Действие ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты

Выяснение механизма действия ультрафиолетового излучения на белки и нуклеиновые кислоты имеет важное общебиологическое значение. С момента возникно­вения жизни на Земле доклеточные образования и од­ноклеточные организмы находились под сильным влия­нием ультрафиолетового излучения. Под постоянным воздействием ультрафиолетовых лучей находятся жи­вые организмы и в настоящее время. Ультрафиолетовое облучение, приводящее к гибели клеток, появлению мутаций или инактивации клеток, имеет важное практическое значение в медицине, генетике микроорганизмов и т. д. Представляет интерес и проблема стимулирую­щего действия ультрафиолетового излучения на био­логические и ферментативные процессы синтеза ве­ществ.

Спектр ультрафиолетового излучения Солнца разделяют на три области: 1) 180—275 нм — коротковолно-

90

 

вое излучение. Изменяет структуру белков и липоидов, оказывает бактерицидное действие; 2) 275—320 нм — средневолновое излучение. Оказывает антирахитиче­ское и пигментообразующее действие, усиливает обра­зование эпителия, стимулирует процессы регенерации в организмах; 3) 320—400 нм — длинноволновое излуче­ние. Оказывает слабое биологическое действие, вызыва­ет люминесценцию некоторых органических веществ.

Ультрафиолетовое излучение может вызвать такие фотобиологические реакции, которые приводят к деструкции белков и нуклеиновых кислот. Эти фотобиологические реакции вызывают и вторичные изменения, уже не связанные с непосредственным действием излу­чения. Первичные изменения состоят в нарушении структуры ДНК и в денатурации белков. Вторичные из­менения наступают вследствие того, что клеточные фер­менты расщепляют денатурированный белок. При этом накапливаются продукты распада. Продукты распада вызывают раздражение нервных окончаний, которое приводит к сложным рефлекторным реакциям.

Каков же механизм действия ультрафиолетового излучения на белки? При действии излучения на раство­ры белков наблюдается помутнение раствора, измене­ние вязкости, изменение скорости оседания в центрифу­ге, изменение оптического вращения. Короче говоря, появляются все признаки денатурации белка. При денатурации белков, как известно, их ферментативные свой­ства нарушаются и исчезают. Если облучать биологиче­ски активные белки или полипептиды: ферменты, анти­тела, гормоны, антибиотики, то уже через несколько минут облучения биологическая активность этих ве­ществ резко падает.

Механизм действия ультрафиолетового излучения на белки был раскрыт в основном в работах Ю. А. Владимирова. Поглощение света белками в области 260 — 280 нм обусловлено ароматическими аминокислотами: тирозином и триптофаном. Эти аминокислоты поглоща­ют ультрафиолетовое излучение и разрушаются. Разру­шение данных аминокислот приводит к денатурации белков и к инактивации их ферментативной активности. Весь процесс протекает в несколько стадий.

1. Активная стадия — поглощение света и возбуждение молекулы аминокислоты АН:

91

 

Этот процесс обратим, т. е. возбужденная молекула мо­жет люминесцировать и снова переходить в невозбуж­денное состояние:

 

где, согласно закону Стокса, v ₁ > v ₂.

2. Стадия фотоионизации — возбужденная молекула
является неустойчивой и распадается на электрон и ион-
радикал:

 

Электрон захватывается другими молекулами, в основ­ном воды, и сольватируется. Ион-радикал является неустойчивым соединением и распадается на свободный радикал и ядро атома водорода (протон):

Все эти процессы протекают очень быстро и исследу­ются с помощью метода импульсной спектрофотометрии при низких температурах.

3. Стадия реакция образовавшихся радикалов и
сольватированного электрона. Данная стадия может

иметь несколько направлений:

а) Образовавшийся радикал аминокислоты А взаимодействует с соседними звеньями пептидной цепи бел­ковой молекулы. Это вызывает изменение конфигурации белковой молекулы. Так как радикалы в химическом отношении очень активны, то образовавшаяся связь бывает прочной, и нарушенная конфигурация белковой молекулы закрепляется. Нарушение конфигурации молекулы (изменение третичной и вторичной структуры) уже на этом этапе приводит к инактивации ферментативных свойств, особенно в связи с тем, что ароматические аминокислоты часто входят в состав активных центров ферментов.

б) Свободный радикал аминокислоты может взаимодействовать с кислородом и образовывать перекисный радикал аминокислоты:

 

в) Сольватированный электрон является исключительно сильным восстановителем. Ион водорода — протон — также в химическом отношении очень активен.

92

 

Они взаимодействуют с аминокислотными остатками белковой молекулы. При этом образуются аммиак и радикалы аминокислот:

 

В результате этого процесса происходит разрушение звеньев белковой молекулы.

4. Стадия образования устойчивых продуктов окисления. Все образовавшиеся радикалы аминокислот вза­имодействуют с различными веществами. Через цикл реакций, которые пока еще слабо изучены, образуют­ся устойчивые продукты окисления. Эти образовавшие­ся продукты обладают токсическими свойствами. Они взаимодействуют с молекулами белка и также нару­шают их структуру.

В ультрафиолетовой области спектра (260 нм) силь­но поглощают лучи только азотистые основания нуклеиновых кислот. По этой причине именно они подверга­ются фотохимическим превращениям при ультрафиоле­товом облучении. Наиболее важные реакции, идущие под действием ультрафиолетового излучения, это фото­химическое окисление, фотохимическое гидрирование (присоединение молекул воды к азотистым основаниям) и фотодимеризация. Фотодимеризация заключается в образовании устойчивой химической связи между дву­мя азотистыми основаниями под действием фотонов. При большой дозе ультрафиолетового облучения может происходить разрыв колец азотистых оснований.

Основное действие ультрафиолетовых лучей на нуклеиновую кислоту заключается в том, что последняя те­ряет биологическую активность, т. е. способность передавать заключенную в ней информацию. При этом основную роль в инактивации ДНК играют процессы димеризации тиминовых оснований. Процессы димеризации тиминовых оснований протекают раньше других фотохимических реакций. Когда еще не наблюдается за­метного накопления гидрированных и окисленных осно­ваний, инактивация ДНК уже происходит. Две молеку­лы тимина в двойной спирали ДНК никогда не распо­ложены рядом. Более того, в силу комплементарное™ нитей в ДНК они никогда не расположены точно на­против друг друга. Под воздействием ультрафиолето­вых лучей возникает местное расплетение нитей ДНК. Затем нити изгибаются таким образом, что тиминовые

93

 

 

основания сближаются. Между ними возникает стойкая химическая связь, которая как бы стягивает двой­ную нить ДНК и препятствует считыванию с нее ин­формации.

Ультрафиолетовое излучение оказывает сильное бактериостатическое и бактерицидное действие. При облучении ультрафиолетовыми лучами бактерий и вирусов происходит угнетение их активности, подавле­ние способности к размножению и гибель. Механизм действия ультрафиолетового излучения на бактерии и вирусы был выявлен при изучении спектров действия инактивации этих организмов. Под спектром действия понимают зависимость величины фотобиологического эффекта от длины волны излучения. Оказалось, что спектр действия инактивации при ультрафиолетовом облучении вирусов и бактерий совпадает со спектром поглощения нуклеиновых кислот (У. Винклер, 1962). Следовательно, основой бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей является повреждение и инактивация нуклеиновых кислот. Для бактерий, кроме того, определенное значение имеет и повреждение фермент­ных систем.

Другая картина была получена при исследовании влияния ультрафиолетовых лучей на клетки млекопитающих. Для них излучения с длиной волны 260 и 280 нм обладают почти одинаковой эффективностью. Это ука­зывает на то, что в клетках млекопитающих фотохимическое повреждение белков так же существенно, как и повреждение ДНК (И. П. Арман, 1971).

Бактерицидное действие ультрафиолетового излуче­ния широко используется в лечебных и профилактиче­ских целях, для облучения участков тела, содержащих инфекцию, для стерилизации различных предметов, веществ, продуктов питания и т. п.

Вредное влияние на организм человека оказывают лишь большие дозы облучения коротковолновыми лу­чами. Умеренные дозы ультрафиолетового облучения повышают общую и иммунную реактивность организма, что позволяет применять ультрафиолетовые лучи с ле­чебными и профилактическими целями. Особое значе­ние ультрафиолетовое облучение имеет в процессе образования витамина D из 7,8-дегидрохолестерина и эргостерина. Облучение кожи вызывает разрыв двойной связи в кольце, что приводит к проявлениюантирахи-

94

 

 

тических свойств этого витамина. Длительное пребывание в условиях, исключающих ультрафиолетовое об­лучение, приводит к подавлению синтеза витамина D и к развитию нарушений фосфорно-кальциевого обмена.