Лучевое повреждение биологически важных макромолекул и защита от лучевого поражения

 

Кинетический подход оказался весьма перспективным при изучении механизма повреждающего действия излучения на важные биологические макромолекулы – белки, липиды, ферменты, нуклеиновые кислоты. Большое внимание было уделено исследованиям изменения физико-химических свойств ДНК при действии ионизирующего излучения, ультрафиолетового света и др. Для изучения молекулярных механизмов повреждения нуклеиновых кислот использовались различные физические и химико-физические методы – инфракрасная спектроскопия, метод ЭПР в сочетании с методом спиновых меток, хемилюминесценция, электронная микроскопия и т.д.

Под действием на молекулы ДНК малых доз облучения обнаружены конформационные нарушения. При увеличении доз радиации появлялись одиночные и двойные разрывы молекул и различные химические изменения. При еще более высоких дозах длинные линейные молекулы превращались в короткие обрывки и клубки.

В соответствии с гипотезой о важной роли свободных радикальных процессов в функционировании клетки и в развитии различных патологических состояний было высказано предположение, что воздействие ионизирующей радиации приводит к образованию свободнорадикальных состояний химических компонентов клетки, которые могут вызвать биохимические процессы, не свойственны живому организму в норме.

Развитие свободнорадикальных реакций в организме должно приводить к уменьшению количества тканевых ингибиторов, что, в свою очередь нарушает способность организма к правильной регуляции биохимических процессов. Подобное нарушение может быть одной из причин возникновения сдвигов, свойственных лучевой болезни.

Образование свободных радикалов при облучении как самих молекул ДНК, так и соединений, моделирующих отдельные фрагменты макромолекулы, было доказано экспериментально с помощью метода ЭРП. Получены кинетические кривые накопления радикалов ДНК при облучении замороженных водных растворов, установлен сложный механизм образования и дальнейших превращений радикалов в ДНК. Изучение спектров электронного парамагнитного резонанса ДНК, углеводов и азотистых оснований позволило сделать вывод, что при облучении образуются свободные радикалы. Продукты окисления этих радикалов превращаются в гидроперекиси, которые могут распадаться с образованием новых радикалов, инициируя, таким образом, дальнейшее развитие нежелательных процессов повреждения. Процесс распада молекул гидроперекисей ДНК сопровождается свечением – хемилюминесценцией, которая обычно возникает в таких реакциях при рекомбинации радикалов. Из кинетического анализа следует, что интенсивность хемилюминесценции линейно зависит от концентрации гидроперекисей ДНК. Такая же зависимость наблюдается и на опыте.

В связи с активной ролью свободных радикалов ролью свободных радикалов в лучевом повреждении молекул ДНК было предложено в этом случае использовать в качестве защитных средств ингибиторы радикальных реакций. Наиболее эффективно радиопротекторами оказались произвольные галловой кислоты, 3-оксипиридна и фенилэтиламина. При добавлении этих соединений в раствор ДНК перед облучением эффект защиты достигает 80-90 %.

Установлены некоторые аспекты молекулярного механизма действия ингибиторов как радиопротекторов. При добавлении до облучения они могут взаимодействовать с первичными радикалами, возникающими при облучении, предотвращая развитие процесса повреждения. При введении после облучения они могут реагировать с радикалами, образующими при распаде вторичных продуктов, например гидроперекисей, и ингибировать дальнейшие реакции.

Ингибиторы-антиоксиданты оказались эффективными радиопротекторами и в опытах с животными (мышами). С их помощью удалось обеспечить выживаемость до 60% мышей, облучённых смертельными дозами. При этом, чем выше антирадикальная активность ингибитора, тем выше процент оставшихся в живых мышей.

Хотя эти результаты и были получены уже около двух десятилетий тому назад, возможности эффективности применения в радиобиологии ингибиторов радикальных процессов ещё далеко не исчерпаны.

ГЕРОНТОЛОГИЯ

 

Полвека назад сформировалась химическая физика – новая область естествознания, пограничная между физикой и химией. В этой области современная теоретическая и экспериментальная физика нашла огромное многообразие объектов исследования, а химия получила строгие физические основы для решения важнейших проблем строения и превращения веществ.

Примерно в этот же период физика начала активно проникать в биологию. Речь снова идет о современной физике, поскольку многие известные физики и в далеком прошлом неоднократно обращали свое внимание на биологические явления. Таким образом, этот период можно считать вторым рождением биофизики.

До сих пор научно не выявлены причины старения и нет ответа на вопрос, каковы первичные и существенные элементы старческой инволюции.

Мнения древних о причинах старения можно разделить на две группы. Согласно первой, причина старения лежит в постепенной потере чего-то, что необходимо для поддержания жизни. Это «что-то», по мнению одних авторов, представляет собой энергетический, материальный или психический фактор. По мнению других, старение – это накопление в избытке чего-то, что является вреднымдля организма (интоксикация организма извне или изнутри). Эти логически противоположные концепции и более или менее измененном виде сохранились до наших дней. Недавно их дополнили более сложными объяснениями. С исторической точки зрения, наибольшее значение имеет гипотеза, по которой старение – это результат постепенной потери специфической жизненной энергии.

Наиболее древнее и четкое научное объяснение причин старения содержится в сочинениях Аристотеля «О молодости и старости». Аристотель (384-322 гг. до н. э.) считал, что старение вызывается постепенным расходованием «прирожденного тепла», которым располагает каждое живое существо с начала его индивидуальной жизни. Центром этого тепла является сердце. Кровеносные сосуды разносят это тепло по телу и оживляют его члены и органы. Эта мысль не представляет собой чего-либо оригинального. Она сформулирована Аристотелем на основе высказываний предшествующих мыслителей. Тщательный анализ трудов Гиппократа (460-377 гг. до н. э.) показывает, что он также принимает гипотезу, объясняющую старение потерей «природного жара». Мнение Гиппократа и Аристотеля основано на правильных наблюдениях того, что выделение тепла в пожилом возрасте идет менее энергично, чем в молодости. Говоря современным языком, старость – это результат постепенного снижения обменных процессов.

Гален (129-199) идет несколько дальше. По его мнению, старение определяется потерей «природного жара», что находит выражение в уменьшении влажности тела. Он считает, что у старых людей уменьшается количество крови, в результате чего уходит основное топливо, поддерживающее огонь жизни. Эта мысль о значении соков тела господствовала в медицине до XVIII в.

М. Фарадей (1791-1867) в своей знаменитой лекции о химической природе свечи сравнивает жизнь с пламенем и старение организма с горением свечи.

XVIII век характеризуется приспособлением к новым научным воззрениям концепций древности и средних веков: создаются различные натурфилософские спекулятивные виталистические системы. Широкое распространение получает vis vitalis («жизненная сила»), якобы управляющая всеми проявлениями жизни. Согласно воззрениям виталистов, «жизненная сила» - наиболее нежный, чем свет или магнетизм, но весьма родственный с этими формами энергии. В сущности, эта гипотеза представляет собой упрощение гипотезы древности, в которой старинный термин «природный жар» был заменен «жизненной силой». В ХХ в. виталистические гипотезы старения как потери специфической «жизненной силы» были оставлены.

Виталистические гипотезы, связанные с тратой «природного запаса жизненной энергии», вызвали к жизни сходные попытки материалистов понять этиологию старения. Так, Отто Бючли (1848-1920) в 1882 г. писал, что старение – это результат израсходования какого-то жизненного фермента, признавая в то же время, что о химическом составе и свойствах этого фермента пока ничего не известно. Дальнейшее развитие этой идеи предпринял американский физиолог Леб (1859-1924). Он считал, что старение состоит в постепенной утрате определенных химических веществ, отпускаемых в некоторой дозе каждому индивидууму при зачатии. Эти вещества расходуются в процессе метаболизма, и их утрата не может быть предотвращена. Наследственная конституция может в значительной степени влиять на продолжительность жизни, но из этого отнюдь не вытекает, что долголетие зависит от количества какого-то вещества, содержащегося в организме. Точка зрения Леба слишком упрощает проблему.

Сторонники механистическо-материалистических теорий жизни, придерживаясь мысли о том, что организм представляет собой физико-химическую машину, по аналогии пришли к выводу, что старение представляет собой процесс изнашивания. Подобно машинам, изнашивающимся в процессе их использования, организм становится все более и более неспособным выполнять свои функции. Механистическая теория старения разделялась последователями школы иатрофизики в XVII В.(Борслли и Джуро Багливи). Расцвет механистической концепции старения падает на конец XIX в. Для сторонников этой теории достаточна аналогия в общей форме старением организма и изнашиванием машины, находящейся в постоянном действии.

С древних времен мозг считали одним из благороднейших органов. Алкмеон Кротонский в V в. н. э. писал, что мозг – это центр чувственного восприятия, местопребывание памяти и мышления. С древних времен и до XIX столетия время отмечалось, что старение в первую очередь обусловлено изменениями мозга. Это были разрозненные наблюдения, скорее намеки. В конце XIX и начале XX в. некоторые видные ученые (Мюльман, Мечников, Рибберт, Рессле, Черлетти, Фогт) приняли и развили эту идею. Они построили свою теорию на морфологических наблюдениях возрастных изменений нервных клеток и цитофизиологической теории, согласно которой нейроны являются наиболее реактивными из всех клеток, но почти нацело лишены способности к регенерации.

Мюльман подробно разъясняет концепцию, разделяемую многими современными геронтологами, согласно которой старость и естественная смерть обусловлены пигментной атрофией нервных клеток в результате накопления липофусцина («старческого пигмента»), вредного продукта обмена. Вся беда, однако, в том, как указал Альтшул, что липофусцин может быть не отбросом, но полезным веществом, участвующим в жизнедеятельности клеток. Возможно, накопление липофусцина происходит вследствие ослабления деятельности стареющих клеток, когда они теряют способность расходовать пигмент. Нельзя сказать с уверенностью, какой из этих процессов является первичным: накопление ли липофусцина или старение клеток. В дальнейшем в клетках коры головного мозга старых людей были найдены различные структурные изменения, например, уменьшение количества телец Ниссла в цитоплазме, увеличение базофилии ядер, амитозное (прямое) деление и т. п., но ни одно из этих изменений нельзя с достоверностью считать первичным процессом старения.

Русский физиолог И. П. Павлов (1849-1936) своими обширными исследованиями условных рефлексов дал возможность по-новому рассматривать старость как результат функциональных нарушений высшей нервной деятельности. Его теория старения была развита теоретически и экспериментально русскими учеными Л. А. Андреевым, Л. А. Орбели, В. К. Федоровым, С. А. Медведевым и другими. На международном конгрессе в Мерано в 1957 г. голландец Ж. Гроен доложил теорию, согласно которой наступает в результате снижения регуляторной функции промежуточного мозга.

Советский патофизиолог А. А. Богомолец (1881-1946) выдвинул гипотезу, совершенно противоречащую концепциям Рессле и большинства других современных ученых. Он стремится доказать, что причиной старения является ретикуло-эндотелиальная система, т. е. наиболее жизнеспособная мезенхимная ткань.

После сенсационной лекции, которую прочел Ш. Э. Броун-Секар (1818-1894), известный физиолог и невролог, в Парижском биологическом обществе в июне 1889 г., старость начали рассматривать как результат первичной инволюции и гормональной недостаточности половых желез. Броун-Секар, которому в то время было72 года, заявил, что, проведя опыты на животных, он в течение некоторого времени делал себе подкожные инъекции вытяжки из свежих семенников собак и кроликов,в итоге чего почувствовал себя помолодевшим как физически, так и умственно. Действительная ценность и значение наблюдений Броун-Секара,как и более поздних экспериментов, выполненных Е. Штейнахом, С.А. Вороновым и другими, будут обсуждаться в главе об омоложении. Именно эти эксперименты привели к гипотезе о первичной роли половых желез и их гормонов в этиологии старения. Для подтверждения этой гипотезы можно провести пример эстрального цикла самок, охватывающего три совершенно различных периода жизни. Старческая инволюция женского организма начинается сменопаузы и явно связана с понижением эндокринной активности яичников.  

Физико-химические гипотезы глубже проникают в сущность этих проблем. Многие неживые системы (например, коллоидные растворы, радиоактивные вещества и т. п.) подвержены «старению». Можно считать, что вселенная также стремится к равновесию энергетических потенциалов, становясь с каждым моментом «старее» и «мертвее». Попытки объяснить старение живых организмов некоторыми молекулярными процессами, т. е. путем отождествления биологического и физического старения, представляют определенный эвристический интерес и оправдываются тем, что живая протоплазма, с физико-химической точки зрения, является коллоидной системой. Рубнер (1854-1932) в 1908 г. указал на возможность рассматривать процесс старения как результат прогрессивной дегидратации тканевых коллоидов. Он «оживляет» старую концепцию Галена, но в более современной форме. Мы уже упоминали, что именно Рубнер внес ясность в понимание старения древними как процесса постепенного затухания обмена и уменьшения внутренней теплоты тела. Гален считал, что «природный жар» медленно улетучивается вместе с потерей влаги. Рубнер говорит, что ослабление процессов обмена – это результат дегидратации коллоидов. Сходство этих двух гипотез разительно. Но никто – ни сам Рубнер, ни геронтологи более позднего времени, ни историки физики – этого не заметили.       

Дальнейшая формулировка коллоидной теории старения сделана Г. Маринеско, О. Люмьером, В. Ружичкой и Ж. А. Медведевым. Так, Маринеско (1863-1938) изучал в 1919 г. способность белковых коллоидов самопроизвольно и непрерывно уменьшать степень своей дисперсности и, таким образом, дегидратироваться. По мнению, этот процесс является причиной старения живой протоплазмы. Люмьер показал бесспорную связь наступления зрелости коллоидов и старения протоплазмы. Он пытался также объяснить флоккуляцией коллоидов различные патологические изменения, например, анафилаксию, иммунитет, воспалительные процессы и т. д. Ружичка (1870-1934) предложил термин «гистерезис» для свойства коллоидов самопроизвольно становиться более устойчивыми, концентрированными, теряя при этом способность удерживать воду. Чтобы объяснить процессы старения, большое внимание уделялось физическим свойствам клеточных мембран.   Недавно Т. Б. Робертсон, Д. Рейхинштейн и другие по-новому объяснили физико-химические процессы старения живых молекул и клеточных систем. Все физико-химические гипотезы старения являются предметом острой критики. Так, они затрагивают оплодотворенные зародышевые клетки. Нет оснований проводить аналогию между старением живой протоплазмы и старение неживых коллоидных систем, так как живая материя непрерывно обновляется. Протоплазма является динамической системой по сравнению с неживыми коллоидными системами, которые по своей природе статичны. В живом организме каждая молекула существует лишь в течение определенного времени, а затем заменяется другой. Этот круговорот живой материи идет непрерывно. С неживыми коллоидными системами происходит совершенно другое: эти системы состоят из стабильных молекул, изменяется лишь их взаимосвязь. Неживые структуры «стареют» не так, как живые организмы; они не разрушают сами себя и не восстанавливают сами себя из новых составных частей. Поэтому весьма вероятно, что старение живой материи, хотя в некоторой степени и сходно со старением неживых структур, регулируется особыми законами. Недавние исследования, проведенные с помощью меченых атомов и радиоактивных меток, показали, что круговорот живого вещества происходит быстрее, чем до сих пор думали, и что скорость его в пожилом возрасте уменьшается. Следовательно, старение можно считать специфическим биологическим процессом, который является результатом недостаточного и всегда более медленного восстановления  не только макроскопических и микроскопических, но также и молекулярных структур.

Советский ученый А. В. Нагорный и его сотрудник (Буланкин, Никитин и др.) выдвинули комплексную химико-биологическую теорию старения. По мнению этих ученых, старение обусловлено внутриклеточной дифференциацией живой материи. Неустойчивые белки протоплазмы не регенерируются полностью, но постепенно вырабатывают более устойчивое, но менее жизнедеятельное состояние. В процессе старения увеличивается соотношение между метаплазматическими и активными протоплазматическими структурами. Теория Нагорного недавно подверглась критике со стороны Медведева, который доказывает, что старение является результатом некоторых специфических биологических процессов инактивации обмена, чем следствием самопроизвольных физико-химических изменений.

Югославский патофизиолог А. Зупанчич придерживается сходных взглядов, считая, что структура живых организмов во время их функционирования непрерывно изменяется, разрушаясь и восстанавливаясь одновременно и что, в сущности, старение – это медленная потеря способности восстанавливать постоянно изменяющиеся структуры. С течением времени старый организм делается все менее и менее похожим сам на самого себя, постепенно теряет признаки живого существа и приближается к состоянию, напоминающему неживую систему.

В XX столетии снова стала популярной старая теория согласно которой старение стимулируется вредным воздействием космоса. Сейчас, однако, ни божества, желающие наказать смертных, ни благосклонные астрологические влияния небесных тел (средневековая концепция: старость – это воздействие планет на тело человека) не привлекаются для объяснения этого. Кунце в 1933 г. выдвинул гипотезу о вредном влиянии частиц космической и другой ультрарадиации, которые постоянно бомбардируют живые организмы, разрушая ядра их клеток. Подобная теория была развита в 1957 г. радиологом Г. Файла, согласно которой старость, быть может, обусловлена накоплением необратимых нарушений, вызываемых спонтанными соматическими мутациями под влиянием различных мутагенных агентов, особенно ионизирующей радиации.

Старость можно рассматривать как результат борьбы между влиянием вредных факторов и устойчивостью организма. Очень интересное математическое выражение этого положения дал немецкий физиолог А. Пюттер в 1921 г., а анализ в двух поучительных работах – биохимик К. Мишер и врач Г. Шломк. Старение и смерть организма, как и распад радиоактивных веществ, подчиняются сходным математическим законам.

Большинство гипотез последних лет связывает процессы старения с физическими законами необратимости некоторых процессов и с физической тенденцией к увеличению беспорядка среди молекул. Так, в 1924 г. чешский физиолог Ружичка усиленно подчеркивал, что гистерезис протоплазмы можно рассматривать как следствие термодинамического закона энтропии. Шведский биохимик Г. фон Эулер в 1951 г. высказал мысль о том, что старость – это результат увеличения энтропии гормональных реакций, особенно в макромолекулах гормонов гипофиза. Термин «энтропия» понимается как анархия некоторых процессов, тенденция к беспорядку. В своей ценной книге о биологии старения, опубликованной в 1956 г., А. Комфорт пишет, что из всех общих теорий самой правдоподобной является теория, предложенная Биддером. Согласно Биддеру, старческий период не является частью природной схемы жизни животного, но скорее анархическим явлением, следующим за тем, что эта схема уже осуществилась. Комфорт выражает это так: «Старость – это типичный побочный процесс, не часть программы, а ослабление той силы, которая направляет программу». В. Кун в 1955 г. связывает наступление старости с изменениями в синтезе оптически активных веществ в организме. Согласно физическим законам, оптическая чистота определенных веществ в организме меняется, прогрессирует рацемизация, тогда как присутствие оптических антиподов определенных веществ серьезно разлаживается обмен веществ, оказывая тем самым вредное влияние на организм.

Много различных гипотез о причинах и сущности старения можно связать между собой и дополнить. Некоторые современные авторы (С. Гирш, А. Г. Лансинг, Д.Коцовский, Ф. Геншен, Л. Бине, М. Бюргер, К. Пархон и др.) считают, что такой комплексный процесс, как старение, нельзя объяснить одной причиной, например, атрофией половых или других эндокринных желез, изменениями в клетках центральной нервной системы, отравлением кишечными токсинами, накоплением вредных продуктов клеточного обмена, цитоморфозом и ослаблением обмена и регенеративной способности, гистерезисом коллоидов протоплазмы, отложением кальция и артериосклерозом кровеносных сосудов, космическим излучением, увеличением энтропии и т. п.

Ни одна из этих гипотез не решает проблемы старения в целом. Вместо того чтобы объяснить биологические процессы одной причинной, сейчас наблюдается тенденция объяснять их многими, охватывать и собирать много внешних и внутренних факторов старения. До сих пор не найден ответ на вопрос – «почему стареет организм». Лучше изучен с научной и практической точки зрения важный вопрос – «как идет процесс старения».  

Литература:

 

1) Н. М. Эмануэль «Химическая физика и некоторые проблемы биологии»

2) Зетин, Зотина «Феноменологическая теория развития роста и развития организма»

3) Грмек, Мирко Дражен «Геронтология – учение о старости и долголетии»

4) Лэмб, Марион «Биология старения»

5) Стрелер Б. «Время, клетки и старение»

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: