Тяжелая вода оказалась сладкой

Биохимики подтвердили сладкий вкус тяжелой воды и обнаружили рецептор, ответственный за ее восприятие — им оказался TAS1R2/TAS1R3 — основной рецептор сладкого вкуса у человека (а мыши неспособны к ощущению сладости тяжелой воды). С помощью моделирования молекулярной динамики ученые выяснили, что при взаимодействии с тяжелой водой рецепторные белки становятся более жесткими и организованными. Препринт статьи опубликован на сайте bioRxiv.

Обновлено: в апреле 2021 года статья опубликована в Communications Biology.

Чистая вода сама по себе не имеет ни вкуса, ни запаха. Таких же характеристик ученые ожидали и от тяжелой воды — изотопного аналога воды, в котором вместо протия (самого распространенного изотопа водорода) находится дейтерий. Дейтерий, в отличие от протия, обладает нейтроном, что увеличивает его массу практически вдвое, из-за чего проявляются некоторые отличия от обычной воды: тяжелая вода на десять процентов плотнее, а ее температура плавления на 3,82 градуса выше, что связано с более прочными водородными связями. При этом pH тяжелой воды(или pD в данном случае) при 25 градусах Цельсия немного выше — 7,41. 

В живых организмах замещение значительного количества легкой воды на тяжелую приводит к нарушению метаболизма, однако в малых количествах она безвредна — в организме дейтерий уже присутствует: один атом дейтерия приходится на 6400 атомов протия. Тяжелая вода в смеси с тяжелокислородной водой (еще один изотоп воды с кислородом-18) используется в медицинских целях для мониторинга метаболизма по кинетике вымывания изотопов из организма.

Вопрос вкуса тяжелой воды поднимался с ее открытия в 1931 году — тогда ученые впервые оценили ее сладкий вкус. Однако в 1935 году вышла небольшая статья, в которой двое ученых, Гарольд Юри и Джоаккино Файлла, не смогли различить дистиллированную и чистую тяжелую воду, после чего вопрос считался закрытым. В 1975 году ученые вновь вернулись к изучению различий между тяжелой водой и обычной — не все испытуемые смогли различить между собой дейтерированную и обычную воду, однако в среднем по вкусу правильно выбирали в восьми случаях из десяти, по запаху же отличить воду совсем не получилось. 

За последние двадцать лет ученые установили основной вкусовой рецептор у человека для определения сладкого вкуса — это гетеродимер G-белка (TAS1R2/TAS1R3). Сладкий вкус, как и горький, определяется рецепторами посредством взаимодействия «ключ-замок», основным признаком сладкого является положение водородной связи в нужном месте, однако он обладает слабой специфичностью, а потому сладкими ощущаются совершенно разные химические вещества.

Натали Бен Абу (Natalie Ben Abu) и Филип Мэйсон (Philip E. Mason) из Еврейского университета Иерусалима и Института органической химии и биохимии Чешской академии наук подтвердили сладость тяжелой воды для людей и установили, что за это ответственны рецепторы TAS1R2/TAS1R3. Симуляция молекулярной динамики показала, что в тяжелой воде молекулы белка становятся более жесткими и компактными, однако специфический механизм все еще остается открытым.

Для установления отличий вкуса тяжелой воды ученые провели тестирование 28 человек, которым давали две пробы с обычной водой и одну с тяжелой, чтобы снизить вероятность случайного угадывания. Испытуемые выбирали лишнее в трех опытах: только на вкус, только на запах и по обоим критериям. В совместном определении правильно выбрали тяжелую воду 22 человека из 28, только на вкус — 14 из 26, на запах же — лишь 9 из 25. 

Далее испытуемые оценивали сладость по девятибальной шкале, где единица — отсутствие ощущений, а девять — исключительно высокое ощущение. Ученые провели серию опытов разбавления тяжелой и обычной водой распространенных подсластителей (глюкоза, сахароза и цикламат натрия), а также стандарты горького вкуса (хинин) и вкуса умами (глутамат натрия). При разбавлении обычной воды тяжелой водой сладость повышалась линейно от 1,5 до 3,5 по шкале, для подсластителей в общем случае дейтерированная вода повышала сладость на одну-две единицы сладости, для глутамата натрия отличия в ощущениях оказались незначительны, а для хинина тяжелая вода уменьшала ощущения горького, что хорошо соотносится с известным эффектом маскирования горького вкуса сладкими веществами.

Чтобы проверить, чувствуют ли грызуны сладость тяжелой воды, ученые проверили предпочтения мышей между тяжелой водой, раствором сахарозы и чистой водой. Они провели три параллельных эксперимента: мыши выбирали между тяжелой и обычной водой, мыши выбирали между сахарной водой и обычной водой, и контрольный опыт с чистой водой в обеих поилках. В каждом из экспериментов исследователи измеряли расход воды каждые 50 минут. В итоге оказалось, что различимой разницы между тяжелой водой и обычной мыши не ощущают, чего не скажешь о растворе сахарозы — мыши предпочитали сладкую воду, так что ее расход оказался в два раза больше обычной воды. Таким образом ученые подтвердили, что мыши не ощущают сладости тяжелой воды, а потому ответственный за это рецептор нужно искать в отличиях между рецепторами грызунов и человека.

Чтобы подтвердить преимущественную роль рецептора TAS1R2/TAS1R3 в сигнализировании о сладости тяжелой воды, ученые использовали лактизол, известный подавляющими сладкий вкус свойствами. Этот ингибитор специфично воздействует на TAS1R3 и понижает чувствительность рецептора. Исследователи предложили выбрать более сладкую тяжелую воду из двух вариантов — чистая тяжелая вода и тяжелая вода с добавленным лактизолом −18 человек из 25 указали на чистую тяжелую воду. В дополнительном эксперименте авторы работы сравнили сладость тяжелой воды с добавкой лактизола — для последнего сладость была на уровне обычный воды, в то время как для чистой воды введение лактизола практически не повлияло на сладость.

Исследователи проверили роль этого рецептора на клеточном уровне. Для этого они сравнили два типа клеток, полученных из эмбриональных почек человека: экспрессирующие TAS1R2/TAS1R3 и неэкспрессирующие его. В случае отсутствия экспрессии этого рецептора клетки не показывали отклика на тяжелую воду, тогда как во втором типе клеток тяжелая вода удваивала их отклик при десяти процентах и еще больше увеличивала при ста процентах. Отклик клеток изучался с помощью базального поглощения D-мио-инозитол-1-фосфата. Такое поведение клеток напрямую указывает на появление сладкого вкуса у тяжелой воды из-за рецептора TAS1R2/TAS1R3. С помощью молекулярных моделей ученые рассмотрели позиции связывания воды в структуре этого белка в трансмембранном домене (именно этот участок значительно отличается от мышиных рецепторов). Они обнаружили, что тяжелая вода делает молекулу белка более жесткой и в ее среде белок становится более компактным, что может быть одним из этапов рецепции сладкого вкуса тяжелой воды.

Ученые уже не первый раз изучают пищевые рецепторы на мышах. Пять лет назад американские нейрофизиологи манипулировали активностью первичной вкусовой коры в мозге мышей — и смогли включать или отключать ощущение сладкого или горького. Таким образом они заставили мышей пить «ложно-сладкую» воду с тем же усердием, как и настоящую сладкую воду.

Артем Моськин