Солнечный луч

Если облучить культуру бактерий или колонию инфузорий бактерицидным ультрафиолетом в дозе, вызывающей гибель практически всех клеток, то после выставления облученной колонии на рассеянный дневной свет выживает от 35 до 70, а иногда и до 90% пострадавших клеток. Такова мощь этого чудо-фермента! Детали его работы еще не вполне изучены. Сравнительно недавно американскому биохимику К. С. Руперту удалось выделить его из дрожжей. Он получен в чистом виде, но его структура и, в частности, устройство хромофора, улавливающего видимый свет, пока не установлены; известно, что максимум поглощения им света лежит у 2800 А. Вероятнее всего, фермент представляет собой флавопротеид. Восстановление поврежденной ультрафиолетом нуклеиновой кислоты совершается в два этапа. Сначала фермент, двигающийся вдоль двойной цепи ДНК, обнаруживает дефект — димер тимина и присоединяется к нему своим активным центром. Энергия видимого света, поглощенная хромофорной группой, используется для того, чтобы отделить фермент от отремонтированного участка ДНК, после чего можно заняться следующим димером. Производство фотореактивирующего фермента «запрограммировано» в генетическом аппарате клетки, где имеется специальный ген, обозначаемый латинскими буквами UVR. Потеря или отсутствие этого гена означает утрату способности к фотореактивации.

Почему же чудо-фермент не справляется со своей благородной задачей на 100%? Для этого есть несколько причин. Прежде всего ультрафиолетовые лучи вызывают появление не только димеров, но и других, не фотореактивируемых типов повреждений (окисление и разрушение отдельных оснований, разрывы цепи и т. п.). Во-вторых, для ремонта части димеров может не хватить времени — наступление митоза прерывает работу фермента.

Значит, полного восстановления и не может быть? Нет, такой вывод был бы преждевременным. Дело в том, что фотореактивация — не единственный механизм ремонта поврежденной ДНК. Эти повреждения могут возникать не только при воздействии ультрафиолетовых лучей. Ионизирующая радиация и различные химические вещества — мутагены способны вызвать разнообразные поломки, изменения, нарушения структуры ДНК. Димеры тимина — лишь один из возможных видов повреждений. Поскольку для ультрафиолета их образование имеет главное значение, постольку фотореактивация — специализированный механизм восстановления — направлена именно против димеров.

Но наряду с этим тонким механизмом в тканях животных (в том числе и лишенных фермента фотореактивации) существует более общий, всеобъемлющий механизм восстановления, Поскольку он не нуждается в свете для своей работы, его называют механизмом темновой репарации. В связи с необходимостью устранять разнообразные дефекты структуры ДНК этот механизм несравненно более сложен: он складывается из содружественной взаимосвязанной работы нескольких ферментов. В процессе темновой репарации димеры (и другие нарушения структуры ДНК) не расщепляются, а удаляются из ДНК. Процесс этот совершается в несколько этапов.

Сначала специальный фермент — он носит название эндонуклеазы — отыскивает поврежденный участок в одной из нитей ДНК и надрезает нить. Следующий фермент — вырезающая нуклеаза или экзонуклеаза — удаляет из молекулы ДНК не только поврежденное звено, например димер тимина. Как заправский хирург, фермент удаляет повреждение «с запасом», оперирует «в пределах здоровых тканей». В итоге его деятельности образуется дефект структуры ДНК, брешь в одной из нитей, достигающая более или менее значительных размеров.

Молекула ДНК не распадается в результате операции выщепления, потому что вторая, неповрежденная нить скрепляет ее. Но роль второй нити этим не ограничивается. Когда встает задача ремонта повреждения, заделки бреши, требуется не только строительный материал. Ведь ДНК — молекула особая: последовательность азотистых оснований в каждой нити ДНК имеет информационное значение, содержит в зашифрованном виде сведения о структуре того или иного клеточного белка. Восстановление будет полным лишь в том случае, если восстанавливается исходная последовательность мономеров ДНК. И вот тут-то неоценимую роль играет вторая, неповрежденная нить ДНК.

Две нити ДНК связаны водородными связями между азотистыми основаниями, причем каждое из оснований имеет только одного напарника. Существует всего две разновидности связей: аденин — тимин (А—Т) и гуанин — цитозин (Г—Ц). Если в одной из нитей все азотистые основания сохранились, при восстановлении дефекта каждое из этих оснований как бы «подбирает» себе пару из имеющихся деталей. Поэтому в ремонтируемом участке нити ДНК порядок азотистых оснований восстанавливается в своем исходном, первозданном виде. Процесс застройки бреши требует участия специального фермента. Ни наличие «стройматериалов» — деталей структуры ДНК, ни присутствие второй неповрежденной сети еще не гарантирует выполнения ремонтных работ. Активная роль принадлежит ферменту ДНК — полимеразе. Завершает процесс темнового восстановления четвертый фермент — лигаза, сшивающий отремонтированный участок ДНК с концами нити, уцелевшими после операции выщепления. В итоге сложного процесса повреждение нити ДНК устраняется, а структура нити восстанавливается полностью.

Темновая репарация и фотореактивация — два великолепных природных механизма, осуществляющих защиту наследственности живых организмов от повреждений, сохранение в целости и неизменности наследственной программы вида. При определенных условиях эти механизмы способны полностью устранить возникающие повреждения. Но хорошо ли это? Следует ли к этому стремиться? Условия на Земле и прежде всего взаимоотношения, взаимодействия между разнообразными живыми организмами в пределах биосферы постепенно изменяются, усложняются. Сохранить наследственную программу вида и неприкосновенности — не значит ли отстать?

Чтобы выжить, нужно приспособиться к условиям среды. Изменение условий существования требует постоянного изменения, совершенствования, развития наследственной основы, внесения в нее дополнений, поправок. Источник этих усовершенствований — мутации, из числа которых в процессе естественного отбора сохраняются и наследуются наиболее ценные, полезные в данных условиях. Следовательно, для прогресса организации живого необходима определенная степень неполноценности, несовершенства восстановительных механизмов.

С общебиологической, эволюционной точки зрения ультрафиолетовые лучи, обладающие мутагенными свойствами, выполняют (наряду с другими мутагенами) функцию поставщиков материала, сырья для естественного отбора, а ферменты фотореактивации и темнового восстановления — роль регуляторов этого процесса. „ Вот какие сложные, но надежные механизмы выработались у живых существ в процессе эволюции для устранения наиболее опасных и вредных последствий ультрафиолетового облучения.

Свет-защитник, свет-целитель

Итак, все живое на Земле вынуждено защищаться от ультрафиолетовых лучей. Фотореактивация оказалась наиболее эффективным механизмом защиты, что и обусловило закрепление его в наследственном аппарате.

Фотореактивирующий свет используется в организме не для предотвращения или ослабления вредного действия ультрафиолета: он расходуется на устранение уже возникшего повреждения. Следовательно, мы имеем дело не с защитой от действия вредного агента, а с устранением вызванных им нарушений, т. е. с лечением. Значит, к фотореактивирующему свету применим термин «луч-целитель» больше, чем «луч-защитник».

Под фотореактивацией ученые подразумевают совершенно определенное явление: ослабление вредного действия коротковолнового ультрафиолета с помощью видимого света и длинноволновых ультрафиолетовых лучей. А как же другие лучи? Не существует ли антагонизма между другими парами излучений? На неживых системах, например на фотопленках, установлена более общая закономерность: длинноволновое излучение ослабляет эффект предшествующего коротковолнового. Проявляется ли эта закономерность и на живых организмах?

Инфракрасные лучи, например, немного ослабляют эритемное действие длинноволнового ультрафиолета, но присутствие инфракрасных лучей в спектре солнечного излучения в известной мере дополняет действие на организм других его компонентов, обеспечивая главным образом тепловое, согревающее действие солнечного света. Лучи, возникающие в процессе радиоактивного распада атомов (гамма-лучи) или в специальных вакуумных трубках в результате удара о препятствие потока электронов (лучи Рентгена), имеют еще меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые лучи. Следовательно, их кванты несут громадную энергию. В нашу задачу не входит описание всех разрушений, которые производит в животном организме мощный поток рентгеновских или гамма-лучей. Действие их вызывает острую лучевую болезнь — бич атомного века. Борьба с лучевой опасностью — одна из важнейших задач, стоящих перед современной наукой.