Свободнорадикальные сдвиги обнаружены также при кинетическом изучении парамагнитных свойств тканей животных в процессе химического канцерогенеза. Так, в печени крыс в процессе малигнизации под действием диэтилнитрозамина (ДЭНА) имеет место характерные стадийные изменения в содержании свободных радикалов. Практически сразу же после введения канцерогенна наблюдается закономерное снижение содержания радикалов по сравнению с количеством их, характерным для нормы. Затем их концентрация возрастает. Первый максимум наблюдается примерно через месяц после начала опыта. В этот период еще отсутствуют какие-либо регистрируемые морфологические признаки малигнизации. В дальнейшем наблюдается их уменьшение почти до нормы, а затем – период длительного повышения содержания свободных радикалов, которые достигают максимума около 110 суток. Этот период гистологически соответствует началу формирования опухоли. Максимальное значение концентрации свободных радикалов обнаружены в сравнительно небольших опухолевых узелках. По мере дальнейшего формирования опухолей концентрация свободных радикалов снижается до значений ниже нормы, что находится в полном ответствии с приведёнными выше данными о биофизических сдвигах свободнорадикального характера на начальных стадиях опухолевого роста.
Аналогичные изменения наблюдаются при канцерогенезе под действием некоторых других химических веществ. Результаты большого числа экспериментов показали, что кинетические кривые изменения концентрации радикалов в тканях и клетках в процессе вирусного, химического и спонтанного канцерогенеза имеют много общих черт, несмотря на различную природу вызывающих этот процесс агентов.
В дальнейшем антиканцерогенное действие ингибиторов радикальных процессов было подтверждено в ряде работ другими авторами. Так, американским исследователем Уотенбергом в 1972 году было изучено антиканцерогенное действие ионола, бутилоксианизола и этоксиквина при развитии канцерогенеза под влиянием бензопирена 7, 12-диметилбензантрацена (ДМБА). Оказалось, что фенольные антиоксиданты тормозят развитие опухолей преджелудка мышей и молочной железы крыс. Аналогичное действие бутилоксианизола наблюдалось в случае рака легких у мышей, возникающего при введении в пищу ДМБА, бензапирена, утретана в острых опытах и при хроническом введении канцерогенов.
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 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.