Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития фотобиофизики арактеризуется все возрастающим интересом к исследованию фотоиндуци-ованных процессов, обусловливающих деструктивное и регуляторное дей-твие оптического излучения на биологические системы. Эти процессы от-ажают влияние света как постоянного фактора окружающей среды на рганизмы и поэтому наряду с фотосинтезом и зрением имеют важное обще-иологическое значение.
Интенсификация работ в области изучения повреждающих фотобиологи-еских эффектов вызвана рядом обстоятельств и необходимостью решения рахтических задач, которые можно разделить на две группы. Первая іключает вопросы фотоэкологии, остро стоящие в связи с повышением ровня загрязненности окружающей среды и увеличением вероятности про-'екания в биоструктурах фотосенсибилизированных деструктивных резкий, в том числе ответственных за канцерогенное действие солнечной >адиации. Вторая группа задач связана с разработкой и усовершенствованием способов направленного повреждения клеток при фотодинамической терапии рака видимым светом в присутствии сенсибилизаторов порфирино-зой природы.
Повышенное-внимание к проблеме фоторегулирования определяется гем, что познание молекулярных основ функционирования фоторецепторных -w^-тем будет способствовать, с одной стороны, решению актуальной обще-5иологической задачи, связанной с выяснением механизмов, осуществляю-дих в биосистемах восприятие и усиление внешнего сигнала и его реализацию в виде определенного физиологического ответа, а, с другой -созданию эффективных методов фототерапии некоторых заболеваний человека , направленного регулирования биосинтезов, управления ростом и развитием растительных и микробных организмов.
При исследовании повреждающих эффектов оптического излучения экологического диапазона основное внимание уделяется фотодеструктивным процессам, индуцируемым его коротковолновыми компонентами - средневолновым (290-320 нм) и длинноволновым (320-400 нм) ультрафиолетом (УФ) (Moan, Peak, 1989; Tyrrell, Keyse, 1990). Что касается видимого света, который без добавленных к клеткам сенсибилизаторов обнаруживает меньшую эффективность повреждающего действия, то о механизмах инициируемых им деструктивных реакций известно пока очень мало. В противоположность этому, среди фоторегуляторных эффектов наиболее изучены процессы, вызываемые видимым светом. К их числу следует прежде всего отнести опосредуемые фитохромом реакции фотоморфогенеза у высших растений, в проявлении которых активен свет красной-дальней красной области спектра (Sor.g, 1??3), и разнообразные фотофизиологические ответы на синий свет, наблюдаемые у грибов и водорослей (фототропизм.
фототаксис, фотоинлуцированный каротиногенез и др.) (Крицкий, Чернышева, 1988,- Синещеков, Литвин, 1988). Имеются также данные о стимулирующем влиянии низкоинтенсивного монохроматического видимого света (как некогерентного, так и когерентного) на рост и метаболизм гетеротрофных микроорганизмов, клеток животных и человека (Феофилова с соавт., 1991; Karu, 1990), однако механизмы этих эффектов, в отличие от упомянутых выше, изучены недостаточно. Кроме того, остается практически не исследованным регуляторное действие на развитие клеток низкоинтенсивного света УФ-области спектра.
Цель и задачи исследования. Основная цель работы состояла в выявлении и изучении природы фотоиндуцированных процессов, ответственных за повреждающие эффекты видимого света и регуляторное действие низкоинтенсивного УФ-излучения на дрожжевые клетки. В соответствии с этим были поставлены следующие основные задачи:
- идентифицировать эндогенный фотосенсибилизатор, опосредующий де
структивные реакции в клетках при воздействии оптического излуче
ния видимого диапазона (400 - 600 нм) ;
- определить критическую мишень в клетке, фотосенсибилизированное
повреждение которой обусловливает инактивирующий эффект видимого
света;
исследовать механизмы фотосенсибилизированных деструктивных ре-акш:.~.-, j. в основе повреждающего действия видимого света;
найти режимы облучения, при которых возможна регуляция клеточного метаболизма низкоинтенсивным светом УФ-области спектра;
установить природу первичных фотоактивных хромофоров, участвующих в фоторегуляторных процессах.
Научная новизна работы. В результате впервые проведенного комплексного исследования повреждающего действия видимого света на клетки дрожжей получены данные о механизмах фотосенсибилизированных деструктивных процессов, лежащих в основе эффекта фотоинактивации. Установлено, что в качестве эндогенного сенсибилизатора выступает свя занный с плазматической мембраной клетки порфирин, а критической мише нью служит плазматическая мембрана, фотосенсибилизированное нарушение барьерных свойств которой является основной причиной фотоинактивации клеток. Показано, что важная роль в инициации фотосен сибилизированных процессов перекисного окисления липидов в плазматических мембранах принадлежит синглетному кислороду.
Обнаружен фотосинергический летальный эффект при комбинированном (совместном) действии видимого света (400 - 600 нм) и длинноволновых УФ-лучей (337, 365 нм) на дрожжевые клетки. Установленный факт важен в экологическом аспекте, поскольку показывает, что эти компоненты сол нечнсй радиации, несмотря на относительно малую эффективность повреж-
аюдего действия, когут представлять со5ой (в силу взаимоусиления ин-упнруемых ими деструктивных процессов) значительно более активные акторы среды.
Обнзруг-еко регулятсркое влияние на рост дрожжевых клеток ннзкоин-енсивкого монохроматического УФ-света в области 280 - 380 ні-:. Оото-тикулііруїззий эффект связан с УФ-индупирсванным синтезом серотинина, >бнарукившего способность выполнять функцию регулятора клеточных де-іений. Вперзые показано, что механизм УО-индуцированного образования :еротоника в клетках включает фстомсдуляцию активности декарбоксилази
одного кз ферментов, катализируюяих реакции его синтеза. Получены данные, псзвслясдме рассматривать кофактор декарбоксилази - пиридок--.альфосфат в форме аддукта, псглодавцего при 330-340 км, в качестве іерзичного фотоактиЕКОГс хромофора.
Практическая значимость работы. Полученные данные о механизмах югосенсибилизирзванного повреждения плазматических мембран клеток ;ак основе их инактивации видимым светом важны для пон::мания фотодина-іическсго действия эндогенных и экзогенных псрфириноБЫХ сенсибилизаторов в сзязи как с некоторыми заболеваниями человека (например, зри-гропоэтическая псрфкрия) , так и усовершенствованием методов ;ототерапии рака. Разработанный способ актизаи:ы: роста дрожжей, основанный на выявленной в фсгооиологическом исследовании регуляторкой рункцип серотонина (способ заанжен авторским свидетельством) , открывает перспективы для его использования в практике микробиологической :ромыдленности с целью ускорения биотехнслогических процессов.
Публикации и апробация работы. По материалам диссертации сдублировано с научных статей и получено авторское свидетельство на изобретение. Основные результаты исследования были доложены и/или представлены ка 1-м, 3-5-к конгрессах Ееропєйсксго 6стс5ислсгН"ческсго эбпес-ва (Гренобль, сракдня, 1986г., Будапедт, Венгрия, 1989г., Як-гтердак, Кн-дерланды, 1991г., Карбург, Германия, 1993г.), Междукарсд--:ом симпозиуме ".-.ктивирсвакные формы кислорода в биологических системах" (Варна, Болгария, 19оог.), Международной конференции 'действие физических факторов ка биологические системы" (Москва, 1987г.), 19-м гжегодно;-: съезде ZZV.S 'Мутагенные и канцерогенные факторы округакдей среды" (Родос, Греция, 1989г.), 20-м ежегодном съезде американского обдества фотсбислсгов (Марко-Айленд, Олсрида, Z—k, 1992г.!, 11-м Меж-зунаррднск фстобпслогическом конгрессе (Киото, Япония, 1992г.), Кез:-сукарсдном биофизическом конгрессе (Будапедт, Венгрия, 1992г.) и на гругик научных конференциях и семинарах.
Структура :: гбъем работы. Диссертация состоит из введения, обзора -итергтуры, в г.стсрск дан анализ современного состояния проблемы дест-рукт'.-.ЕНсго и регуляторного действ;ія сптнческсгс излучения на биологи-
ческие системы, экспериментальной части, результатов и обсуждения,
ключения, основных выводов и списка цитированной литературы. Содерж
ние работы представлено на с. машинописного текста, иллюстрировг
но 25 рисунками и 2 таблицами.