Устойчивость клеток к повреждающим воздействиям и его механизмы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устойчивость клеток к повреждающим воздействиям и его механизмы

Н.Т. Абдыраманова

Аннотация

В статье дается описание протоплазмы - основной части клеток всех живых организмов, основных веществ протоплазмы и их видоизменения жизнью. Содержатся данные о возможных механизмах адаптации клеток к неблагоприятным воздействиям.

Защита от неблагоприятных условий внешней среды - одна из постоянных «забот» живых организмов. Канадский физиолог Ганс Селье пишет: «После того, как живое существо появилось на свет - оно тотчас же оказывается во враждебной среде... В чреве матери оно было защищено в достаточной степени, но после перерезки пуповины предоставлено самому себе, подвержено действию холода, жары, потенциально опасной пищи, микробов, физических повреждений».

В результате научно-технического прогресса зависимость человека ( и домашних животных) от действий неблагоприятных факторов намного уменьшилась. Для защиты от холода человек создал теплую одежду, отапливаемые помещения, от жары - кондиционирующие устройства, от болезнетворных микробов - прививки, лекарственные средства.

Однако далеко еще не все враждебные для живых систем физические, химические и биологические факторы обезврежены. Многие из них продолжают действовать и поныне.

К тому же, возникают новые виды повреждающих агентов, как « побочный» результат научно-технической революции. В последнее время человек все чаще сталкивается с негативными последствиями своей деятельности. Укажем хотя бы на химический «бум».

Современная химическая промышленность производит в громадных и всевозрастающих количествах пластмассы, пестициды, гербициды, консерванты, красители и.т.п. Фармацевтическая промышленность вырабатывает неисчислимое количество новых медикаментов, антибиотиков, антисептиков, алкалоидов, транквилизаторов, психостимуляторов и др. Современный житель города индустриально развитой страны буквально окружен химикатами. Воздух насыщен парами летучих химических веществ. Человек вводит в свой организм множество рекомендуемых и рекламируемых лекарственных препаратов. Различные химические вещества попадают в организм с пищевыми продуктами

Но живые системы атакуются не только химикатами. Разные виды излучений, вибрации, шумы большой мощности, токи высокой частоты, магнитные поля и многое другое, с чем сталкивается человек в своей деятельности, являются биологическими раздражителями и в известной дозе оказывают повреждающее действие.

При рассматривании вопроса об отличии живых систем от объектов неживой природы можно выделить главное - отличие способности живых существ реагировать на изменения внешней среды всегда полезной для себя. В простейшем случае - это уход от грозящей опасности, от холода или жары животные прячутся в норы, зарываются в песок, уходят в тень, человек надевает подходящую одежду, укрывается в помещении и.т.д. Однако уйти от неблагоприятно действующего фактора удается не всегда. И в процессе эволюции живого мира нашлось другое средство защиты - способность адаптироваться к неблагоприятным условиям окружающей среды.

Адаптация (от лат. adaptatio - приспособление, приноравливание, прилаживание) - процесс, а также результат приспособления строения и функций организмов к условиям среды обитания. В результате этого процесса условия среды, ранее неблагоприятные для организма, становятся для него безопасными. Таким образом, адаптация, по существу, приводит к увеличению устойчивости организма к действию факторов окружающей среды.

Каков механизм адаптации? В любой популяции постоянно возникают мутации, т.е. наследственно закрепленные изменения. Естественный отбор подхватывает полезные в данных условиях вариации. Из поколения в поколение в результате преимущественного размножения особей - носителей полезных свойств, они становятся характерными для данного вида. Эволюция живой природы идет на основе и по пути возникновения все новых адаптаций.

В трактовке явлений адаптации биологи придают особое значение действию поведенческих и физиологических механизмов. Так, например, в адаптации организмов к изменениям температурных условий среды главное внимание обращают на изменение аппарата терморегуляции. Считают, что защита от перегрева осуществляется главным образом путем испарения воды - у листьев через устьица, у животных через дыхательный аппарат и кожные покровы. От вредного действия переохлаждения животных защищает шерстный покров или толстый слой подкожного жира, переход в спячку или, напротив, интенсификация теплопродукции путем стимуляции двигательной активности. Ряд животных мигрирует в теплые края. Некоторые строят теплые укрытия и.т.п.

Значимость этих явлений не вызывает возражений. Однако они не могут объяснить многие факты. Так, например, известно, что в горячих источниках с температурой воды 80 - 100 С живут и размножаются многие виды микроорганизмов. В Антарктиде, где вода зимой имеет температуру -2,15 С, а летом -1,4 С, постоянно обитают некоторые виды рыб. В соленых озерах Антарктиды, в лиманах, в которых вода замерзает при -45 С, обнаруживаются активно живущие микроорганизмы.

Основываясь на традиционных представлениях о механизмах адаптации, т.е. придавая значение лишь физиологическим и поведенческим реакциям, трудно представить, каким образом в процессе эволюции могли возникнуть и закрепиться адаптации к подобного рода экстремальным условиям. Между тем, имеются данные, свидетельствующие о том, что в процессе адаптации происходит «переделка» самого живого субстрата клетки, т.е. входящих в ее состав компонентов. Так, шведский биохимик А. Гаммарстен еще в 1908 г. обнаружил, что пепсин хладнокровных более чувствителен к повышению температуры , чем тот же фермент теплокровных. Советский ученый П. Коржуев в 1936 г. нашел то же различие в свойствах трипсина. Позднее было исследовано, что белок мышцы актомиозин у кролика значительно более устойчив к действию высокой температуры, кофеина и других агент ов, чем тот же белок мышцы лягушки.

Степень устойчивости основных субстратов клетки (белков, нуклеиновых кислот, липидов) находится в зависимости и соответствии с температурными условиями обитания организмов.

Прежде чем рассматривать субстратные механизмы адаптации, необходимо остановиться на современных представлениях о структуре и свойствах протоплазмы клеток, от которых зависит степень ее устойчивости к повреждениям.

В протоплазме обнаруживается в качестве постоянных составных частей белки, вода, липиды (нейтральный жир, лецитин, холестерин), нуклеиновые кислоты, низкомолекулярные органические вещества (креатин, глюкоза), соли и.т.д.

Итак, считать протоплазму раствором белка нельзя. Что же она представляет собой - смесь или химическое соединение?

Протоплазму можно охарактеризовать как настоящее химическое соединение, только слабое, малоустойчивое, легко распадающееся потому, что оно образовано не атомами, не радикалами, но сложными уже частицами разнородных веществ - белков, лецитина, холестерина, солей и.т.д.

Главенствующую роль в протоплазме играют, бесспорно, белки. Их роль Данилевский обрисовал весьма образно: «Как инструменты, исполняющие главную модуляцию, суть основные части оркестра, так белки ведут главный мотив протоплазматической гармонии».

В период, к которому относятся высказывания Данилевского (1894 г.), химикам были хорошо знакомы взаимодействия веществ, в результате которых возникают соединения постоянного состава, стабилизированные прочными химическими связями. Однако уже тогда существовали наблюдения, не укладывающиеся в привычные представления и указывающие на существование каких-то других типов взаимодействий. Например, шерстяное волокно, опущенное в разбавленный раствор красителя, поглощает краситель, окрашивается и прочно удерживает краситель. Какова природа этого взаимодействия? Какие силы притягивают молекулы красителя к волокну и удерживают его на волокне?

Эти вопросы были впоследствии детально изучены, и была разработана теория, объясняющая механизм подобных реакций. Можно отметить следующее.При достаточном сближении частиц, молекул, атомов, ионов, а также разных участков одной и той же молекулы между ними могут возникать связи того или иного рода. Если частицы противоположно заряжены, связи возникают на основе электростатического взаимодействия.

В других случаях между частицами возникают водородные связи, основанные на свойстве маленького атома водорода проникать в электронные оболочки атомов азота, кислорода, фосфора и как бы стягивать между собой эти атомы. Еще большее значение имеет возникновение гидрофобных связей, когда сближаются неполярные, не растворимые в воде частицы, образующие структуры с наименьшей поверхностью соприкосновения с водой. Все эти связи носят общее название нековалентных связей. Их энергия в десятки раз слабее, чем энергия настоящих химических ( ковалентных) связей. Однако при контакте частиц чаще всего возникает связь не в одной, а в нескольких точках. Суммарная энергия образовавшихся связей значительна, и продукт взаимодействия оказывается достаточно устойчивым. Именно такова природа сил, обеспечивающих прочную связь красителя с волокном. Действием этих сил обусловлена и структура протоплазмы; белки в ней многоточечно связаны слабыми связями друг с другом, а также с липидами, нуклеиновыми кислотами, сахарами и.т.д.; в результате протоплазма представляет собой достаточно устойчивую структуру.

Правильной оказалась и другая мысль о том, что «белки ведут главный мотив протоплазматической гармонии». Действительно, в молекулярном механизме любого проявления жизнедеятельности клетки ведущую роль играют белки. Функции живой клетки многочисленны и многообразны; ей присущи двигательные реакции, дыхательная, пищеварительная, выделительная функции, синтез веществ, рост, деление и.т.д. Осуществление любой из этих функций обеспечивается ансамблем ферментативных реакций, а все ферменты белки. В каждой клетке высших животных содержится более 2 тысячи различных ферментов.

Как известно, по окончании процесса трансляции образовавшаяся белковая молекула входит в рибосомы в виде развернутой полипептидной цепочки. В такой конформации она существует недолго. Подвергаясь непрерывным толчкам окружающих молекул, она мало-помалу в разных участках закручивается в спираль, витки которой подчас подходят друг к другу настолько близко, что между СО- и NH-группами, расположенными на соседних витках, возникают водородные связи. Спиральная конформация существует также непродолжительное время. Она сгибается, сворачивается, укладывается; гидрофобные радикалы аминокислотных звеньев, выступающие наружу из разных участков полипептидной цепи, слипаются друг с другом и в итоге образуется трехмерное тело - глобула, архитектура которой для каждого белка специфична и постоянна. Во внутренней части («ядре») глобулы сосредоточены в неполярные радикалы, стянутые многочисленными гидрофобными связями. К наружи глобулы в водной среде обращены гидрофильные группы. Глобула не денатурированного белка, прошитая многочисленными водородными и гидрофобными связями, представляет собой достаточно устойчивое образование. Прочность такой белковой глобулы, как это должно быть понятно, обусловлена суммарной энергией стабилизирующих ее связей, а их локализация и число определяются аминокислотным составом белка и расположением аминокислот в полипептидной цепи. В белках, содержащих много аминокислот с углеводородными радикалами, суммарная энергия скрепляющих ее гидрофобных связей велика, и эти белки отличаются особенно высокой прочностью. Белки с малым числом углеводородных радикалов характеризуются меньшей устойчивостью; гидрофобных связей, цементирующих частицу, в них мало, уже небольшое по интенсивности воздействие может разорвать несколько связей, стабилизирующих глобулу, и она частично или полностью разворачивается, т.е. денатурируется. Наиболее устойчивые белки клетки выполняют в ней опорные и защитные функции. Наименее устойчивые несут сигнальную службу. Сигнальные белки вмонтированы в поверхностную мембрану клетки. Их называют рецепторными белками, так как они осуществляют рецепцию ( от лат. receptio - прием) сигналов, поступающих из внешней среды. В норме сигналами являются молекулы гормонов или метаболитов. Они передают из внешней среды в клетку команды, управляющие ее деятельностью. О необычайной лабильности рецепторных белков свидетельствует тот факт, что изменение их конформации происходит в результате присоединения к молекуле белка лишь одной молекулы гормона или ( метаболита).

Итак, структура протоплазмы и внутримолекулярная структура белков поддерживается в основном слабыми нековалентными связями. При воздействии на клетку повреждающих агентов происходит разрыв этого вида связей. Эффект зависит от силы воздействия; слабые воздействия приводят к разрыву малого числа связей, сильные индуцируют более массивные разрушения. Разрыв минимального числа связей может быть достаточным для перестройки конформации рецепторных белков, но он не затронет структуры более устойчивых белков. Самые сильные воздействия приводят к тотальному разрушению структуры протоплазмы и массовой денатурации белков.

Из этого следует, что устойчивость протоплазмы, а значит и клетки, к неблагоприятным воздействиям зависит от прочности связей между структурными компонентами клетки, от устойчивости образующих ее белков.

Каким же путем может быть достигнуто увеличение устойчивости структуры протоплазмы и белков?

Молекулярная биология располагает данными о следующих возможных механизмах адаптации клеток к неблагоприятным воздействиям;

Стабилизация протоплазмы может произойти в том случае, если в клетке образуются или поступят в нее извне частицы (молекулы, ионы), которые связываются с боковыми группами полипептидных цепей в белковых глобулах. Налипая на них, частицы утяжеляют молекулы белков и, тем самым, тормозят развертывание глобул.

Стабильность протоплазмы может увеличиться, если в клетке возникнут или поступят в нее извне частицы, способные образовывать связи одновременно с разными компонентами протоплазмы, т.е. способные, как скрепками, соединять молекулы белков, молекулы белков и липидов, белков и нуклеиновых кислот и.т.д . Стабильность увеличится и в том случае, если молекулярные « скрепки» соединят разные ветви цепей на поверхности глобул. В результате структура белков станет прочнее и процесс развертывания глобул будет заторможен.

Адаптация может быть достигнута также в результате частичного изменения аминокислотного состава белков. Если в полипептидной цепи белка увеличится число аминокислотных остатков с неполярными радикалами, то это приведет к увеличению числа гидрофобных взаимодействий, суммарная энергия их повысится и в результате увеличится стабильность глобулы и уменьшится чувствительность ее к внешним воздействиям.

4. Стабилизация протоплазмы может происходить и в случае потери клетками воды. В результате обезвоживания составные части протоплазмы сближаются, содержимое клетки уплотняется, между компонентами протоплазмы возникают дополнительные связи. Кроме того, «молекулярная теснота» механически препятствует развертыванию белковых глобул.

5. Стабилизация может быть достигнута, если в клетке образуются или поступят в нее извне субстанции, заполняющие пространство между компонентами протоплазмы, в результате чего возникнут механические препятствия для развертывания белковых глобул.

Утверждают, что в клетке, подвергшейся действию неблагоприятных факторов, реализуется большинство (если не все) из указанных путей увеличения стабильности белков и протоплазмы.

При сравнении аминокислотного состава белков клеток животных, обитающих в разных температурных зонах, изменений обнаружено не было, однако в клетках и белках животных - обитателей пустынь и полупустынь увеличено содержание углеводов, гликопептидов, свободных аминокислот. Эти вещества образуют связи с компонентами протоплазмы и устойчивость ее структуры повышается.

Установлено, что клетки млекопитающих, птиц, насекомых, высших растений, дрожжей, простейших и других организмов отвечают на воздействие жары, холода, гипоксии, спирта солей и других агентов активацией синтеза особых белков, названных стрессовыми, или шоковыми белками. Объем синтеза шоковых белков и их ассортимент зависят от объекта, природы и интенсивности действующего агента. Установлено также, что параллельно появлению и исчезновению шоковых белков происходит изменение устойчивости различных типов клеток, а если синтез этих белков подавлен, то устойчивость не увеличивается.

По - видимому шоковые белки образуют межмолекулярные связи с компонентами протоплазмы, что и приводит к возрастанию ее устойчивости.

Изменение содержания воды в клетке оказывает чрезвычайное влияние на ее устойчивость к неблагоприятным воздействиям. Клетки некоторых животных и растений приобрели удивительную способность после почти полной потери воды восстанавливать жизнедеятельность при появлении влаги. Среди растительных объектов это свойство особенно ярко выражено у некоторых мхов и лишайников.

Устойчивость живых систем к повреждающим воздействиям и ее механизмы - одна из актуальных проблем биологической науки. Изыскание условий, при которых может происходить повышение сопротивляемости клеток, является задачей большой практической важности. Легко себе представить, какое значение имело бы обнаружение эффективных адаптогенов, помогающих достигнуть адаптации клеток к недостатку кислорода, действию повышенной температуры, высокому и низкому давлению, радиации и.т.д.

Открытие таких средств имело бы решающее значение для предупреждения болезней, расширения диапазона условий жизни людей, животных, растений.

адаптация клетка протоплазма

Литература

Лоприенко Н. Молекулярные основы генетических процессов. М.: Наука, 1981.

Александров В.Я. Клетки, макромолекулы и температура, Л.: Наука, 1975.

Александров В.Я. Реактивность клеток и белки. Л.: Наука, 1985.

Данилевский А.Я. Основное вещество протоплазмы и его видоизменение жизнью.1984.

Размещено на Allbest.ru