166046 (Химическая физика и некоторые проблемы биологии), страница 2

Были изучены молекулярные аспекты этой весьма важной проблемы. Обнаружено, что введение ионала совместно с канцерогеном (ДАБ) снимает эффект увеличения концентрации свободных радикалов на стадии формирования опухоли, сохраняя её на уровне, близком к соответствующему уровню в нормальной ткани печени. Опухоли у животных, получивших дибунол, не возникают в течение более 12 месяцев наблюдения.

Одновременно в этих опытах наблюдали за изменением содержания в клетках печени цитохрома Р-450.

Под действием одного ДАБ уровень цитрохрома Р-450 увеличивался в 2,5 раза, в то время как при одновременном использовании ДАБ и ингибитора он возрастал почти в 6 раз и удерживался на этом уровне, на протяжении длительного времени. Очевидно, дибунол является активным индуктором синтеза цитохрома Р-450 в микросомах печени и может приводить к нейтрализации канцерогенеза.

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 вредным для 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.