低氘水的生物学效应

科学认识氘

自然界中，氢有三个同位素:氢(H-质量数1)、氘(D-质量数2)和氚(T-质量数3)。氘为氢的无放射、稳定的同位素。几十年来已为人类所知的是，因氢和氘间的质量差，含氘分子和含氢分子在化学反应上存在差异。比如化学键连接的是氘而非氢，在化学反应期间，这个化学键断裂速度将会降低6~10倍。即使不是在断裂的位置，而是在分子中更远一点位置上的氢由氘替代，化学反应速度也会大大减慢。最初重水(D₂O)制造方法就是基于以上发现，即在水的电解过程中，H₂O的分解速度为D₂O分解速度的数倍。 

这些所谓的动态同位素效应使我们得以考察化学反应机制，而用氘替换氢的方式已被广泛用于化学研究中。磁共振试验清楚显示，氘的存在也对分子上的比较远的基团存在影响，在很大程度上影响着分子在化学反应中的表现。

氘和氢间的化学差异也在生物系统中得以体现。近几十年来，用高浓度重水对生物体进行研究后，表明在特定的生物系统中氘具有重要的影响。在这些试验中，一般认为，因重水浓度提高，烟草生长率也在很大程度上减慢。在菌类-曲霉菌观察到明显的效果，正如其名称所示，这为一种黑色菌类，在重水媒介中转变为雪花白，意味着该菌类不能产生黑色素。服用重水会使动物整体血细胞计数减弱，在服用35%浓度以上重水的极端情况下，动物(狗)会死亡。对老鼠进行的实验研究表明，在哺乳动物中，与低级生物不同，氢不能完全由氘替代。动物只能耐受约25%氘的体液，这可通过服用30%氘浓度的重水来达到这个浓度。

我们考虑到很大部分生命有机体是由水构成的，且重水在很多方面与普通水(H₂O)存在差异，因此重水对生命有机体的影响重大也就不足为奇了。重水熔点约为4℃，而其沸点大于1.5℃。其浓度和黏度分别比普通水大10%和25%。所有这些均支持普遍认可的观点，即：重水结构比普通水结构更“坚固”。部分氢存在于生命有机体中，氢原子与氧、硫和氮等结合，而在重水环境下，则氢会快速地被氘替代。因此，决定蛋白质稳定性的氢键变成氘键，但氘键比氢键更坚固。这反过来也解释了为何在重水中蛋白质暴露于变性和构象变化的环境下会更为稳定的现象。

研究初期主要采用的高浓度的重水进行试验。目前为止的结果表明：增加体内的氘浓度不会对机体产生明显的作用。

氘以多少浓度出现在自然界中？

如果150ppm的氘含量用mmol/L浓度表示，我们发现天然水中重水(D₂O)的含量是8.4mmol/L，氘在天然水中主要以HDO的形式出现，这就意味着HDO的浓度为16.8mmol/L。

考虑到成人身体60%由水组成，还考虑到除水以外的有机物也包含氘，因此我们认为人体内的氘浓度在12~14mmol/L之间(人体内的氘的定量比可通过下列数据证明:在体重为50kg的人的体内，大约有5kg的氢和1.5g的氘)。人类血液大约含有2mmol/L的钙、1mmol/L的镁和4mmol/L的钾。而人体血液中浓度较低的某些元素，如钙、镁、钾等对于生命功能来说却是不可缺少的，考虑以上数据，我们推断氘在生物系统中会起到重要的作用。

20年来人们都知道，在不同的生物体系中以及在它们中的某些分子内， D/H比可能和周围水中的D/H比相差很多，例如，植物通过C3还是C4途径从空气中固定二氧化碳，导致的氘浓度减少的范围可能不同，或在通过景天酸代谢(CAM)的植物中，在其循环过程中，会出现氘浓度的富集。这说明通过确定植物中的氘浓度，我们能知道植物属于以上哪个族。生化过程的改进和敏感特点也通过一个事实表现出来，这个事实就是在藻类中，在有光出现时，细胞能区分氢的两种同位素，而在黑暗中没有这种区分。

酵母的ATP酶也能区分氢的两种同位素，这一点十分重要。这种能力可以通过一个事实证明，即酶不能接受氘培养基，只接受氢的培养基。如果其他的生物体也能证明存在这样的选择性，就意味着在能量获得过程中，D/H比有可能在细胞中或细胞器中发生显著的变化。

我们相信在参与氢传输过程的蛋白质中，这种区分能力也会比较显现。很显然，在过去的几十年中氘的生物学作用已被深入地研究过，但是研究集中在氘浓度很高时的作用，而忽略了天然水中存在的较低氘含量情况。

我们研究方法的新颖性在于我们发现，天然水中一定氘含量的降低也会在不同的生物系统中引起反应。在使用不同浓度低氘水(超轻水)进行的试验中，我们发现自然出现的氘对调节细胞内部代谢有较大的影响。据此，我们可以推测细胞具有D-H转化的新陈代谢功能，从而调节细胞内的D/H比，并因此调节大量的其他过程。

生产氘含量低的水是依据普通水(H₂O)和重水(D₂O)的物理和化学性质之间的差别。生产低氘水时，我们利用一个事实，即由于挥发性的差异，在处于普通水的沸点时，气液平衡时蒸汽含有的氘比液相中含有的氘约少2.5%。通过精馏的方式，水中的氘含量可以被减少到理想的程度。

使用这种方法，我们可以生产出氘含量在25~110ppm之间的水。经常使用的其他方法是根据电解水过程中得到的氢气中的氘含量是水中氘含量的1/9~1/3。因此，获得的氢气氧化后生成低氘水。通过重复电解，可相对容易地获得任何氘含量，不过费用相对较高。

在对应含有一个氘原子的HDO分子中的O-D变动的红外线区域中，通过测量4μm波长时的吸收峰，确定低氘水(超轻水)的氘含量。校准后，使用已知氘含量的标准图和Foxboro Miran 1A CVF分光光度计，能确定氘含量，准确度在±3ppm之间。使用光谱技术，能达到更高的准确度。

注：本文内容摘自以下书籍，仅供读者查阅参考！ 

《癌症防治——低氘水的生物学效应》

>>主编：Gábor Somlyai

>>主译：李金峰