Солнечный луч

Но в естественных условиях существования жизни на Земле лучи с такой длиной волны и энергией квантов отсутствуют. Поэтому природный механизм фотореактивации сформировался с учетом использования имеющейся лучистой энергии — видимого и длинноволнового ультрафиолетового света. А чтобы этот механизм был достаточно эффективным, природа создала специальный фотореактивирующий фермент.

Чудо-ферменты

При знакомстве с явлением живого свечения — биолюминесценции — выяснилось, что высокий коэффициент ее полезного действия обязан участию специализированного фермента люциферазы. Когда же хемилюминесценция тканей совершается без участия фермента, ее эффективность, квантовый выход, снижается в миллионы раз.

Фотореактивация — ферментативный процесс, и благодаря этому димеры тимина, возникшие при ультрафиолетовом поражении живых клеток, устраняются почти полностью. Для того чтобы процесс восстановления достиг максимального выражения, наряду с избытком реактивирующего света необходимо еще и время. Дело в том, что процесс внутриклеточного восстановления совершается в период между клеточными делениями, во время так называемой интерфазы. Наступление митоза (клеточного деления) прерывает процесс восстановления, и не ликвидированные еще повреждения становятся необратимыми. Поэтому всякого рода задержки деления (вызванные, например, понижением температуры, недостаточным питанием и т. п.) облегчают деятельность фермента фотореактивации, делают ее более продуктивной.

Если облучить культуру бактерий или колонию инфузорий бактерицидным ультрафиолетом в дозе, вызывающей гибель практически всех клеток, то после выставления облученной колонии на рассеянный дневной свет выживает от 35 до 70, а иногда и до 90% пострадавших клеток. Такова мощь этого чудо-фермента! Детали его работы еще не вполне изучены. Сравнительно недавно американскому биохимику К. С. Руперту удалось выделить его из дрожжей. Он получен в чистом виде, но его структура и, в частности, устройство хромофора, улавливающего видимый свет, пока не установлены; известно, что максимум поглощения им света лежит у 2800 А. Вероятнее всего, фермент представляет собой флавопротеид. Восстановление поврежденной ультрафиолетом нуклеиновой кислоты совершается в два этапа. Сначала фермент, двигающийся вдоль двойной цепи ДНК, обнаруживает дефект — димер тимина и присоединяется к нему своим активным центром. Энергия видимого света, поглощенная хромофорной группой, используется для того, чтобы отделить фермент от отремонтированного участка ДНК, после чего можно заняться следующим димером. Производство фотореактивирующего фермента «запрограммировано» в генетическом аппарате клетки, где имеется специальный ген, обозначаемый латинскими буквами UVR. Потеря или отсутствие этого гена означает утрату способности к фотореактивации.

Почему же чудо-фермент не справляется со своей благородной задачей на 100%? Для этого есть несколько причин. Прежде всего ультрафиолетовые лучи вызывают появление не только димеров, но и других, не фотореактивируемых типов повреждений (окисление и разрушение отдельных оснований, разрывы цепи и т. п.). Во-вторых, для ремонта части димеров может не хватить времени — наступление митоза прерывает работу фермента.

Значит, полного восстановления и не может быть? Нет, такой вывод был бы преждевременным. Дело в том, что фотореактивация — не единственный механизм ремонта поврежденной ДНК. Эти повреждения могут возникать не только при воздействии ультрафиолетовых лучей. Ионизирующая радиация и различные химические вещества — мутагены способны вызвать разнообразные поломки, изменения, нарушения структуры ДНК. Димеры тимина — лишь один из возможных видов повреждений. Поскольку для ультрафиолета их образование имеет главное значение, постольку фотореактивация — специализированный механизм восстановления — направлена именно против димеров.

Но наряду с этим тонким механизмом в тканях животных (в том числе и лишенных фермента фотореактивации) существует более общий, всеобъемлющий механизм восстановления, Поскольку он не нуждается в свете для своей работы, его называют механизмом темновой репарации. В связи с необходимостью устранять разнообразные дефекты структуры ДНК этот механизм несравненно более сложен: он складывается из содружественной взаимосвязанной работы нескольких ферментов. В процессе темновой репарации димеры (и другие нарушения структуры ДНК) не расщепляются, а удаляются из ДНК. Процесс этот совершается в несколько этапов.

Сначала специальный фермент — он носит название эндонуклеазы — отыскивает поврежденный участок в одной из нитей ДНК и надрезает нить. Следующий фермент — вырезающая нуклеаза или экзонуклеаза — удаляет из молекулы ДНК не только поврежденное звено, например димер тимина. Как заправский хирург, фермент удаляет повреждение «с запасом», оперирует «в пределах здоровых тканей». В итоге его деятельности образуется дефект структуры ДНК, брешь в одной из нитей, достигающая более или менее значительных размеров.