Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

й), S (синтез ДНК), G2 (постсинтетический) и М (митотический) —наибольшую фоточувствительность микроорганизмы проявляют в постмитозном периоде. На фоточувствительность клеток оказывают влияние также их пищевой режим, характер окислительного обмена, фаза роста культуры, температурные и световые воздействия до и после облучения, обработка клеток химическими протекторами или сенсибилизаторами. Так, резистентность микроорганизмов повышается при культивировании их на глюкозо-пептонных средах или в аэробных условиях. Минимальная фоточувствительность наблюдается также у микроорганизмов при переходе от логарифмической к стационарной фазе роста. Эффективность бактерицидного действия УФ-света слабо зависит от температуры в момент облучения; Qio варьирует от 1,04 до 1,1 вплоть до температуры —35° С.

Чаще всего гибель диплоидных и полиплоидных организмов — многоударный, а гаплоидных — одноударный процесс. Например, по данным Ли и Хайнеса, для некоторых летальных эффектов закон Бунзена — Роско выполняется в пределах тысячекратных изменений интенсивности облучения.

Хотя квантовый выход бактерицидного действия ультрафиолетового света невелик (10~5—Ю-8), одноудар-ность процесса означает, что всего один-единственный «удачно» поглощенный квант приводит к гибели клетки. Уже из этого следует, что УФ-свет прежде всего повреждает не многократно продублированные биомолекулы, а уникальные молекулярные структуры, представленные в клетке в единственном экземпляре, как, например, молекулы ДНК. Естественно, что при локализации повреждения в ДНК облучение не должно сразу же приостанавливать метаболические процессы в клетках, и их гибель будет наблюдаться после одного или нескольких делений, когет № 260 260 А,ш *а после многократного матричного синтеза (и-РНК, Рис. 53. Спектр действия гибели белков) у дочерних клеток Е. Coli (1) и спектр поглощения проявится критический дефект генома. Действительно, в эксперименте зарегистрирована гибель клеток не только во втором, но и в последующих поколениях. В то же время облученные клетки сохраняют функцию хозяина — способность поддерживать размножение фагов и нормально дышать в течение нескольких часов.

Решающая роль ДНК в летальном эффекте УФ-лучей находит отражение в спектрах летального действия самых разнообразных одноклеточных биологических объектов (рис. 53). Как правило, в спектрах действия выявляется отчетливая полоса при 260—270 нм, иногда с дополнительным белковым максимумом при 280 нм. При этом очевидно, что кванты света, адресованные белку и ДНК, вызывают гибель клетки совсем по-разному. Действительно, облучение дрожжей светом с длиной волны

297 нм (белковое повреждение) приводит к гибели клеток только до почкования, в то время как при нуклеиновом повреждении (Л = 265 нм) проявляются все три типа поражения — до почкования, после первого и второго деления.

Какие же фотоповреждения ДНК в клетке приводят к ее гибели? Считается, что к летальным повреждениям клеток приводит образование пиримидиновых, прежде всего тиминовых димеров. Об этом свидетельствуют следующие факты: 1) увеличение фоточувствительности ряда микроорганизмов по мере увеличения в них содержания тимина; 2) обнаружение димеров в гидролизатах ДНК клеток, облученных ультрафиолетовым светом в дозах D37—D90, причем различные воздействия на клетку, увеличивающие или уменьшающие ее фоточувствительность, сопровождаются аналогичным изменением концентрации димеров тимина в клетке; 3) возможность снятия значительной части летального действия УФ-излу-чения видимым светом (фотореактивация), величина которого во многих случаях коррелирует с мономеризацией димеров; 4) способность ферментов темновой репарации,

вырезающих Т—Т-димеры из ДНК, уменьшать фоточувствительность клеток; параллелизм между фоторезистентностью и активностью различных репарирующих ферментов; резкое возрастание фоточувствительности у мутантов, дефектных по одному из репарирующих ферментов; параллелизм между выщеплением димеров, определяемых в ДНК-содержащей фракции клеток (кис-лоторастворимая фракция), и восстановлением биологической активности облученного объекта; 5) большая близость спектра действия инактивации трансформирующей активности ДНК в растворе к спектру поглощения тими-дина, чем самой ДНК, и параллелизм между величиной восстановления активности ДНК и степенью мономери-зации тимина пострадиационным коротковолновым облучением (230 нм); 6) резкое увеличение бактерицидной активности ультрафиолетового света после галогениза-ции пиримидиновых оснований ДНК, увеличивающей ее фоточувствительность.

Однако роль каждого из димеров, возникающих при ультрафиолетовом облучении, неодинакова. Например, по данным Сетлоу, клетка Е. coli Bs_i гибнет только после образования в ней 10 циклобутановых пиримидиновых димеров. Это означает, что 9 из 10 димеров неле-тальны для клеток.

Вклад других фотохимических повреждений ДНК, образующихся при расчете на один летальный удар в еще меньших количествах, невелик. Однако в отдельных случаях роль такого повреждения, как сшивки белок — ДНК, становится весьма весомой. Принимая в расчет сшивки, можно, например, понять, почему радиорезистентная линия бактерий М. radiodurans менее чувствительна к свету с длиной волны 260 нм, чем Е. coll, а при облучении светом с длиной волны 280 нм фоточувствительность этих микроорганизмов становится сопоставимой.

Образованием сшивок ДНК — белок можно объяснить и гибель животных клеток в культуре. По данным Але-ксандера и Моросона, выживаемость клеток лимфомы и HeLa хорошо коррелирует с уменьшением экстрагируе-мости ДНК, т. е. с количеством сшивок ДНК — белок. Косвенным свидетельством в пользу возникновения при УФ-облучении сшивок ДНК—белок является отсутствие строгого параллелизма между количеством димеров и выживаемостью животных клеток в культуре в условиях низкой активности системы темновой репарации.

В противоположность вегетативным формам споры микроорганизмов отличаются высокой резистентностью к ультрафиолету. Даже при фотопревращении 40% всех тиминовых остатков они сохраняют жизнеспособность. УФ-повреждения спор не фотореактивируются и связаны, как показал Варгезе, не с циклобутановыми димера-ми тимина, а с особым «споровым» фотопродуктом — 5-ти-минил-5,6-дигидротимином. Отмечается удовлетворительная корреляция между фоточувствительностью спор и количеством «спорового» продукта при изменениях температуры облучения и состава среды.

Образование в спорах этого аномального фотохимического продукта в первую очередь обусловлено особой конформацией ДНК, отличной от модели Уотсона — Крика. Как известно, для частично обезвоженной ДНК характерна конфигурация, при которой плоскости оснований параллельны друг другу и наклонены к оси спирали под углом 70°, что создает значительные препятствия для образования циклобутановых димеров. В обычных условиях (при относительной влажности более 80%) ДНК имеет В-конфигурацию, при которой плоскости оснований параллельны друг другу и перпендикулярны к оси спирали, и, следовательно, стерические условия для возникновения димеров оптимальны.

В заключение необходимо сделать некоторые замечания общего характера. Гибель клетки от фотохимического повреждения наступает вследствие: 1) летальных мутаций; 2) утраты хотя бы одной из молекул ДНК способности к репликации; 3) нарушения процесса транскрипции. Механизмы гибели клетки через белковые хромофоры изучены слабо. Можно предположить самые различные варианты: инактивацию ключевых ферментов, нарушение проницаемости мембран, сшивки белок— ДНК, летальный мутагенез продуктами белковой фотохимии и др. Вполне понятно, что удельный вес белковой фотохимии будет возрастать с увеличением размеров клетки, т. е. с увеличением оптической плотности белкового слоя, отделяющего ядро клетки от ее поверхности.

Отмеченные вариации фоточувствительности клеток в значительной степени определяются наличием и эффективностью различных как световых, так и темновых репарирующих систем, способных освобождать ДНК клетки от значительной части (до 98%) элементарных фотохимических повреждений. Последние механизмы будут рассмотрены ниже.

Рекомендуемая литература

Д у б р о в А. П. Генетические и физиологические эффекты действия УФ-радиации на высшие растения. М., 1968.

Завильгельский Г. Б., Ильяшенко Б. Н. Роль пирими-дииов в процессе инактивации бактериофагов УФ-излучением,— Вестн. АМН СССР, 1966, вып. 2, с. 43.

Завильгельский Г. Б., Парибок В. П. Молекулярные механизмы действия УФ-излучения на клетку.— В сб.: Ультрафиолетовое излучение, вып. 5. М., 1971, с. 5.

Самойлова К. А. Действие УФ-радиации иа клетку. Л., 1967.

Сойфер В. Н. Молекулярные механизмы мутагенеза. М., 1969.

J agger J. Introduction to research in UV-photobiology. New Jersey, 1967.

Kleczkowski A., Govier D. Action spectrum for inactivetion of the infectivity of potato virus by UV-radiation.— Photochem. and Photobiol., 1969, 10, 53.

McLaren A., Shugar D. Photochemistry of proteins and nucleic acids. Oxford, 1964.

Sauerbier W., Haug A. An approach to the determination of the maximal contribution of Jhymine dimer to ultraviolet-inactivation of bacteriophage T4vx.— J. Molec. Biol., 1964, 10, 180.

Vargese A. Photochemistry of thymidine as a thin solid film.— Photochem. and Photobiol., (1971, 13, 357.

Глава XVI. ИНГИБИРОВАНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИНТЕЗОВ

Одной из непосредственных причин гибели клеток при их облучении ультрафиолетовым светом является инактивация биосинтетического аппарата, ответственного за синтез жизненно важных макромолекул: ДНК, РНК и белков.

Основные данные по ингибированию макромолекулярных синтезов получены на микроорганизмах. Сходные закономерности обнаруживаются также у простейших, животных клеток в культуре и клеток кожи in vivo.

Спектры действия подавления синтеза ДНК, РНК и белка, включая индукцию ферментов, у микробов носят в основном нуклеиновый характер (рис. 54). Однако некоторые данные указывают на активное участие в этом процессе не только нуклеиновых кислот, но и белка. Например, в спектрах действия подав

страница 51
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.11.2019)