Воздействие магнитного излучения на микроорганизмы

20

 устойчивости к облучениям  максимальный эффект достигается не в результате изменения конформации чувствительных к облучению макромолекул, а путем изменения специфических репарационных ферментных систем.

Уровень естественной радиации на Земле складывается из проникающих космических лучей, локальной радиоактивности пород или водоемов и, в меньшей степени, УФ - излучения Солнца. Для любого конкретного ареала это, пожалуй, один из наиболее постоянных или, во всяком случае, наиболее монотонно изменявшихся факторов окружающей среды за все время существования биосферы. Существующие ныне микроорганизмы хорошо переносят обычные уровни естественной радиации. В настоящее время из-за отсутствия экспериментальных данных трудно ответить на вопрос, связана ли различная активность систем репарации у микроорганизмов с их длительным пребыванием в условиях с различным уровнем радиации. Но так или иначе, различные системы репарации имеются у всех исследованных микроорганизмов. Снижение устойчивости к облучениям под воздействием различных мутагенных факторов связано с нарушением функциональной целостности систем репарации. Как правило, такие микроорганизмы становятся более чувствительными и к мутагенному действию облучений.

Возрастание радиоустойчивости получили под воздействием ряда химических мутагенов. При этом сдвиг, как и в других случаях экспериментального получения устойчивых к облучениям микроорганизмов, был незначителен. При этом не наблюдали изменений в состоянии систем репарации. (Карасевич,1975).

3.2 Механизмы УФ-индуцированных деструктивных и фотомодифицирующих реакций у микроорганизмов

Биологически значимое УФ-излучение занимает участок спектра от 230 до 380 нм и подразделяется на три области: коротковолновую УФ (230—290 нм),

21

средневолновую УФ (290—320 нм) и длинноволновую УФ (320—380 нм). Известно, что экологическим УФ-компонентом солнечного излучения является УФ-свет длин волн больше 290 нм, тогда как коротковолновый УФ из-за эффективного поглощения озоном атмосферы поверхности земли не достигает. Однако до недавнего времени при изучении биологического действия УФ-света основное внимание уделялось как раз тем фотодеструктивным реакциям, которые индуцируются коротковолновым УФ-излучением (254 нм), получаемым от газоразрядных ламп. Такая ситуация в УФ-фотобиологии сложилась, вероятно, потому, что коротковолновый УФ-свет, интенсивно поглощаемый нуклеиновыми кислотами и белками, обнаруживает на несколько порядков большую биологическую эффективность, чем длинноволновый УФ-свет.

Таким образом, традиционным направлением в УФ-фотобиологии было исследование механизмов повреждающего действия коротковолнового УФ-излучения. Главным итогом этих исследований можно считать установление того факта, что в основе коротковолновой УФ-инактивации клеток лежат фотоповреждения ДНК, из которых наибольшее биологическое значение имеют димеры пиримидиновых оснований. К числу важных достижений «классической» УФ - фотобиологии относится также открытие и расшифровка механизмов действия ферментативных систем репарации ДНК.

С начала 70-х годов в УФ - фотобиологии четко обозначилось и бурно развивается новое направление, связанное с исследованием фотобиологических реакций, индуцируемых «экологическим» УФ - светом (300— 380 нм). Одной из причин, вызвавших широкие исследования в данном направлении, является обсуждаемая в последнее время возможность чрезмерного загрязнения атмосферы выбросами сверхзвуковых самолетов и ракет, аэрозолями, удобрениями и другими веществами, которые могут привести к частичному разрушению озонового слоя стратосферы, вследствие чего возрастает

22

интенсивность биологически наиболее активных УФ - лучей солнца (300—320 нм) в биосфере. Среди многих экологических последствий такого изменения особое значение придается тому, что даже слабое повышение интенсивности этих лучей приведет к резкому увеличению образования рака кожи у людей под действием солнечного света. Такая опасность обусловливает уже сегодня быстрое развитие в различных странах мира специальных станций по контролю над уровнем солнечной радиации.

С другой стороны, становится очевидной необходимость детального изучения механизмов повреждающего действия экологического УФ на биологические системы. При этом важно исследовать не только действие целых участков УФ - спектра, но и отдельных длин волн внутри этих участков, поскольку между ними могут происходить сильные синергические взаимодействия.

Исследование такого рода реакций представляется весьма важной проблемой в связи с поиском и разработкой новых систем защиты биологических объектов от поражающего действия оптического излучения.

Исследованиями последних лет твердо установлено, что индуцируемая УФ - светом длин волн 300—380 им инактивация клеток, как и коротковолновая УФ-инактивации, связана преимущественно с фотоповреждением ДНК. Длинноволновый УФ - свет индуцирует образование в ДНК двух основных типов фотопродуктов — пиримидиновых димеров и одноцепочечных разрывов. Показано, что выход димеров не зависит от того, в каких условиях проводится облучение — аэробных или анаэробных, т. е. процесс образования димеров не является кислородозависимым. В то же время разрывы цепи ДНК наблюдаются только при облучении в присутствии кислорода. Эти данные свидетельствуют о различных механизмах образования двух типов фотоповреждений. С другой стороны, можно считать, что в обоих случаях не молекула ДНК является первичным хромофором при действии УФ - излучения длин волн больше 320

23

нм, поскольку длинноволновая граница ее поглощения лежит при 300—310 нм. Следовательно, и димеры и разрывы должны образовываться не за счет прямого поглощения квантов молекулой ДНК, а косвенным путем с участием определенных сенсибилизаторов, тесно связанных с ДНК. Справедливость последнего подтверждается данными о более высоком выходе как димеров, так и разрывов при облучении ДНК.

Фотосенсибилизаторы при деструктивном действии длинноволнового УФ -света на ДНК не идентифицированы. Вместе с тем можно предположить, что они должны быть различными в случае образования димеров и разрывов. Строгая зависимость от кислорода выхода разрывов позволяет считать, что эти фотоповреждения образуются по фотодинамическому механизму с участием свободных радикалов и синглетного кислорода. Роль данных интермедиатов подтверждается значительным уменьшением выхода одноцепочечных разрывов при облучении ДНК в присутствии некоторых химических соединений — перехватчиков свободных радикалов и тушителей синглетного кислорода. Отсутствие зависимости от кислорода выхода пиримидиновых димеров свидетельствует о том, что их образование осуществляется не по фотодинамическому механизму, а путем молекулярной фотосенсибилизации.

Моделью такого механизма может служить фотосенсибилизированное производными кетонов (ацетон, ацетофенон), образование димеров в ДНК, которое включает перенос энергии возбуждения с триплетного уровня сенсибилизатора, поглотившего квант света, на триплетный уровень пиримидинового основания с последующей его димеризацией.

Комбинированное действие различных длин волн УФ - спектра на микроорганизмы. Изучению фотобиологических реакций при комбинированном действии на клетки различных длин волн УФ - спектра уделяется в последнее время все большее внимание. Как отмечалось выше, такие исследования позволяют, с одной стороны, выявлять синергические летальные

24

взаимодействия между разными длинами волн, а с другой — обнаруживать фотобиологические процессы, направленные на защиту либо восстановление клеток от УФ - поражения.

Фотосинергические эффекты были обнаружены при переходе от широкополосных источников излучения к монохроматическим. Так, например, оказалось, что клетки некоторых штаммов бактерий проявляют значительно более высокую чувствительность к облучению УФ - светом области 310—400 нм, чем можно было ожидать, исходя из их чувствительности к отдельным монохроматическим длинам волн того же участка спектра. Летальные синергические взаимодействия наблюдаются как между различными длинами волн длинноволновой УФ - области спектра, так и между длинноволновыми и

коротковолновыми УФ - лучами. Поскольку во всех случаях облучение бактериальных клеток длинноволновым УФ - светом (334, 365 нм) вызывает наряду с повреждением ДНК ингибирование ферментов ее репарации, предполагается, что синергические эффекты обусловлены взаимодействием именно этих двух деструктивных процессов.

С другой стороны, нельзя, вероятно, исключить вклада в летальные синергические эффекты как каких-то других фотоиндуцированных процессов, непосредственно с ДНК не связанных, так и наложения различных типов фотоповреждений в ДНК при облучении ее разными длинами волн УФ -спектра. Последнюю точку зрения подтверждают эксперименты с трансформирующей ДНК, в которых было показано, что ее инактивация, вызываемая светом 365 нм, значительно усиливается предварительным облучение 334 нм. Хотя механизм такого синергического эффекта не исследован, можно предположить, что он связан с протеканием, по крайней мере, двух процессов. Один из них может заключаться в 334 нм-индуцированном изменении связанного с ДНК сенсибилизатора с последующим увеличением его поглощения при 365 нм; другой- в образовании

25

под действием света 334 нм в ДНК сублетальных повреждений, которые в результате взаимодействия с повреждениями ДНК, вызываемыми облучением 365 нм, и приводят к усилению его инактивирующего действия.

Интересный синергический эффект обнаружен нами у ряда штаммов не способных к фотореактивации дрожжей при последовательном их облучении 254 нм (313 им) и длинноволновым УФ - светом (334, 365 нм). Две особенности отличают данный эффект от аналогичных эффектов, полученных на бактериях. Во-первых, фотоусиление гибели дрожжей проявляется уже при тех дозах длинноволнового УФ - света, которые не вызывают инактивацию клеток, и, во- вторых, в его основе лежат не деструктивные реакции, а процесс фотоиндуцированного биосинтеза определенного соединения (серотонина), характеризующегося способностью связываться с ДНК. Показано, что связываясь в клетках с ДНК, облученной при 254 (313) нм, серотонин мешает ферментам эксцизионной репарации ликвидировать в ней летальные фотопродукты (главным образом, пиримидиновые димеры), что и приводит к усилению летального эффекта.

Как уже отмечалось, помимо синергических летальных взаимодействий, при комбинированном действии разных длин волн УФ - спектра наблюдаются и «антагонистические» реакции. Известными реакциями такого рода являются фотореактивация и фотозащита.

Фотореактивация определяется как процесс восстановления жизнеспособности УФ - облученных клеток путем последующего воздействия более длинноволновым светом с максимумом эффективности в области 350—450 нм. Этот широко распространенный фотобиологический процесс осуществляется с участием специального светочувствительного фермента — фотолиазы, субстратом которого являются УФ - индуцированные продукты повреждения ДНК только одного типа — циклобутановые пиримидиновые димеры.

 

26

Фотозащита определяется как процесс уменьшения летального действия коротковолнового УФ путем предварительного облучения клеток длинноволновым УФ - светом. В отличие от фотореактивации эффекты фотозащиты наблюдались у ограниченного круга микроорганизмов — у Е. coli и позднее у дрожжей. При этом механизмы двух эффектов оказались принципиально различными. У бактерий фотозащита обусловлена вызываемой длинноволновым УФ светом задержкой роста клеток, в результате чего увеличивается время для работы ферментов репарации ДНК по ликвидации в ней летальных повреждений до того, как они будут зафиксированы. Поскольку в данном случае защиту вызывает свет, оказывающий тормозящее действие на развитие клеток, то такую фотозащиту можно обозначить как «пассивную».

В противоположность этому фотозащита у дрожжей наблюдается в отсутствие задержки роста клеток. Особенностью данного эффекта является также то, что для его проявления необходим температурно - зависимый интервал времени между последовательными воздействиями на клетки длинноволнового УФ - света (334, 365 нм) и коротковолнового УФ. Как удалось установить, в этот интервал времени в клетках происходит фотоиндуцированное образование определенного соединения, идентифицированного как 5-окситриптамин, или серотонин. Роль данного соединения как основного интермедиата в процессе фотозащиты подтверждается следующими результатами: 1) фотозащита практически не наблюдается у клеток, дефицитных по предшественникам синтеза серотонина (триптофан и 5-окситриптофан), однако эффект вновь проявляется при их экзогенном введении в клетки; 2) специфический ингибитор цепи синтеза серотонина л-хлорфенилаланин полностью снимает эффект фотозащиты; 3) экзогенно добавленный к клеткам серотонин, вызывает эффект защиты от УФ-инактивации, аналогичный фотозащите, т. е. серотонин обладает фотомиметическим действием.

27

Ряд данных, полученных в опытах на клетках, свидетельствовал о том, что защитное действие серотонина осуществляется в результате его связывания с ДНК и уменьшения выхода в ней УФ - индуцированных летальных фотопродуктов, главным образом пиримидиновых димеров. Способность серотонина связываться с ДНК была подтверждена в модельных экспериментах с использованием спектрофлуориметрического анализа. Тестом на связывание служило тушение флуоресценции серотонина в комплексе, которое обусловлено интеркалированием молекул лиганда между порами оснований в цепи ДНК. Проведенные на основании полученных результатов расчеты позволили определить константу связывания серотонина с ДНК Кс = 4,2- 104М-1, а также оптимальные условия для связывания. Выполненные при этих условиях прямые измерения димеров в УФ облученной ДНК показали, что в присутствии серотонина выход этих фотопродуктов действительно уменьшается.

Длинноволновый УФ - свет в зависимости от условий облучения может индуцировать как деструктивные реакции, так и реакции, модифицирующие фотопоражение клеток. Кроме того, известно, что длинноволновый УФ свет активен в проявлении ряда фоторегуляторных процессов у микроорганизмов. Такая широта ответных фотобиологических реакций клеток на действие длинноволнового УФ - света обусловлена, очевидно, тем, что большинство внутриклеточных биохимических соединений характеризуется способностью поглощать свет этого спектрального диапазона с последующим вступлением в различные фотохимические реакции. Конкретное же проявление фотобиологического эффекта будет определяться не только природой хромофорных групп и типом фотохимической реакции, но также и тем, в каком молекулярном окружении находятся эти хромофоры, какие именно компоненты и в каких органеллах подверглись фотохимической модификации. (  Фрайкин, 1988).

 

 

Федеральное агентство по рыболовству

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

« Астраханский государственный технический университет»

                                                                                       

Институт рыбного хозяйства,

биологии и природопользования

Кафедра прикладной

биологии микробиологии

 

 

Курсовая работа на тему: «Влияние различных  видов излучений на микроорганизмы»

 

 

 

 

 

                                                                                 Выполнила: