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».
Источник
Биологическое действие ультрафиолетового излучения
Излучение солнца имеет электромагнитную колебательную природу и носит непрерывный характер. Этот спектр излучений можно разделить на несколько областей:
- рентгеновское излучение – ниже 2 нм,
- УФ-излучение – от 2 нм до 400 нм,
- видимый участок спектра – от 400 нм до 750 нм,
- инфракрасное излучение – выше 750 нм.
Биологическая роль каждого вида излучений имеет свои характерные особенности. В нашем обзоре мы остановимся на рассмотрении роли и механизмов биологического действия УФ-излучения, которое имеет лишь часть ультрафиолетового электромагнитного спектра в области 180 ÷ 400 нм. Энергия квантов этого излучения (70–140 ккал/моль) превосходит энергию активации большинства химических реакций. Поэтому УФ-радиация является весьма фотохимически активной частью спектра. Ультрафиолетовое излучение в области 2 ÷ 180 нм интенсивно поглощается кислородом воздуха. Поэтому оно реально существует лишь в космическом пространстве или в специальных лабораторных условиях. Рассматриваемый нами спектр УФ-излучений, имеющих биологическое значение, подразделяется на три диапазона по своей проникающей способности и фотохимической активности:
- область А (320÷400 нм),
- область В (275÷320 нм),
- область С (180÷275 нм).
В настоящее время в фотобиологии принято также выделять так называемый экологический диапазон (295÷400 нм) и УФ-излучение искусственных источников (короче 295 нм). В атмосфере Земли коротковолновое излучение Солнца, рентгеновское, и короткий ультрафиолет, взаимодействуя с молекулярным кислородом, приводят к образованию озонового слоя на высоте от 20 до 30 км. Озон поглощает все виды излучений с длиной волны короче 295 нм и экранирует поверхность Земли и нижележащие слои атмосферы от нежелательных воздействий этих излучений.
С другой стороны, экологическое УФ-излучение является постоянно действующим фактором внешней среды, оказывающим мощное воздействие на многие физиологические процессы, протекающие в организме. Также оно сыграло важную роль в эволюционных процессах, протекавших на Земле.
Прежде всего, УФ-излучение, наряду с космическими лучами и радиоактивными элементами земной коры, с электрическими разрядами в атмосфере, извержениями вулканов и ударами метеоритов, было важнейшим фактором, способствовавшим абиогенному синтезу органических соединений на Земле. Мутагенное действие УФ-излучения на простейшие формы жизни стимулировало ход биологической эволюции, способствовало увеличению разнообразия жизненных форм.
В ходе эволюции земные организмы приобрели способность использовать для своих нужд энергию различных частей солнечного спектра. Хорошо известна роль видимой части солнечного света – фотосинтез, зрение, инфракрасной – тепло. Оказалось, что используются и ультрафиолетовые компоненты солнечного диапазона и, в частности, при фотохимическом синтезе витамина D, важнейшего регулятора обмена кальция и фосфора в организме. Предшественники витамина D, такие как 7,8-дегидрохолестерин, эргостерин и другие, поступающие в организм с пищей, выносятся на поверхность кожи в составе секрета сальных желез – кожной смазки. Кванты УФ-излучения в ходе инсоляции взаимодействуют с молекулами провитамина D. Полученный в результате фотохимического преобразования витамин D всасывается обратно в кровь. Эта реакция используется в промышленности для получения витамина D из провитаминов и при обогащении им природных источников (китового жира и др.).
Дефицит витамина D в организме приводит к развитию рахита в детском возрасте и остеомаляции (уменьшению содержания кальция в костной ткани) во взрослом организме. Характерными симптомами нарушения минерального обмена являются повышенная утомляемость, головные боли, повышение заболеваемости простудными и другими воспалительными заболеваниями. Наиболее физиологический метод профилактики и лечения этих состояний – инсоляция, а также освещение эритемными лампами совместно с приемом препаратов – витамина D или богатых им продуктов. В то же время дефицит УФ-облучения, наблюдаемый у жителей крайнего Севера, зимовщиков и, периодически (в зимне-весенний период), у всех жителей умеренного географического пояса, в крупных городах с пониженной прозрачностью атмосферы для УФ-излучения, проявляется не только в нарушениях минерального обмена и не устраняются полностью только назначением витамина D.
Этот синдром светового голодания означает, что физиологическая роль УФ-излучения не ограничивается синтезом витамина D. Так, умеренное облучение кожи человека в дозах порядка 0,1-1,5 пороговых эритемных доз оказывает на весь организм неспецифическое стимулирующее действие. Увеличивается продукция и активность клеточных и гуморальных факторов иммунитета, сопротивляемость простудным и другим заболеваниям, интоксикациям, ускоряется заживление ран и срастание переломов. В физиологических дозах УФ-радиация стимулирует функции кроветворной, иммунокомпетентной и эндокринной систем организма. Предварительное УФ-облучение повышает устойчивость к воздействию рентгеновских и гамма-лучей, т.е. радиорезистентность. На фоне иммунодепрессии, вызванной опухолевым процессом и лучевой терапией, стимулирующее действие профилактического курса УФ-облучения проявляется в сокращении сроков заживления лучевых дерматитов и язв на 40-50%. Клинические испытания на больных раком кожи и нижней губы подтвердили высокую эффективность метода. Наблюдалось смягчение тяжести лучевых изменений и ускорение ликвидации последствий на 3-4 недели и хороший косметический эффект.
В основе общестимулирующего действия УФ-излучения заложено несколько механизмов. Во-первых, это нормализация минерального обмена и повышение барьерных свойств тканей, т.к. кальций уплотняет клеточные и сосудисто-тканевые мембраны. Во-вторых, стимуляция иммунокомпетентной системы и всей физиологической системы соединительной ткани. В-третьих, повышение реактивности и трофики органов и систем органов. Очевидно, УФ-излучение в физиологических дозах вызывает такую степень неспецифического раздражения, которая необходима для оптимальной жизнедеятельности организма. Естественно, что стимулирующее действие УФ-излучения максимально проявляется на фоне его недостаточности и выражается в резком повышении работоспособности, устойчивости к разнообразным вредным агентам, в нормализации повышенной или аллергической реактивности, в десенсибилизирующем эффекте. Поэтому применение УФ-радиации показано не только для профилактики и лечения рахита и синдрома светового голодания, но и во всех многочисленных случаях, когда необходимы стимуляция и нормализация иммунореактивности, мобилизация защитных сил и систем регуляции обмена веществ и гомеостаза в организме. Знание и целенаправленное использование УФ-излучения как физиологического стимулятора жизненных функций и мощного природного средства закаливания, повышения сопротивляемости и оптимизации жизнедеятельности организма уже дают и способны дать еще больший профилактический и лечебный эффект.
Обобщив в первой части обзора положительную роль УФ-излучения в регуляции разнообразных процессов в организме, перейдем к рассмотрению вопросов, связанных с механизмами повреждающего действия ультрафиолета на различные молекулярные и клеточные структуры, бактерицидного, мутагенного и канцерогенного действия. Поэтому в начале коротко остановимся на молекулярных основах биологического действия УФ-излучения.
Права на статью принадлежат ООО «Электронная Медицина».
Источник