Editat de Samuel Epstein, California Institute of Technology, Pasadena, CA și aprobat la 11 mai 1999 (primit pentru revizuire 19 ianuarie 1999)

influența

Abstract

În ciuda interesului considerabil în utilizarea măsurătorilor raportului izotopului hidrogen stabil (δD) în cercetările ecologice, nu se știa până acum dacă hidrogenul derivat din apa potabilă, în plus față de cel derivat din dietă, a contribuit la hidrogenul neschimbabil din țesuturile animale. Am ridicat patru grupuri experimentale de prepeliță (Coturnix coturnix japonica) din trapă pe două diete izotopice distincte (medie inexcambiabile δD: −146 și −60 ‰, standardul standard al apei oceanice din Viena) și ape potabile (medie δD: −130 și +196 ‰, standardul standard al apei oceanice din Viena). Aici arătăm că atât hidrogenul alimentar, cât și cel de apă potabilă sunt încorporați în hidrogenul neschimbabil atât în ​​țesuturile active din punct de vedere metabolic (adică mușchi, ficat, sânge, grăsimi), cât și în țesuturile inactive (adică pene, unghii). Aproximativ 20% din hidrogen în țesuturile de prepeliță active din punct de vedere metabolic și 26-32% din pene și unghii au fost derivate din apă potabilă. Descoperirile noastre sugerează că interpretările de mediu ale valorilor δD din țesuturile animale moderne și fosile ar putea fi necesare pentru a explica diferențele izotopice potențial mari între apa potabilă și alimentele și necesită o bună înțelegere a ecologiei fiziologice a organismelor de studiu.

DeNiro și Epstein (9) au arătat mai întâi că expunerea la vapori de apă atmosferici de diferite valori δD a schimbat valoarea overallD globală a alimentelor de șoarece și a creierului și a țesutului hepatic al șoarecilor. Atomii de hidrogen sunt menținuți slab de oxigen și azot, astfel încât vaporii de apă din mediul înconjurător schimbă cu ușurință hidrogenul cu hidrogenul disponibil legat de oxigen sau azot în probe de material organic (12). Extinderea schimbului izotopic de hidrogen este dependentă de temperatură, dar s-a stabilit empiric că hidrogenul schimbabil poate reprezenta până la ~ 20% din hidrogenul total al materialelor organice deshidratate (7, 8). Doar porțiunea de hidrogen neînlocuibilă a unui țesut dezvăluie informații despre sursele dietetice de hidrogen, dar acest lucru ar putea fi la rândul său complicat prin încorporarea apei de hidrogen potabile în bazinul de hidrogen neînlocuibil al animalelor. Folosind prepelița japoneză crescută în captivitate (Coturnix coturnix japonica), am determinat contribuția relativă a apei potabile față de alimente la hidrogenul neschimbabil în țesuturile animale în condiții controlate și am stabilit dacă factorii de fracționare dietD unici ai țesutului dietetic pentru diferite tipuri de țesuturi ar putea fi aplicați în general în studii ecologice care implică animale.

METODE

Prepelițele japoneze recent eclozate au fost alocate aleatoriu fiecăruia dintre cele patru grupuri de tratament. Aceste grupuri au avut acces la unul din cele două loturi de diete izotopice distincte și la una din cele două surse de apă potabilă izotopică distinctă (Tabelul 1). Am folosit un singur lot omogenizat de starter comercial de curcan din Texas compus din 28% proteine, 4% carbohidrați și 3% grăsimi pentru dieta 1 și un singur lot omogenizat de starter comercial de curcan cultivat în Saskatchewan compus din 16% proteine, 6 % carbohidrați și 3% grăsimi pentru dieta 2. Ambele diete au fost formulate pentru a satisface cerințele nutriționale ale prepelițelor. Sursele de apă potabilă au fost două loturi de 10 litri de apă de la robinet (apă 1), dintre care unul a fost adăugat cu 300 μl de 99,9% D2O (apă 2). Valorile δD ale apei au fost măsurate (n = 24) pe tot parcursul experimentului.

Țesutul δD în prepeliță

Schimbabilitatea hidrogen-izotop pentru toate tipurile de țesut a fost cuantificată mai întâi utilizând o tehnică de echilibrare statică cu abur având o gamă largă de valori izotopice hidrogen (-135 până la + 525 ‰) la temperatură constantă (130 ± 0,1 ° C) timp de 2 ore și apoi măsurarea valorilor totale ale hidrogenului δD (ref. 16 și 17; Anexă). După echilibrarea în tuburile Vycor breakeal, toți vaporii de apă au fost îndepărtați criogenic. Probele au fost apoi sigilate sub vid și arse la 850 ° C în prezența oxidului cupric, urmată de separarea criogenică a CO2 de H2O. Apele de ardere au fost reduse la gaz H2 folosind zinc fierbinte, iar raporturile de 2 H/H au fost măsurate pe un spectrometru de masă cu raport de izotop cu intrare dublă Micromass Optima. Rezultatele izotopului hidrogen stabil sunt raportate în părți la o mie de abateri de la standardul standard de apă din ocean din Viena (VSMOW), cu o reproductibilitate a probei mai bună de ± 2,0 (. Toate rezultatele din Tabelul 1 au fost corectate pentru a ține cont de diferențele de schimbabilitate între tipurile de țesuturi.

REZULTATE SI DISCUTII

Valori δD inexcambiabile ale țesuturilor proteinice (A) (●, ficat; ▴, sânge; ▾, pană; ●, mușchi) și lipide (B), de la prepeliță crescută pe două diete izotopice distincte și surse de apă potabilă (vezi Tabelul 1 pentru valorile specifice ale dietei și apei δD).

Similar cu descoperirile lui Smith și Epstein (1), DeNiro și Epstein (9) și Estep și Hoering (10), lipidele au fost mai epuizate în deuteriu decât țesuturile proteice din toate grupurile de tratament (Tabelul 1, Fig. 1b). Deși atomii de hidrogen din lipide sunt legați de carbon și, prin urmare, nu sunt disponibili pentru schimb cu apă metabolică sau potabilă ambientală, valorile medii δD ale grăsimii abdominale s-au modificat cu 57 ‰ (dieta 1) și 62 ‰ (dieta 2) cu diferitele surse de apă potabilă. Astfel, apa potabilă a contribuit la compoziția hidrogenului atât a țesuturilor nonlipide, cât și a lipidelor din prepeliță. În ciuda diferențelor de conținut de proteine ​​între dieta 1 și dieta 2, influența apei asupra valorilor tissueD ale țesutului consumatorului a fost remarcabil de consistentă pentru ambele diete.

În plus față de mecanismele suspectate anterior că influențează valorile δD ale porțiunii schimbabile de hidrogen (9), măsurarea noastră a hidrogenului neschimbabil atât în ​​alimente, cât și în țesuturile metabolice active și inactive demonstrează în mod concludent că hidrogenul din apa potabilă este încorporat în siturile inexcambiabile din proteinele corpului în timpul sau înainte de sinteza proteinelor. Calea metabolică a hidrogenului responsabilă de acest proces este necunoscută, dar poate implica schimbul de hidrogen în apa de băut cu macromoleculele alimentare (în special proteinele și carbohidrații), atât în ​​stomac, cât și cu fluidele corpului înainte de sinteza proteinelor. Stomacii păsărilor sunt deosebit de acizi și acest lucru poate promova o descompunere enzimatică mai mare a moleculelor mai mari, oferind astfel un acces steric sporit la siturile de schimb H.

Interesant este că efectul apei potabile a fost cel mai pronunțat pentru pene și păr, ambele țesuturi keratinoase inactive din punct de vedere metabolic. Acest lucru sugerează mai multe oportunități pentru schimbul de hidrogen cu apa din corp în timpul sintezei keratinei sau precursorului de keratină, comparativ cu alte țesuturi ale corpului pe care le-am măsurat. Hidrogenul din carbohidrați poate, de asemenea, să facă schimb de hidrogen cu apă potabilă și, în cele din urmă, să fie fixat în legături C - H inexcambiabile în timpul conversiei din carbohidrați în lipide. Dovezile experimentale pentru un astfel de proces au fost indicate de Jungas (18), care a sintetizat acizi grași în apă tritiată și a găsit schimb de hidrogen între apă și precursorii carbohidraților în acizi grași. Incorporarea a 3 H din apa tritiată injectată în lipide a fost folosită pe scară largă ca metodă de măsurare a sintezei lipidice de novo (de exemplu, referințele 19-21). Dovezile din aceste studii arată că încorporarea elementelor de apă în lipide este legată de dieta și starea nutrițională a unui animal. Această relație susține în continuare sugestia că ecologia fiziologică a organismelor va fi importantă atunci când se interpretează raporturile δD în țesuturile animale.

Cercetătorii care folosesc tehnica apei dublu etichetate pentru studii metabolice (22) ar trebui să fie conștienți de faptul că valoarea δD a apei potabile influențează valorile tissueD ale țesuturilor, inclusiv cele din sânge, deoarece o presupunere a acestei tehnici este că apa etichetată injectată nu este încorporată în țesuturi (23). Perioada de timp a studiilor de apă dublu etichetate poate fi suficient de scurtă încât cantitatea de hidrogen derivat din apă încorporat în țesuturi are doar un efect neglijabil asupra rezultatelor; cu toate acestea, schimbul rapid cu apa poate avea loc în anumite etape ale sintezei acizilor grași (18).

Descoperirile noastre arată că aplicarea unor factori simpli de fracționare tissueD de dietă-țesut pentru diferite tipuri de țesuturi nu poate fi în general presupusă sau aplicată în studiile ecologice care vizează reconstituirea dietei sau climatului. Cu toate acestea, deși apa a contribuit la compoziția izotopică a hidrogenului tisular, influența sa a fost remarcabil de consistentă între tipurile de țesuturi și a fost în mare măsură independentă de dietă. Sunt necesare lucrări suplimentare care vizează modelarea relației empirice dintre valorile izotopice naturale pentru dietă, apă și țesuturi.

Mulțumiri

Asistența de laborator a fost asigurată de Brigitte Boldt-Leppin, Steve VanWilgenburg și Randy George. Mulțumim trei recenzori anonimi pentru comentariile lor valoroase cu privire la o versiune anterioară a acestei lucrări. Finanțarea a fost asigurată de Serviciul canadian pentru viața sălbatică și Institutul Național de Cercetare a Apelor din Environment Canada. Asistența financiară (L.A.) a fost, de asemenea, oferită de o bursă universitară a Universității din Saskatchewan.

Apendice

O proporție semnificativă, fe, din hidrogenul total din țesuturile organice poate fi supusă schimbului izotopic cu umiditatea ambientală. Acest proces implică un factor de fracționare izotopică dependentă de temperatură (α) între hidrogenul organic schimbabil și apa ambiantă (δDw) prin care valoarea izotopului stabil pentru țesut, δDt, poate fi exprimată ca: 1 și δDn reprezintă valoarea izotopică a celor inexcambiabile hidrogen (26). O serie de echilibrări izotopice izotopice cu abur produc o relație liniară între δDw și δDt, panta fiind o funcție a fe și factorul de fracționare a echilibrului α (16, 26). Din păcate, α nu poate fi ușor determinată pentru matricile organice complexe și, prin urmare, în calculele noastre de schimbabilitate, am permis ca acesta să fie cuprins între 1.060 și 1.100, tipic pentru multe organice complexe (ref. 16; A. Schimmelmann, comunicare personală).

O simplă procedură de echilibrare izotopică cu doi membri finali a fost utilizată pentru a calcula proporția de schimbabilitate pentru țesuturi pe baza valorilor tissueD ale țesutului echilibrate cu diferite ape. 2 unde indicii A și B se referă la ape de echilibrare larg separate (A. Schimmelmann, comunicare personală). Am folosit trei perechi de experimente de echilibrare statică pentru fiecare tip de țesut pentru a determina fe medie (de exemplu, −135 ‰ vs. + 525 (, + 312 ‰ vs. + 525 ‰, −135 ‰ vs. + 312 () și, corespunzând intervalului de valori considerat pentru α de mai sus, ɛx - w, factorul de fracționare izotopică de echilibru, exprimat în părți la mie, a fost permis să fie cuprins între 60 și 100. Acest lucru a furnizat o serie de estimări pentru fe care au fost în final mediatizate pentru utilizarea noastră în derivarea δDn. De exemplu, folosind această abordare experimentală și ecuația. 2, am obținut următoarele estimări de schimbabilitate: sânge liofilizat integral, 17,0 ± 0,5%; mușchi, 19,5 ± 0,4%; ficat, 18,6 ± 1,5%; lipide, 0%; pene, 18,6 ± 3,9%; și hrană de prepeliță, 20,7 ± 0,5%. Toate rezultatele din Tabelul 1 sunt raportate ca δDn din Ec. 1.

Note de subsol

↵ † Cui trebuie adresate cererile de reimprimare. e-mail: Keith.Hobsonec.gc.ca .

Această lucrare a fost trimisă direct (pista II) la biroul de proceduri.