¿Por qué el óxido de deuterio ralentiza el reloj biológico?

D2O, o ‘agua pesada’, tiene átomos de deuterio en lugar de átomos de hidrógeno regulares en una molécula de agua. Su núcleo lleva un neutrón adicional junto con el protón habitual de un átomo de hidrógeno. Si se pusiera en un sistema biológico, se producen algunos efectos curiosos. Como es un átomo más pesado, el deuterio reacciona más lentamente y tiene una energía de estado fundamental más baja en relación con su isótopo más ligero. También es bastante terco participar en procesos de mecánica cuántica, debido a su menor energía en relación con los átomos de hidrógeno (que fácilmente atraviesan las barreras). Muchas reacciones involucradas en la regulación de un reloj biológico o vías metabólicas en realidad se estancan mediante la adición de deuterio en lugar de hidrógeno ordinario. Las reacciones que requieren transferencia de protones o cualquier movimiento de un átomo de hidrógeno exhibirán efectos medibles por el uso de deuterio. Un átomo de deuterio es como una bola de boliche pesada en comparación con una pelota de baloncesto mucho más liviana de tamaño similar, y puede sentir fácilmente la diferencia entre mover físicamente cualquier bola. Una reacción que tiene que mover un átomo de hidrógeno se tensará al mover el átomo de deuterio más pesado, por lo que su constante de equilibrio será menor. Imagine la reacción mientras mueve la pelota de baloncesto y la bola de boliche de un lugar a otro. Deje que un lugar sea un donante de protones en una enzima, tal vez uno usado para producir moléculas u hormonas para los procesos del reloj biológico. El otro lugar sería el aceptador de protones, ayudando a aceptar el protón entrante. Debería sentirse más fácil llevar la pelota de baloncesto de un lugar a otro, en comparación con arrastrar la bola de boliche por el mismo camino. Este fenómeno se conoce como el efecto cinético del isótopo (KIE), y dice que las constantes de equilibrio (velocidad de reacción o la rapidez con que ocurre) para un isótopo están en proporción (una relación) con las de otro isótopo. El efecto es especialmente fuerte para las reacciones que involucran hidrógeno o protones, porque la diferencia entre deuterio e hidrógeno es casi dos en términos de sus masas. Otros isótopos pueden tener un efecto, pero sus diferencias son mucho menores en comparación con el KIE para D frente a H. No sufriría mucha dificultad con el ‘oxígeno pesado’ u O-18, en comparación con el O-16, porque el KIE para Estos isótopos son muy pequeños. Por lo tanto, un reloj biológico funcionaría más rápido en los átomos de hidrógeno normales, y los átomos de deuterio más pesados ​​lo ralentizarán significativamente.