) или при наличии в си-

тон-электрон). Последнее находит подтвержде-

стеме химического элемента (обычно металла),

ние в том, что именно водородные связи чрезвы-

имеющего нескомпенсированный нейтрон/ней-

чайно чувствительны к распределению электрон-

троны.

ной плотности по всей молекуле в целом [36],

При изучении вероятности возникновения

поэтому локальное ослабление и усиление про-

данной закономерности, называемой далее ней-

тон-электронного взаимодействия может приво-

тронным эффектом, было установлено, что воз-

дить к возникновению эффекта протонного тун-

можным механизмом его реализации может яв-

нелирования [45].

ляться изменение спина ядер атомов в зависимо-

сти от количества нейтронов. Это, в свою

Кроме того, вероятно, что в системе с тремя

очередь, способно влиять и на реакционную спо-

нейтронами описанный эффект также реализует-

собность химической связи, образуемой изотопа-

ся ввиду невозможности парных нейтронов ком-

ми, имеющими суммарную нескомпенсирован-

пенсировать масс-флуктуации нескомпенсиро-

ность по нейтронам.

ванного нейтрона в объеме атома. В изотопах же с

преобладанием нейтронов над протонами на пять

Возможное объяснение подобного феномена с

и более (семь, девять и т.д.) возможно возникно-

нескомпенсированным нейтроном может быть

вение частичного равновесия масс за счет опреде-

связано с изменением физических параметров

ленного распределения в пространстве этих ней-

следующих явлений: взаимодействия магнитных

тронов, что может снижать выраженность ней-

моментов валентных электронов с магнитными

тронного эффекта.

моментами атомных ядер; взаимодействия маг-

нитных моментов атомных ядер, приводящих к

Другим вероятным механизмом, способным

изменению расстояния между ними; влияние

увеличить скорость ферментативной реакции во

размера ядра на энергию валентного электрона, в

много раз, может являться способность неском-

том числе вследствие изменения расстояния

пенсированного по массе нейтрона иницииро-

между атомами.

вать квантовое туннелирование. Данное явление

возможно за счет вовлечения одной из описан-

Принципиально объяснить механизм возник-

ных выше атомных триад в этот процесс с после-

новения нейтронного эффекта можно нарушени-

дующим высвобождением энергии, достаточной

ем баланса по массе в системах с равновесным за-

для образования новой химической связи. Это

рядом.

повышает вероятность резкого ускорения обра-

Равновесие по массе в атоме достигается как за

зования субстратов, необходимых для роста кле-

счет взаимодействия протонов и нейтронов, так и

точных структур и развития организма в целом.

нейтронов попарно между собой:

Наличие подобного эффекта объясняется фе-

a.m. [p⁺+ n⁰] ≈ 1 : 1,

номеном возникновения «изотопного шока» [46]

в живых системах при наличии нерадиоактивных

a.m. [ni0 + n0i + 1] = 1 : 1.

изотопов определенных макро- и микроэлемен-

тов, а также экспоненциального усиления этих

При этом в триадах «протон, электрон и ней-

проявлений при комбинировании различных

трон» наблюдается равновесие по заряду и по

фракций изотопов в биологических объектах.

массе. Более сильное взаимодействие заряжен-

ных частиц (протон и электрон) по сравнению с

Необходимо учитывать, что в живых системах

массовыми эффектами объясняет отсутствие дис-

в составе органических молекул реализация ней-

баланса по массе в ядрах атомов с меньшим коли-

тронного эффекта будет происходить не на чи-

чеством нейтронов, чем протонов. В то же время

стых (изолированных) изотопах, а в составе групп

наличие нескомпенсированного по массе ней-

атомов, связанных ковалентными и нековалент-

трона может приводить к возникновению масс-

ными взаимодействиями. Поэтому расчет ней-

зависимого дисбаланса в системах с равновесным

тронного эффекта должен осуществляться как

зарядом, что характерно для некоторых тяжелых

минимум на атомную пару, имеющую перекры-

изотопов или связей, ими образуемыми:

вание электронных облаков. В связи с этим, не

будет выявляться линейного нарастания ней-

[p⁺+ e^-+ ni0] · n0i + 1 = 0 (равновесный заряд),

тронного эффекта при линейном утяжелении

но ≠ 1 : 1 (отсутствие равновесия по массе).

изотопов, образующих химическую связь. На-

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

1037

Закономерность возникновения изотопного резонанса в биологических объектах путем вероятной реализации

нейтронного эффекта

(изотопный

(изотопный резонанс

резонанс

отсутствует)

наблюдается)

отсутствует)

наблюдается)

отсутствует)

¹²C-¹H: 6n-7p = -1

¹²C-D: 7n-7p = 0

Спин: 0⁺+ ½⁺= ½^{+ +}

Спин: 0⁺+ 1⁺= 1^{+ +}

¹³C-¹H ^[37]: 7n-7p = 0

¹³C-D ^[16]: 8n-7p = 1

Спин: ½^-+ ½⁺= 1^{- +}

Спин: ½^-+ 1⁺= 1½^{- +}

¹⁴N-¹H: 7n-8p = -1

¹⁴N-D: 8n-8p = 0

Спин: 1⁺+ ½⁺=1½^{+ +}

Спин: 1⁺+1⁺= 2^{+ +}

¹⁵N-¹H ^[37]: 8n-8p = 0

¹⁵N-D: 9n-8p = 1

Спин: ½^-+ ½⁺= 1^{- +}

Спин: ½^-+1⁺= 1½^{- +}

¹⁶O-¹H: 8n-9p = -1

¹⁷O-¹H: 9n-9p = 0

¹⁸O-¹H ^[37]: 10n-9p = 1

Спин: 0⁺+½⁺=½^{+ +}

Спин: 5/2⁺+½⁺=3^{+ +}

Спин: 0⁺+½⁺=½^{+ +}

¹⁶O-D: 9n-9p= 0

¹⁷O-D: 10n-9p = 1

¹⁸O-D: 11n-9p = 2

Спин: 0⁺+1⁺=1^{+ +}

Спин: 5/2⁺+1⁺=3½^{+ +}

Спин: 0⁺+1⁺=1^{+ +}

³²S-¹H: 16n-17p = -1

³²S-D: 17n-17p= 0

³⁴S-¹H: 18n-17p = 1

³⁴S-D: 19n-17p = 2

Спин: 0⁺+½⁺=½^{+ +}

Спин: 0⁺+1⁺=1^{+ +}

Спин: 0⁺+½⁺=½^{+ +}

Спин: 0⁺+1⁺=1^{+ +}

¹²C-¹²C: 12n-12p = 0

¹²C-¹³C: 13n-12p = 1

Спин: 0⁺+ 0⁺ = 0^{+ +}

Спин: 0⁺+ ½^- = ½^{+ -}

¹²C-¹⁴N: 13n-13p = 0

¹²C-¹⁵N: 14n-13p = 1

Спин: 0⁺+1⁺= 1^{+ +}

Спин: 0⁺+½^-= ½^{+ -}

¹³C-¹⁵N ^{[37, 40, 41]}:

¹³C-¹⁴N: 14n-13p = 1

15n-13p = 2

Спин: ½^-+ 1⁺=1½ ^{+ -}

Спин: ½^-+ ½^-=1 ^{- -}

¹²C-¹⁶О: 14n-14p = 0

¹²C-¹⁷О: 15n-14p = 1

¹²C-¹⁸О: 16n-14p = 2

Спин: 0⁺+ 0⁺ = 0^{+ +}

Спин: 0⁺+ 5/2⁺ = 5/2^{+ +}

Спин: 0⁺+ 0⁺ = 0^{+ +}

¹³C-¹⁶О: 15n-14p = 1

¹³C-¹⁷О: 16n-14p = 2

¹³C-¹⁸О^[37]: 17n-14p =3

Спин: ½^-+ 0⁺= ½^{- +}

Спин: ½^-+ 5/2⁺= 3^{- +}

Спин: ½^-+ 0⁺ = ½^{- +}

¹⁴N-¹⁶O: 15n-15p = 0

¹⁴N-¹⁷O: 16n-15p = 1

¹⁴N-¹⁸O: 17n-15p = 2

Спин: 1⁺+ 0⁺ = 1^{+ +}

Спин: 1⁺+ 5/2⁺ = 3½^{+ +}

Спин: 1⁺+ 0⁺ = 1^{+ +}

¹⁵N-¹⁶O^[39]: 16n-15p =1

¹⁵N-¹⁷O: 17n-15p = 2

¹⁵N-¹⁸O^[37]: 18n-15p =3

Спин: ½^-+ 0⁺= ½ ^{- +}

Спин: ½^-+ 5/2⁺= 3 ^{- +}

Спин: ½^-+ 0⁺= ½^{- +}

⁴⁰Ca^[11]: 20n-20p = 0

⁴³Ca^[11]: 23n-20p = 3

Спин: 0⁺

Спин: 7/2^-

²⁴Mg^[42]: 12n-12p = 0

²⁵Mg^[42]: 13n-12p = 1

²⁶Mg^[42]: 14n-12p = 2

Спин: 0⁺

Спин: 5/2⁺

Спин: 0⁺

⁶³Cu-¹⁸O: 44n-37p = 7

Спин: 3/2^- + 0⁺ = 3/2^{- +}

⁶³Cu: 34n-29p = 5

Спин: 3/2^-

⁶⁵Cu: 36n-29p = 7

Спин: 3/2^-

⁶⁴Zn^[43]: 34n-30p = 4

⁶⁷Zn^[44]: 37n-30p = 7

Спин: 0⁺

Спин: 5/2^-

⁶⁶Zn^[43]: 36n-30p = 6

Спин: 0⁺

²³⁸U^[38]: 146n-92p = 54

²³⁵U^[38]: 143n-92p = 51

Спин: 0⁺

Спин: 7/2^-

Примечание: D - дейтерий, х - целое число, спин - суммарный спин, n - нейтрон, p - протон. А: n - p = -1; Б: n - p = 0;

В: n - p = 1; Г: n - p = 2 или n - p = 2х; Д: n - p = 2x + 1.

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

1038

ЕЛКИНА и др.

пример, для связи ¹³С-Н нейтронный эффект ра-

с особенностями инкорпорирования тяжелых

вен нулю и вероятность возникновения изотоп-

изотопов в биологические молекулы и, прежде

всего, с их взаимодействием с другими легкими и

ного резонанса отсутствует [37, 47] (гипотеза изо-

топного резонанса предполагает, что зависимость

тяжелыми изотопами. Поэтому при чрезмерном

скорости реакции от степени обогащения изото-

обогащении среды только тяжелыми изотопами

нейтронный эффект, а следовательно, и изотоп-

пами не является монотонной, напротив, при не-

которых «резонансных» изотопных соединениях

ный резонанс могут отсутствовать, например, в

скорость реакции возрастает, а при «нерезонанс-

парах ¹⁸O-D, ³⁴S-D, ¹³C-¹⁵N, ¹²C-¹⁸О, ¹³C-¹⁷О,

ных» соединениях те же реакции протекают без

¹⁴N-¹⁸O, ¹⁵N-¹⁷O.

изменения), тогда как для связи ¹³С-D нейтрон-

Изменение энергии химической связи обу-

ный эффект равен единице и высока вероятность

словлено несколькими факторами, рассмотрен-

возникновения изотопного резонанса Таким же

ными далее. Равновесное положение электрона

образом, для связи ¹⁸O-H нейтронный эффект

определяет химическую активность соединения,

равен единице, в результате ожидается изотоп-

которую можно оценить, вычислив энергию вза-

ный резонанс, тогда как для связи ¹⁸O-D ней-

имодействия электрона с атомными остовами.

тронный эффект равен двум и, следовательно,

Активность валентной связи определяется не

изотопный резонанс не ожидается [48]. Этим

только взаимным расположением атомов 1 и 2, но

можно объяснить неоднозначные результаты

и взаимодействием атомных остовов с парой ва-

многих авторов при обогащении биологических

лентных электронов. Чем ниже энергия, тем ме-

систем тяжелыми изотопами и их смесями [49].

нее активна химическая связь, поэтому тем боль-

Подтверждением этого явления на практике

ше внешняя энергия требуется для активации ко-

можно, например, считать обогащение раковых

валентной химической связи. На расстояние

между атомами и энергию химической связи вли-

клеток ¹³С и D, когда ожидаемо возникновение

яет несколько факторов:

изотопной резонансной пары (для связи ¹³С-D

1. Кулоновское взаимодействие валентных

нейтронный эффект равен единице). Подобное

электронов слабо зависит от изотопного состава

фракционирование ¹²С/¹³С и ¹H/²H с накопле-

химических элементов, поэтому в настоящей ста-

нием тяжелых атомов сопровождается появлени-

тье поправки, связанные с энергией кулоновско-

ем дополнительного энергетического и метабо-

го взаимодействия валентных электронов, не рас-

лического преимущества у онкоцитов перед

сматриваются;

обычными клетками с естественным изотопным

2. Взаимодействие магнитных моментов ва-

составом (для связи ¹²С-Н нейтронный эффект

лентных электронов также слабо зависит от изо-

при -1 отсутствует).

топного состава соединения, поэтому в настоя-

Кроме этого, увеличение энергии связи и ча-

щей статье не рассматривается;

стоты колебаний ядра при уменьшении межъ-

3. Взаимодействие магнитных моментов ва-

ядерного расстояния может происходить с раз-

лентных электронов с магнитными моментами

личной скоростью и интенсивностью в связях,

ядер атомов, которое в значительной степени

образованных изотопами с парными нейтронами

определяется изотопным составом, поскольку

(¹²C-D, ¹⁸O-D) и изотопами с нескомпенсиро-

для разных изотопов одного и того же химическо-

го элемента магнитные моменты ядер атомов мо-

ванным нейтроном (¹³C-D) [50]. При этом с те-

гут отличаться весьма значительно. Магнитный

чением времени наблюдается увеличение в

момент ядра атома связан с его спином гиромаг-

различиях начальной энергии и энергии перед

нитным отношением, поэтому магнитные мо-

туннелированием. Ограничение свободы в кова-

менты ядер атомов пропорциональны их спинам.

лентно-связанных резонансных парах атомов

(имеющих нескомпенсированный нейтрон) при-

4. Взаимодействие магнитных моментов ядер

водит к возрастанию внутренней атомной энер-

атомов, приводящее к изменению расстояния

гии, обеспечивающей разрыв связи без необходи-

между ними, учитывается нами в этой работе.

мости достижения энергии активации. Все это,

5. Эффект влияния размеров ядра на энергию

вероятно, объясняет наличие нейтронного эф-

валентного электрона. У разных изотопов одного

фекта как одного из механизмов реализации тун-

и того же химического элемента разное количе-

нельного эффекта при ферментативном катализе

ство нейтронов, т.е. разный размер ядра атома,

[10].

что приводит к искажению кулоновского потен-

циала ядер атомов и как следствие к изменению

На основании всего вышеизложенного можно

энергии электрона. Этот эффект также нами бу-

заключить, что фракционирование изотопов в

дет учитываться.

биологических системах является лишь предпо-

сылкой для возникновения изотопного резонан-

6. Еще одним эффектом, вызывающим изме-

са, который наблюдается только в том случае, ко-

нение расстояния между атомами, являются их

гда реализуется нейтронный эффект, связанный

тепловые колебания. Предполагаем, что колеба-

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ

1039

ния происходят вблизи положения равновесия по

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

гармоническому закону с частотой ω, определяе-

Настоящая работа не содержит описания ис-

мой параметрами потенциальной ямы, в которой

следований с использованием людей и животных

находятся атомы, т.е. в конечном счете парамет-

в качестве объектов.

рами межатомных взаимодействий. Следователь-

но, амплитуда тепловых колебаний атомов будет

зависеть только от их массы и температуры.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. E. J. Oerter and G. Bowen, Ecohydrology 10 (4), e1841

В заключение необходимо отметить, что ин-

(2017).

тенсивность проявления изотопных эффектов

2. S. P. Good, D. Noone, N. Kurita, et al., Geophys. Re-

может изменяться в зависимости от их концен-

search Lett. 42 (12), 5042 (2015).

трации. Так, при низких концентрациях потен-

3. W. D. Walter, C. M. Kurle, and J. B. Hopkins, Isotopes

циально резонансных изотопов (¹³С, ¹⁵N, ¹⁸О и

in Environmental and Health Studies 50 (3),

287

другие) преимущественно реализуются их термо-

(2014).

динамические и кинетические эффекты (что ха-

4. K. A. Hobson and A. L. Bond, Marine Ecol. Progr. Se-

ries 461, 233 (2012).

рактеризуется относительно невысокими разли-

чиями в скоростях фракционирования). Тогда

5. M. I. Bykov, S. S. Dzhimak, A. A. Basov, et al., Voprosy

Pitaniia 84 (4), 89 (2015).

как при высоких концентрациях этих же изото-

6. E. M. Galimov, Geochem. Int. 52 (13), 1190 (2014).

пов вероятность образования резонансных пар с

7. A. A. Ivlev, Yu. A. Knyazev, and M. F. Logachev,

дальнейшим возникновением изотопного ней-

Biofizika 41 (2), 508 (1996).

тронного эффекта, позволяющего дополнитель-

8. S. S. Dzhimak, А. А. Basov, А. А. Elkina, et al., Jundis-

но реализовывать туннелирование, приводит к

hapur J. Nat. Pharm. Prod. 13 (2), e69557 (2018). DOI:

появлению аномальных (или парадоксальных)

10.5812/jjnpp.69557

изотопных эффектов в одних и тех же биологиче-

9. V. I. Lobyshev and L. P. Kalinichenko, Isotopic Effects

ских реакциях. Кроме того, важно подчеркнуть,

of D₂O in Biological Systems (Nauka, Moscow, 1978).

что в живых системах реализация явления, назы-

10. A. L. Buchachenko, D. A. Kouznetsov, and N. N. Bre-

ваемого «изотопный шок», будет реализовывать-

slavskaya, Chem. Rev. 112 (4), 2042 (2012).

ся также путем формирования изотопного гради-

11. A. L. Buchachenko, D. A. Kuznetsov, N. N. Breslav-

ента, стимулирующего работу системы неспеци-

skaya, et al., Chem. Phys. Lett. 505, 130 (2011).

фической защиты, которая приводит к

12. V. K. Koltover, R. D. Labyntseva, S. O. Kosterin, et al.,

накоплению биологически активных протектив-

Biophysics 61 (2), 200 (2016).

ных факторов в организме. Все это вкупе с опи-

13. V. K. Koltover, L. V. Avdeeva, E. A. Kudryashova,

et al., Dokl. Biochem. Biophys. 442 (1), 12 (2012).

санными выше термодинамическими и кинети-

14. A. L. Buchachenko and E. M. Pliss, Rus. Chem. Rev.

ческими эффектами, а также туннелированием

85 (6), 557 (2016).

нейтронов является той движущей силой, кото-

15. M. S. Shchepinov, Rejuvenation Res. 10 (1), 47 (2007).

рая приводит к наблюдаемому в природе выра-

16. X. Li and M. P. Snyder, npj Aging and Mechanisms of

женному разнообразию изотопного состава в

Disease

2, e16004

(2016). DOI:

10.1038/np-

биологических объектах. Описанное разнообра-

jamd.2016.4

зие зависит не только от изотопного состава сре-

17. R. Darad and A. S. Aiyar, J. Biosci. 4 (2), 159 (1982).

ды, но и от функциональной активности самого

18. O. E. Kolesova and I. A. Pomytkin, Bul. Exp. Biol.

организма, а также особенностей взаимодействия

Med. 142 (5), 570 (2006).

различных изотопов между собой при фракцио-

19. A. A. Basov, A. A. Elkina, A. A. Samkov, et al., Iranian

нировании их на разных морфофункциональных

Biomed. J. 23 (2), 129 (2019). DOI: 10.29252/.23.2.129

уровнях в самом биообъекте.

20. N. V. Yaglova, D. A. Tsomartova, S. S. Obernikhin,

et al., Biol. Bul.

(1),

(2019). DOI:

10.1134/S1062359018060122

21. S. A. Shahmardanova, O. N. Gulevskaya, P. A. Galen-

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

ko-Yaroshevsky, et al., Res. Result: Pharmacol. and

Clin. Pharmacol. 2 (4), 95 (2016).

Работа выполнена при финансовой поддержке

22. L. G. Boros, D. P. D’Agostino, H. E. Katz, et al., Med.

за счет государственного задания ЮНЦ РАН

Hypotheses 87, 69 (2016).

(№АААА-А19-119040390083-6) и Российского

23. С. В. Козин, А. А. Кравцов, А. А. Елкина и др.,

фонда фундаментальных исследований, проект

Биофизика 64 (2), 362 (2019).

№19-44-230026.

24. A Zlatska, R. G. Vasyliev, I. M. Gordiienko, et al., Sci.

Rep. 10, 5217 (2020).

25. T. Halenova, I. Zlatskiy, A. Syroeshkin, et al., Mole-

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

cules

(1),

(2020). DOI:

10.3390/mole-

cules25010023

Автор заявляет об отсутствии конфликта инте-

26. U. G. Letuta and V. L. Berdinskiy, Bioelectromagnetics

ресов.

38 (8), 581 (2017).

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020

1040

ЕЛКИНА и др.

27. G. Somlyai, I. Somlyai, I. Fórizs, et al., Molecules 25,

39. E. Andriukonis and E. Gorokhova, Sci. Rep. 7, e44181

1376 (2020).

(2017). DOI: 10.1038/srep44181

28. M. S. Shchepinov, BioEssays 29, 1247 (2007). DOI:

40. F. V. Crotty, R. P. Blackshaw, and P. J. Murray, Rapid

10.1002/bies.20681

Comm. Mass Spectrom. 25, 1479 (2011).

41. C. A. Dennis, M. A. MacNeil, J. Y. Rosati, et al., Rapid

29. A. Basov, L. Fedulova, M. Baryshev, et al., Nutrients

Comm. Mass Spectrom.

24,

3515

(2010).

11 (8), 1903 (2019). DOI:10.3390/nu11081903

DOI:10.1002/rcm.4807.

30. A. A. Basov, S. V. Kozin, I. M. Bikov, et al., Biol. Bul.

42. A. L. Buchachenko and D. A. Kouznetsov, Biophysics

46 (6), 531 (2019). DOI: 10.1134/S1062359019060049

53 (3), 219 (2008).

31. A. M. L. Karlson, M. Reutgard, A. Garbaras, et al.,

43. Д. М. Шайлина, Докл. РАН 479 (5), 585 (2018).

Royal Soc. Open Sci. 5 (2), e171398 (2018).

44. У. Г. Летута и В. Л. Бердинский, Изв. РАН. Сер.

32. C. Ek, A. Garbaras, Z. Yu, et al., PLoS One 14 (5),

хим. (9), 1732 (2018).

e0211304, (2019).

45. Y. -B. Xin, Q. Hu, D. -H. Niu, et al., Acta Physica Si-

33. G. Somlyai, FEBS Lett. 317 (1,2), 1 (1993).

nica 66 (5), e056601 (2017).

34. A. A. Kravtsov, S. V. Kozin, E. R. Vasilevskaya, et al., J.

46. R. A. Zubarev, Genomics Proteomics Bioinformatics 9

Pharmacy and Nutrition Sci. 8 (2), 42 (2018).

(1-2), 15 (2011).

47. D. B. Northrop, Phil.Trans. Roy. Soc. B: Biol. Sci. 361

35. A. A. Samkov, S. S. Dzhimak, M. G. Barishev, et al.,

(1472), 1341 (2006).

Biophysics 60 (1), 107 (2015).

48. A. Basov, L. Fedulova, E. Vasilevskaya, et al., Mole-

36. L. Sobczyk, M. Obrzud, and A. Filarowski, Molecules

cules

(22),

4101

(2019). DOI: 10.3390/mole-

18 (4), 4467 (2013).

cules24224101

37. X. Xie, R. A. Zubarev, Sci. Rep. 5, 9215 (2015). DOI:

49. R. A. Uphaus, et al., Biochim. Biophys. Acta (141), 625

10.1038/srep09215

(1967).

38. O. B. Lysenko, Y. N. Demikhov, N. A. Skul’skii, et al.,

50. A. Sarsa, J. M. Alcaraz-Pelegrina, and C. Le Sech, J.

Rus. J. Phys. Chem. B 8 (6), 870 (2014).

Phys. Chem. B 119 (45), 14364 (2015).

Mechanisms of Interaction between Non-Radioactive Isotopes and Biological Objects

in the Presence of a Noncompensated Neutron in Chemical Bonds

A.A. Elkina*^, **, E.N. Tumaev**, A.A. Basov**^, ***, A.V. Moiseev****, V.V. Malyshko*^, ***,

E.V. Barisheva***, A.V. Churkina**, and S.S. Dzhimak* **

*Southern Scientific Center, Russian Academy of Sciences, prosp. Chekhova 41, Rostov-on-Don, 344006 Russia

**Kuban State University, Stavropolskaya ul. 149, Krasnodar, 350040 Russia

***Kuban State Medical University, ul. Sedina 4, Krasnodar, 350063 Russia

****Kuban State Agrarian University, ul. Kalinina 13, Krasnodar, 350004 Russia

Physical processes which may give rise to isotope fractionation leading to the accumulation of particular iso-

topic forms in inter- and intracellular space with their effect on the different levels of organism were explored.

A new hypothesis for heavy non-radioactive isotope fractionation in biological objects was discussed in terms

of neutron effect realization. It was found that "isotopic shock" most probably develops in living organisms

due to the presence of covalent bonds between atoms that contain noncompensated neuron. This phenome-

non can be explained by the change in physical properties in the events such as interaction of the magnetic

moments of valence electrons with the magnetic moments of the atomic nuclei; interaction of the magnetic

moments of the atomic nuclei, which leads to a change in the distance between atomic nuclei.

Keywords: isotope fractionation, isotope effect in the organism, neutron, isotopic resonance hypothesis

ВНИМАНИЮ ЧИТАТЕЛЕЙ

Замеченные опечатки

В вып. 3 тома 65 за 2020 год заголовок cтатьи В.А. Тронова и Е.И. Некрасовой следует читать как

«Повреждение ДНК и р53 ограничивают пролиферацию клеток Мюллера в сетчатке мышей в ответ

на действие метилнитрозомочевины».

БИОФИЗИКА том 65

№ 5

2020