Деструктивное действие на биологические системы оказывает ультрафиолетовые лучи - излучение с l ниже 400 нм. УФ- излучение на поверхности Земли представляет коротковолновую часть спектра солнечного света и является важным природным фактором в эволюционном процессе. Поглощение квантов ультрафиолетового излучения приводит к ионизации атомов и молекул. Ультрафиолетовое излучение Солнца условно можно разделит на три области: динноволновая (УФ А с l = 320 –400 нм), средневолновая (УФ В с l = 280-320 нм), коротковолновая (УФ С с l = 200-280 нм). Озоновый слой атмосферы полностью поглощает средневолновую и коротковолновую часть ультрафиолетового солнечного излучения. Покровные ткани животных и растений поглощают около 100% попавших на них УФ-лучей. Соответственно, биологическое действие ультрафиолета в естесственных усоловиях обуславливается теми клетками и тканями, которые не защищены от их действия. Например, организмы обитающие в толще воды, не испытывают действие УФ- лучей.
Вредное воздействие ультрафиолета заключается в повреждении биологически важных молекул, в первую очередь молекул белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот в составе липидов. В области с l = 200-400 нм высоким коэффициентом поглощения характеризуются соединения с сопряженными двойными связями и кольцевыми структурам. В частности, в молекулах нуклеиновых кислот в этой области поглощают пуриновые и пиримидиновые основания (lmax = 260 нм), в молекулах белков – ароматические аминокислоты (lmax = 280 нм), в липидах - двойные связи остатков жирных кислот (lmax = 200 нм),
Действие ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы, на культуральные клетки животных и растений индуцирует разнообразные мутации и может привести к гибели клеток. У многоклеточных организмов при действии УФ-лучей появляются разнообразные изменения в структуре и метаболизме клеток, тканей, органов. В частности, УФ-облучение снижает содержание липидов в мембранах, тормозит рост клеток, вызывает различные болезни, например, солнечный ожог (хлороз) растений. Действие малых доз ультрафиолета на человека приводит к накоплению пигмента меланина и активации синтеза витаминов группы D. Эти реакции являются защитной реакцией организма на облучение. Высокие дозы ультрафиолетового облучения могут привести к возникновению раковых заболеваний кожи. Фотоканцерогенез кожи представляет кумулятивный процесс и проявляется при длительном хроническом облучении. Интенсивность воздействия ультрафиолетового излучения на живые организмы на Земле, в т.ч. и на человека, в последние годы сильно возросла. Это связано с нарушением озонового слоя вследствие техногенного загрязнения атмосферы. Подсчитано, что уменьшение способности озонового слоя поглощать УФ-лучи на 1% повышает частоту заболеваемости жителей Земли раком кожи на 2 %.
Повреждение молекул нуклеиновых кислот, белков, липидов,
вызываемые УФ-светом. Основные фотохимические реакции в клетках.
Как отмечалось, действие ультрафиолета на организмы приводит к возникновению мутаций и гибели клеток. Проявление деструктивных фотобиологических эффектов у живых организмов наблюдается при длинах волн 200 –280 нм, где интенсивно поглощают энергию света молекулы нуклеиновых кислот и белков.
Нуклеиновые кислоты. Основными светопоглощающими группировками (хромофорами) в молекулах НК являются азотистые основания, в первую очередь, пиримидиновые основания. Поглощение энергии света приводит к возбуждению этих молекул, т.е. образованию электронно-возбужденных синглетных и триплетных состояний. Возбужденные молекулы способны вступать в фотохимические реакции. Рассмотрим наиболее важные фотохимические реакции пирмидиновых оснований, происходящие в живом организме: реакции димеризации, гидраьации, связывания основания с молекулой белка.
При фотодимеризации происходит связывание двух одинаковых оснований, например, тимина, по 5,6 двойной углеродной связи. Подсчитано, что димеры пиримидиновых оснований составляют около 70 % летальных повреждений, индуцируемых УФ- светом у микроорганизмов. Реакция димеризации в живых клетках является фотообратимой.
Написать реакцию
Вторая важная фотохимическая реакция при облучении ультрафиолетом нуклеиновых кислот – фотогидратация пиримидиновых оснований. В этой реакции молекула воды присоединяется к возбужденному пиримидиновому кольцу с разрывом С5 – С6 двойной связи.
Написать реакцию
В отличие от реакции димеризации, эта реакция в клетках не фотообратимая. Гидраты пиримидинов разрушаются при температуре выше 30 °С, при повышении ионной силы, изменении кислотности раствора. Реакции фотогидратации имеют место в основном, в одноцепочечных молекулах НК. Поэтому гидраты пиримидинов могут вносить мутагенный или летальный эффект лишь у клеток с активными процессами репликации и транскрипции, в ходе которых появляются одноцепочечные молекулы ДНК.
Третий тип фотохимических реакций пиримидиновых оснований – сшивки с белковыми молекулами. Фотовозбужденными молекулами в этих реакциях могут быть как молекула НК, так и белка. В процессе реакции происходит прикрепление аминокислотного остатка через SH- или OH – группу к С5, С6 атому цитозина или тимина.
Написать реакцию
Продукты реакции устойчивы к действию света.
Вышеуказанные типы фотохимических реакций в организмах приводят к повреждению молекул ДНК, РНК, белков и в конечном счете к нарушению генетического кода, нарушению процессов деления клеток, к гибели клеток.
Белки. Повреждение молекул белков обуславливается фотопревращениями в остатках ароматических аминокислот - триптофана, тирозин и фенилаланина. Как известно, эти молекулы, вследствие наличия в структуре p-связей, интенсивно поглощают ультрафиолет (lmax = 280 нм). Возбужденные молекулы аминокислот диссоцируют с образованием нейтральных радикалов и сольватированного электрона. Эти электроны обладают высокой реакционной способностью и способны окислять различные соединения, в т.ч. и белковые молекулы, что сопровождается нарушением структуры молекулы. Так, в результате окисления белковой молекулы происходит разрыв дисульфидных связей. Даже незначительные изменения в первичной структуре приводят к нарушению нативной конформации и соответственно, к потере функциональной активности белковой молекулы. Так, фотоинактивация большинства ферментов обусловлена изменениями структуры триптофана, цистина, тирозина.
Липиды. Молекулы липидов интенсивно поглощают коротковолновый ультрафиолет. Максимумы поглощения ненасыщенных жирных кислот находятся около 200 нм. Основной фотохимической реакцией при облучении ультрафиолетом является окисление молекул липидов. Первичным продуктом реакции окисления является гидроперекиси жирных кислот. Квантовый выход этой реакции может быть очень высоким, т.к. ультрафиолет индуцирует цепную реакцию окисления липидов. Поглощение квантов молекулами жирных кислот сопровождается образованием высокореакционных свободных радикалов.
RH + hn ® R· + H+
Свободный радикал взаимодействует с кислородом, превращается в перикисный радикал.
R + O2 ® RO2·
Прекисный радикал окисляет следующую жирную кислоту с образованием свободных радикалов и перекиси водорода.
RO2· + RH ® 2 R· + H2O2
Таким образом, реакция перекисного окисления липидов будет идти до полного окисления всех молекул субстрата, находящихся в реакционной смеси. Остановка реакции произойдет только в случае инактивации свободных радикалов, например, при взаимодействии их с антиоксидантоми.