автор лого - Климентий Левков Дом ученых и специалистов Реховота
(основан в июле 1991 года)
 
 
В Доме ученых и специалистов:
----------------
 
 
Архив
 
Дом ученых и специалистов Реховота

Проект "Научно и понятно"    

12.12.2010

 

Не Делаем Секрета из Ультрафиолета:
цикл УФ рассказов


Эдуард Коркотян (Реховот)Эдуард Коркотян

 

Начало   Пред.


Рассказ второй: УФ-мутаген

В первом УФ рассказе мы сообщили читателю о природе ультрафиолета, о его вредном и даже губительном влиянии на всё живое. В чем же причина? Почему обыкновенный свет, пусть даже и невидимый глазу, может быть опасен? Я рассказывал, как в лаборатории мы проводим реакцию фотохимического разложения при помощи вспышки света. Но не следует думать, что данная реакция уникальна. Некоторые химические процессы в природе также проходят с участием энергии света. Дело в том, что для осуществления различных химических превращений часто требуется энергетический толчок.

Простейший пример – поджигание спички при помощи трения, когда ее серная головка чиркает о коробок. Фотоны света тоже могут служить источником энергии. Надо только, чтобы химический реагент смог её вовремя поглотить. Поэтому, не любой свет, а лишь обладающий определённой длиной волны, может вызвать ту или иную фотохимическую реакцию.

Самым известным примером может служить фотосинтез, протекающий в листьях зеленых растений. Спектр поглощения лучистой энергии при фотосинтезе лежит в области синего и желто-оранжевого цветов. Промежуточные зеленые лучи по большей части рассеиваются, поэтому листья видятся нам зелеными. Что же касается ультрафиолета-В, то как самый энергетичный из всего солнечного спектра, достигающего Земли, он действует активнее других. Иногда вызванные им реакции внутри живой клетки полезны, но чаще – как раз наоборот. Именно так обстоит дело с ДНК – главной наследственной молекулой всего живого, от бактерии до человека.

 

 

ДНК – гигант среди молекул. В человеческих хромосомах (генетических комплексах на основе ДНК и белков) она достигает нескольких сантиметров в длину, правда, при очень малом диаметре. Многим известно, что ДНК – это полимер, состоящий из огромного множества пар мономеров. Мономеры выстроены в 2 цепочки, которые изящно закручены в двойную спираль. На языке биохимии мономеры называются нуклеотидами (от латинского «нуклеус» - ядро), потому что именно в ядрах клеток сосредоточен наследственный материал. Основным компонентом, определяющим «лицо» нуклеотида, является одно из так называемых азотистых оснований (при взгляде на структурную формулу, азотистое основание действительно напоминает голову какого-то животного на тонкой шее).

Несмотря на всё многообразие живой природы, нуклеотидов ДНК существует всего четыре, как раз по числу оснований. Два из них являются производными вещества пиримидина, а другие два – родственного ему пурина. Они образуют 2 устойчивые пары: аденин+тимин и гуанин+цитозин, которые, вероятно, помнятся читателю еще по школьному курсу биологии. Каждая пара называется комплиментарной, т.е. химически родственной, причём, составлена из одного пиримидина и одного пурина. Поскольку нуклеотидов так мало, то понятно, что всё решает их взаимная последовательность, которая создаёт так называемый генетический код. Код каждого организма уникален; он содержит абсолютно всё, что требуется знать клетке для поддержания в себе жизни. Из этого становится ясно, что даже небольшое нарушение кода может сбить клетку с толку и стать для нее фатальным. Нарушение кода называют мутацией, а фактор, который её вызвал – мутагеном. Мутагенов множество и УФ-свет (особенно более энергичный УФ-В) – безусловно, в их числе. Как выяснилось в результате сравнительно недавних исследований, его влияние может быть прямым либо опосредованным, но оба они весьма опасны. Прямые мутации происходят следующим образом: пиримидиновые нуклеотиды (цитозин и, особенно, тимина) гораздо активнее пуриновых поглощают УФ. С ними-то, как правило, и происходит несчастье. Например, под влиянием УФ-В, два расположенных друг за другом тимина могут образовать между собой аномальную связь и тем самым соединиться в димер, который будет состоять сразу из двух молекул тимина. Кроме того, оба пиримидина могут по ошибке соединиться с молекулой воды или одним из окружающих белков. Нечего и говорить, что в таком виде поврежденный участок генетического кода не поддастся правильному прочтению. Правда, не все участки кода одинаково важны. Да и большая часть повреждений быстро исправляется специальными «ремонтными» белками. Однако, некоторые повреждения восстановлению не подлежат. И чем больше произошло мутаций, тем выше среди них число непоправимых, Что же произойдет дальше? Иногда клетки с фатальным нарушением кода просто отмирают сами по себе, иногда их уничтожает иммунная система (разумеется, если речь идет о сложном организме, а не об одноклеточном). Но в отдельных случаях та или иная клетка может стать генетической «вырожденкой» и если иммунная система позволит такой клетке размножиться, то она положит начало злокачественному образованию. А поскольку облучению УФ подвергается главным образом кожный покров, то опасаться следует различных карцином кожи и особенно меланомы.

 

При опосредованном влиянии УФ на кожу, действие протекает по несколько иному сценарию. УФ-А, как чуть менее энергетичный свет, сам по себе редко вызывает мутации в ДНК. Однако, по той же причине, он глубже проникает под верхний слой кожи и может вызвать ее ожог. Он нарушает целостность колагеновых волокон и мелких кровеносных сосудов. Разрушает подкожные клетки и ткани. Область ожога насыщается продуктами тканевого распада. Это не только морщинит кожу, старит её, но и приводит к появлению так называемых свободных радикалов, о которых читатель вероятно наслышан.

На фоне развивающегося окислительного стресса, пероксиды (например, знакомая всем перекись водорода, которую используют для обесцвечивания волос) и гидроксильный радикал (OH-группа, как, например, у едкого кали, КОН) хищно нападают на всё вокруг и способны вызвать тяжелые повреждения органических молекул, в первую очередь, ДНК.

 

 

Чтобы понять дальнейшее, нам необходимо кратко проследить, как именно происходит процесс поглощения квантов света.

Кожа человека весьма тонка, хоть и достаточно сложна в устройстве, многослойна. Сразу под волосками расположен тонкий роговой слой, состоящий из отмерших клеток. Этот слой все время шелушится и неустанно обновляется. Под ним залегает слой живых клеток эпидермиса. Именно на эти два слоя приходится удар наиболее коротковолновой части спектра (УФ-В). Глубже он проникнуть почти не может и в основном поглощается меланином, но небольшой фракцией достаётся и на долю ДНК. Толщина и плотность эпидермиса непосредственно влияет на глубину проникновения различных фракций света. Она может варьировать в зависимости от возраста человека и времени пребывания под солнцем. Примерно три четверти всей толщины кожи составляет следующий слой - дерма. В нём залегают корни волос, потовые и сальные железы, его пронизывают нервные окончания и тончайшие капилляры. Под дермой находится самая нижняя часть кожи – гиподермис, по которой проходят нервные отростки и кровеносные сосуды. На два нижних слоя приходится лишь малая часть УФ-В и основная часть УФ-А. Главным «приёмником» света в нижних зонах является гемоглобин крови, потому что содержит окрашенную пигментную группу на основе атома железа; отчего и происходит его характерная окраска.

Вещества, способные поглощать кванты света (фотоны) называются хромофорами (от греческого «хрома» - цвет). Большинство клеточных хромофоров – это либо сложные хромопротеины, вроде гемоглобина, которые содержат особую пигментную группу, либо органические молекулы, имеющие в своём составе ароматическое кольцо. Цепочку фотохимических взаимодействий света и хромофорного вещества отражает знаменитая диаграмма, предложенная в 1935 году польским физиком Александром Яблонским. Опуская определённые подробности, напомню, что ядра атомов в составе молекул окружены электронами, которые движутся по сложным молекулярным орбиталям. Каждая орбиталь обладает определённым энергетическим уровнем.

Энергия кванта света переводит электрон из основного в более высокое или возбуждённое энергетическое состояние, которое является временным, нестабильным. В этом состоянии электрон может находиться лишь неисчислимо малые доли секунды (от фемто- до пикосекунд). В этот кратчайший период молекула химически гиперактивна, то есть может легко вступать во всевозможные реакции, которые в обычном состоянии были бы весьма маловероятны. Это и создаёт главную мутагенную опасность. Но если в отпущенное ей время реакции не произошло, то избыточная энергия просто рассеивается в виде тепла или флуоресцентного свечения, а сам электрон возвращается к исходному квантовому состоянию. Можно понять, что такой исход был бы для нас наилучшим.

А что произойдёт, если хромофор не обладает нужными свойствами и нежелательная передача энергии всё же состоится? Такая реакция называется в химии фотоокислением. Суть её в том, что возбуждённый электрон от донорской (отдающей) молекулы хромофора перейдёт к акцепторной (принимающей) молекуле, причём перенос в принципе неосуществим без участия энергии света. Потеря электрона называется окислением и приводит к образованию заряженных или нейтральных радикалов из целых молекул или их «осколков». Свободные радикалы, в свою очередь, угрожают целостности ДНК и многие ресурсы организма тратятся на то, чтобы избежать их появления. В следующем рассказе мы совершим обзор всех систем защиты, какие только имеются в нашем арсенале борьбы с ультрафиолетом.

 

(Продолжение)

Copyright © 2010 Эдуард Коркотян    

декабрь, 2010 г.    



Страница 3 из 5
  ГлавнаяДневник мероприятийПлан на текущий месяц     copyright © rehes.org
Перепечатка информации возможна только при наличии согласия администратора и активной ссылки на источник! Редакция не несет ответственности за отзывы, оставленные посетителями под материалами, публикуемыми на сайте. Мнение редакции не всегда совпадает с мнением автора.