Молекулярные основы биологического действия УФ-излучения



УФ-излучение, взаимодействуя с веществом, в том числе и органическим, часто вызывает его ионизацию, так называемый фотоэлектрический эффект. Однако в механизме биологического действия он не играет большой роли. Главное значение в биологическом эффекте УФ-излучения имеет процесс возбуждения молекул. Поэтому УФ-радиацию и относят к неионизирующим излучениям. Длительность состояния электронного возбуждения составляет миллиардные доли секунды, и в дальнейшем энергия возбуждения целиком или частично переходит в тепловую энергию колебания и вращения атомов. Порция энергии, соответствующая разнице уровней основного и возбужденного состояния атома, отдается соседним атомам и молекулам малыми квантами дальнего инфракрасного излучения. Возбужденная молекула обладает запасом энергии, превышающим порог активации большинства химических реакций, в ходе которых эта энергия постепенно расходуется. Следовательно, именно фотохимический путь разрядки возбужденных электронных состояний играет решающую роль в механизме биологического действия УФ-излучения. Нуклеиновые кислоты и белки непосредственно поглощают кванты УФ-излучения с максимумами соответственно 260 нм и 280 нм. Фотосенсибилизаторы, такие как красители – эозин, акридин, флуоресцеин; каротиноиды, желчные пигменты, каменноугольная смола, деготь, канцерогенные вещества, хинин, соединения йода и т.д., поглощают свет в других участках спектра. Затем они передают эту энергию на молекулы биополимеров, вызывая их опосредованное поражение.

Молекулярные механизмы биологического действия УФ-излучения могут быть разделены на три основные группы: изменение структуры и функции ДНК, фотоинактивация белков и повреждение биомембран. Эти процессы лежат в основе всех фотопроцессов, развивающихся на уровне клетки и организма. Коротко рассмотрим каждый из них.

Решающее значение в биологическом действии УФ-излучения имеет его поглощение нуклеиновыми кислотами в области 240÷290 нм. Хроматофорами служат азотистые основания ДНК, особенно пиримидиновые, которые поглощают УФ-излучение в 10-20 раз интенсивнее, чем хроматофоры белковых молекул. Основной механизм реализуется за счет фотолиза двойной связи между пятым и шестым атомами в молекулах близкорасположенных пиримидиновых оснований, что в конечном итоге приводит к образованию пиримидиновых димеров в молекуле ДНК. Наиболее фоточувствительны из пиримидиновых оснований молекулы тимина, образующие соответствующие димеры. Наряду с димерами в структуре ДНК под влиянием УФ-излучения возникают и другие фотопродукты: фотогидраты пиримидинов, тиминовые гликоли, сшивки ДНК-белок. Наибольшее значение среди этих нарушений структуры ДНК и закодированной в ней генетической информации имеет образование циклобутановых димеров пиримидинов с замыканием ковалентных связей между основаниями, расположенными в одной цепи ДНК или в её комплиментарных цепях. УФ-излучение может также вызывать одно- и двунитевые разрывы в молекуле ДНК. Однако для этого требуются дозы облучения на 3-4 порядка выше, чем при образовании димеров. Поэтому считается, что в механизме биологического действия УФ-излучения в отличие от ионизирующей радиации, этот механизм серьезного значения не имеет. Сшивки ДНК-белок образуются между пиримидиновыми основаниями ДНК и сульфидными и/или гидроксильными группами аминокислот. Фотолиз двойной связи между пятым и шестым атомами в тимине и урациле приводит к образованию их сшивок с такими аминокислотами как цистин, лизин, аргинин.

В механизме фотоинактивации белков ведущая роль принадлежит белковым хроматофорам. Это остатки ароматических (триптофан, тирозин, фенилаланин), гетероциклических (гистидин) и серосодержащих (цистин) аминокислот. Триптофан поглощает УФ-излучение с максимумами при 220 нм и 280 нм, а флуоресцирует в зависимости от микроокружения в белках при 328–350 нм. Тирозин поглощает УФ-излучение при 222 нм и 275 нм, а флуоресцирует при 303 нм, фенилаланин – соответственно при 258 нм и 282 нм. Цистин монотонно поглощает излучение в области 200–300 нм и не флуоресцирует. Решающее значение в повреждающем воздействии УФ-излучения играет положение этих аминокислот. Деструкция аминокислотных остатков, входящих в активный центр белка или влияющих на их конформацию, будет в конечном итоге приводить к потере функциональной активности данного белка. Наиболее чувствительными в этом плане являются триптофан и цистин. Поглощенная остатками тирозина, фенилаланина, гистидина и цистина энергия света способна мигрировать к триптофану, вызывая его деструкцию. В молекуле цистина при поглощении кванта УФ-излучения дисульфидная связь восстанавливается до тиоловых групп цистеина. Разрыв дисульфидных мостиков нарушает конформацию и инактивирует белки.

Особого внимания заслуживает действие УФ-излучения на биологические мембраны. Фотоповреждения белков и фосфолипидов, входящих в их состав, взаимосвязаны и нередко усиливают друг друга. Фотоокисление липидов представляет собой двухэтапный, двуквантовый процесс. На первом этапе липиды под действием ультрафиолета окисляются по свободно радикальному механизму с образованием гидроперекисей. На второй стадии при поглощении второго кванта УФ-излучения перекиси расщепляются с образованием стабильных продуктов, и, прежде всего, альдегидов. Хроматофорами и инициаторами окисления служат порфирины и рибофлавин, а также остатки аминокислоты триптофана в составе мембранных белков, с которых поглощенная энергия передается на липиды. Присутствующие в мембранах жирорастворимые антиоксиданты, такие как токоферолы, ингибируют окисление, но сами при этом подвергаются фотодеструкции. Повреждение фосфолипидов биомембран будет усиливать инактивацию мембранных белков-ферментов, вызванную действием УФ-излучения, приводить к разобщению окисления и фосфорилирования и, следовательно, подавлять синтез АТФ, повышать проницаемость мембран для различных низкомолекулярных соединений, ионов и т.д.. Находящиеся в мембранах витамины, антиоксиданты и другие биологически активные вещества также окисляются под действием ультрафиолета и теряют свою активность.

Прежде чем перейти к рассмотрению механизмов биологического действия УФ-излучения на клеточном уровне, необходимо сказать несколько слов о деятельности внутриклеточных систем репарации, биологической ролью которых является устранение повреждений структуры ДНК, возникающих под влиянием разнообразных агентов. Именно деятельность этих систем ограничивает реализацию механизмов повреждения клетки под действием не только УФ-излучения, но и радиации и химических мутагенов. Однако, первый из открытых механизмов репарации – фотореактивация – полностью направлен против димеров пиримидинов – основных повреждений, индуцированных УФ-радиацией в ДНК. Фотореактивация, как и репарация в целом, это ферментативный процесс. Фермент ДНК – фотолиаза в темноте перемещается вдоль молекулы ДНК, отыскивает димер и фиксируется около него. При облучении сине-фиолетовым светом или действии ближнего УФ-света (310 ÷ 480 нм) фотолиаза использует энергию этого света и восстанавливает исходную структуру ДНК, мономеризуя димеры. Следовательно, фотореактивация – это безошибочно функционирующая высокоспецифичная система, устраняющая лишь один, но важнейший, фотопродукт – циклобутановые димеры пиримидинов. Поэтому ослабление любого биологического эффекта УФ-излучения при последующем освещении видимым светом рассматривается как доказательство участия в этом эффекте димеров как непосредственных продуктов воздействия УФ-излучения.

Другие системы репарации, имеющиеся в клетке, менее специфичны, чем фотореактация, не нуждаются в свете и, наряду с димерами, способны устранять и другие изменения структуры ДНК. Существование репаративных систем обеспечивает генетическую стабильность ДНК и представляет собой важнейший механизм относительной стабильности органических видов.

Возникновение при воздействии УФ-излучения молекулярных повреждений ДНК, не устраняемых или устраняемых не полностью репаративными системами клетки, также фотодеструкция белков и биологических мембран обуславливает развитие многочисленных биологических эффектов.

Первым мы рассмотрим летальный эффект, который оказывает УФ-излучение на вирусы, бактерии, грибки и простейших. Летальное действие ультрафиолета на фаги и вирусы показано во многих работах для вирусов гриппа, респираторных и кишечных вирусов, энтеровирусов и других и выражается в потере ими способности к внутриклеточному размножению.

В механизме летального эффекта главную роль играет образование пиримидиновых димеров в молекулах нуклеиновых кислот. Это подтверждается рядом данных. Во-первых, кривая спектральной зависимости летального эффекта совпадает с кривой поглощения УФ-излучения нуклеиновыми кислотами. Во-вторых, наблюдается прямая пропорциональная зависимость между количеством тиминовых остатков в ДНК и эффективностью летального действия. В-третьих, в составе ДНК облученных ультрафиолетом клеток, обнаружены димеры, количество которых возрастает с дозой радиации. В-четвертых, наблюдается эффект фотореактивации летального действия.

При снижении активности системы репарации бактерицидное действие возрастает. Образование димеров в ДНК ведет к гибели клетки вследствие:

  • возникновения летальной мутации,
  • потери хотя бы одной из молекул ДНК, способности к репликации за счет нерепарированных сшивок ДНК – ДНК или ДНК – белок,
  • нарушения процесса транскрипции.

Максимальной бактерицидной активностью обладает УФ-излучение с длиной волны от 254 нм до 265 нм, т.е. в области максимума поглощения нуклеиновыми кислотами. Однако и фотоинактивация белков, и недимерные повреждения ДНК вносят значительный вклад в механизм летального эффекта. Так, в спорах микроорганизмов, обладающих большой устойчивостью к УФ-излучению, димеры практически не образуются, т.к. молекулы частично обезвоженной ДНК упакованы в спорах особым образом, препятствующим замыканию циклобутановых связей димеров. Поэтому основным фотопродуктом в спорах считается нерепарируемое в ходе фотореактивации производное тимина – 5-тиминил-5,6-дигидротимин.

У простейших одноклеточных животных, таких как инфузории, амебы и другие, воздействие полного спектра УФ-излучения (200 ÷ 400 нм) вызывает изменение темпа деления клеток и их гибель. Однако в этом процессе наблюдается несколько фаз. Непосредственно после облучения скорость деления уменьшается, и часть клеток гибнет. Выжившие клетки повторно делятся, но потом частота митозов вновь падает, и часть клеток погибает. Лишь через 2-4 недели наступает окончательное выздоровление или гибель. В экспериментах удалось показать, что УФ-излучение области С, соответствующее максимуму поглощения нуклеиновыми кислотами, вызывает отсроченную гибель простейших, подверженную фотореактивации и, следовательно, обусловленную образованием димеров. Длинноволновое «экологическое» УФ-излучение вызывает только раннюю, до наступления первого митоза, гибель клеток или раннюю задержку их деления. Эти повреждения не устраняются системой фотореактивации и связаны, очевидно, с денатурацией и фотолизом мембранных и цитоплазматических белков, т.е. с изменениями паранекротического типа, индуцируемыми не только УФ-излучением, но и многими другими агентами.

Таким образом, в механизме биологического действия экологического УФ-излучения доминирует повреждение белков и мембран клетки, менее репарируемое, чем повреждение ДНК. В то же время, это излучение на 3 – 5 порядков менее эффективно, чем УФ-излучение в области 240 – 290 нм. В эффекте экологического УФ-излучения важная роль принадлежит фотолизу мембранных антиоксидантов – токоферолов. Это приводит к активации свободнорадикального окисления липидов и вторичному поражению белков и нуклеиновых кислот продуктами перекисного окисления. С другой стороны, эндогенные фотосенсибилизаторы (остатки триптофана) могут способствовать образованию сшивок ДНК – белок и других фотопродуктов. Экологическое УФ-излучение вносит большой вклад в бактерицидное действие естественной солнечной радиации. Доза этого излучения за летний день достаточна велика и на порядок превышает ЛД90 для самых устойчивых микроорганизмов.



Права на статью принадлежат ООО "Электронная Медицина".