Проблема митогенетического излучения как аспект молекулярной биологии

Следует отметить, что те крайне немногочисленные митозы, которые сохраняются после длительного воздействия фурфурола, находятся в состоянии полной дегенерации или вернее инволюции. Наблюдаемая в ряде случаев обратимость длительного воздействия фурфурола делает очень вероятным, что угнетение митозов после 12 ч пребывания в нем является результатом нетоксического действия, а именно подавления излучения.

Результаты, полученные с применением ракового тушителя, дали несколько менее резкие, но все же очень ясные результаты (M. А. Владимирская, 1945).

Результаты двух наиболее ясных серий, полученных на двух луковицах, приведены в табл. 31.

Интересно отметить, что длительное воздействие тушителей и гасителей на корешки приводит, помимо угнетения митозов, к еще одному последствию, возникновение которого можно связать с изменением лучевого режима объектов. Уже после 12 ч пребывания корешков в фурфуроле (несколько менее выражено в тушителе) большинство даже молодых меристемных клеток, запол-

Аналогичная картина наблюдается в переживающих корешках бобовых, отрезанных от семядоль; митозы в таких корешках замирают обычно в течение первых суток. И в том и в другом случае такую вакуолизацию естественнее всего объяснить голоданием клеток, потребляющих много пластических материалов при повторных

180

делениях. О стимуляции синтеза пептидов митогенетическим излучением мы говорили выше, разбирая результаты модельных опытов и данные, получаемые на биологических системах. При применении тушителя и гасителей вакуолизация обратима, т. е. исчезает при последующем переносе корешков в воду.

Угнетающее действие тушителя и гасителей на размножение и рост наблюдалось и в ряде других, еще не законченных исследований. Раковый тушитель и фурфурол вызывали угнетение размножения парамеций и прорастания плесеней (E. С. Биллиг, 1945). В ряде случаев получено резкое отставание роста в культурах тканей (Б. С. Песоченский, 1945). Аналогичное явление, т. е. замедление, а в нескольких случаях приостановка развития, наблюдалось при развитии яиц амфибий (С. Я. Залкинд, 1945).

Из совокупности изложенных результатов вытекают следующие выводы. Известный лучевой режим нужен на всех стадиях жизненного цикла клеток меристем. Подавление излучения ведет и к приостановке процессов, подготавливающих клетку к делению, и к торможению самого процесса деления. Вместе с тем, как следует из данных, полученных на дрожжевых клетках (С. Я. Залкинд, 1937), нет необходимости в непрерывном поступлении фотонов достаточно короткого облучения, чтобы вызвать на значительно большее время восстановление делений в культуре дрожжей, размножение которой было подавлено тушителем.

Излучению придается решающее значение в процессе деления; вместе с тем, как мы знаем из энергетики излучения, некоторые ферментативные процессы излучают только при активации видимым светом. Вполне возможно поэтому, что естественная для ряда биологических меристем темнота (корешки растений, очаги делений внутренних органов) обуславливает более бедный спектральный состав внутреннего митогенетического режима этих систем, который, возможно, исчерпывается почти исключительно спектром, связанным с процессом гликолиза, нуждающимся для излучения только в наличии кислорода. Это предположение было проверено экспериментально на таких системах, как кровь, раковая ткань, метаболирующие культуры дрожжей, в которых интенсивно представлены процессы гликолиза.

181

Излучение этих систем обнаруживается с полной ясностью и в темноте. Кроме того, нужно считаться с возможностью непрерывного слабого деградационного излучения. Кумуляция энергии происходит, по-видимому, в молекулярно упорядоченных системах непрерывно и часть энергии может, при непрерывных нарушениях статистически небольшого количества констелляций, непрерывно же высвечиваться.

Из всего сказанного вытекает, что едва ли оправданным является резкое разделение механизма подготовки клетки к делению и самого акта деления. Излучение дает старт молекулярным процессам в различные фазы процесса деления. Вместе с тем, остается в полной силе следующее положение: если данная клетка под воздействием всех необходимых факторов, включая и излучение, полностью подготовлена к делению, но дальнейший проток фотонов прекращается, то деление не наступит.

Дальнейшие этапы анализа были связаны:

1)со сравнительным изучением, главным образом путем применения спектрального анализа излучения, состояний протоплазмы меристемных клеток и клеток, потерявших способность к делению, т. е. дифференцировавшихся Именно путем такого противопоставления можно было рассчитывать на достаточно ясное выявление различий;

2)с изучением механизма действия фотонов митогенетического излучения.

СОСТОЯНИЯ ПРОТОПЛАЗМЫ ДЕЛЯЩИХСЯ КЛЕТОК И ПОТЕРЯВШИХ СПОСОБНОСТЬ К ДЕЛЕНИЯМ

Митогенетический анализ позволяет охарактеризовать состояния микроструктур или, в более общей форме, стерические и связанные с ними энергетические состояния. Критерии установления стерических закономерностей заключается в следующем.

Спектральным анализом дается относительная оценка количества концевых групп пептидов, т. е. составляется суждение о степени дисперсности (укрупненности) пептидного субстрата. Таким же путем определялся сдвиг равновесия в сторону лактамной или лактимной формы пептидной связи.

182

что при процессе гелеобразования, т. е. возникновении двух и трехмерных молекулярных комплексов, спектральные полосы селективного рассеяния, характеризующие отдельные функциональные группы, расширяются. С этой точки зрения H. С. Славиной были изучены как функциональная группа, входящая в главную пептидную цепь

Рис. 30 Спектры фенильной группы в желатине (А. Г. Гурвич, Л. Д. Гурвич, 1959).

а — в золе; б — в геле

R—C=O, так и группа боковой цепи R—С6Н5, принадлежащая фенилаланину.

Полосы этих групп, шириной приблизительно в 10 Å, расширялись при гелеобразовании примерно до 30 Å (рис. 30). Аналогично этому на живых объектах исследовались полосы, соответствующие группе R—C=O, входящей в основную цепь, и оксифенильная группа

184

этом были выбраны системы, которые можно было исследовать как в состоянии интенсивного размножения, так и после перехода в стадию дифференцировки.

Культура дрожжей в жидкой питательной среде.

Спектральному анализу подвергалась 18-часовая интенсивно делящаяся культура и 72-часовая культура, в которой деления уже заканчивались. Приводятся средние величины большой серии опытов (табл. 32, 33, 34).

Т А Б Л И Ц А 3 4

Спектр селективного рассеяния концевых групп пептидов в культурах дрожжей

Мы видим из этих данных узость основных полос карбонильной группы и тирозина в молодых делящихся культурах и некоторое расширение их в неделящихся клетках.

На дрожжевых клетках исследовалась также степень дисперсности белкового и пептидного субстрата при различных физиологических расстояниях.

В молодых культурах отмечается значительная степень дисперсности белкового субстрата, в старых — несомненное удлинение цепей.

Эпителий хвостового плавника тритона. Как известно, эпителий хвостового плавника тритона представляет однородную многослойную ткань без железистых включений. Исследовалось излучение личинок и развившихся

185

1ритонов, другими словами, спектральному анализу подвергалось излучение одного и того же животного на различных стадиях развития (табл. 35, 36, 37).

Т А Б Л И Ц А

Спектр селективного рассеяния функциональной группы R-C6H4OH в покровном эпителии тритона

бых связей между пептидными цепями и укорочение цепей у личинок и в противоположность этому возникновение двух- и трехмерных комплексов из удлиненных пептидных цепей у взрослых организмов, т. е. в делящихся системах наблюдается ясный сдвиг структурных закономерностей белкового субстрата клетки в сторону его большей мобильности

В связи со всем сказанным приобретает особенный интерес вопрос об энергетическом состоянии меристемных, т. е. делящихся систем и систем дифференцирующихся клеток Мы подходим к нему с другой точки зрения, чем в большинстве биохимических и биологических представлений, т. е. анализируем значение высоких

186

ТАБЛИЦА 37

Спектр селективного рассеяния концевых групп пептидов

в покровном эпителии тритона

* Мы рассматриваем эти полосы как не характерные для группы R - N H 2 , а кач результат накладывания полос других групп. К этому заключению нас побуждает исчезновение полос R - O H v выросшего животного.

энергетических потенциалов, а не только небольших энергетических депо в виде макроэргических соединений. Данные, приведенные в главе о физиологической теории протоплазмы, давали ясное представление о неравновесном возбужденном состоянии субстрата клеток различных органов и тканей, о котором мы судили по наличию деградационного излучения.

Тем больший интерес представляло выяснение этого вопроса в меристемных тканях Во всех исследованных с этой точки зрения объектах обратимое охлаждение вызывало деградационное излучение и, так как в большинстве из них длительность интеркинеза значительно превышает длительность самого деления, то высокое энергетическое состояние можно в основном отнести именно к интерфазе в целом, не дифференцируя пока, к каким именно стадиям.

Этот факт позволяет поставить вопрос о том, не связана ли премитотическая вспышка излучения с разрядкой этого высокого потенциала. Можно, например, представить, что сдвиги окислительного метаболизма, относительно интенсивности которого в премиготическом состоянии нет, по-видимому, установившейся точки зрения, могут привести к перестройке неравновесной упорядоченности, связанной с ее частичным нарушением

В следующей главе, посвященной биологии раковой клетки, мы еще раз вернемся к вопросу об энергетическом потенциале неравновесного субстрата.

187

МЕХАНИЗМ СТИМУЛИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ МИТОГЕНЕТИЧЕСКИХ ФОТОНОВ В ПРОЦЕССЕ КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ

Нужно подчеркнуть, что биологические детекторы реагируют на облучение повышением размножения без выраженной селективности, отличаясь этим от более элементарных митогенетических реакций, например от вторичного излучения. Большим количеством данных было показано, что эффективность действия повышается в коротковолновой области спектра и падает в длинноволновой, но что несомненное значение имеет и степень поглощения ультрафиолетовой части спектра белками субстрата. При применении сильно ослабленного, постоянного по интенсивности физического источника ультрафиолетового излучения, было установлено, что эффективность действия на биологический детектор выше в области максимального поглощения белков (2800 Å) и ниже, в лежащей рядом, но менее поглощаемой области (2500 Å) (В. Ф. Еремеев, 1940) Эти данные однозначно показали, что величина фотона сама по себе не играет решающей роли. Вместе с тем, митогенетическое, т. е. стимулирующее деление действие обрывается, как говорилось раньше, приблизительно у 2700 Å при условии полной темноты и у 3250—60 Å при дополнительной подсветке детектора невысокими по энергии фотонами (А. Г. Гурвич, Л. Д. Гурвич, 1945).

Приведем отдельные опыты, показывающие зависимость митогенетического эффекта от добавочного освещения объекта (табл. 38).

Сравнение этих результатов с теми, которые были получены при изучении синтеза пептидов из аминокислот, показывает на идентичность энергетических условий В обоих случаях необходимым при этом является добавочная энергия не меньше 18 ккал (инфракрасный свет). Без добавочного освещения граница эффективного действия ультрафиолетового спектра сдвигается в более коротковолновую область — 2700—2800 Å, соответствуя фотонам с энергией в 105—110 ккал/моль. Это поразительное совпадение энергетических условий приводит к следующему выводу: стимулирующее действие митогенетического излучения основано в значительной степени на возникновении усиленного пептид-

188

Т А Б Л И Ц А 38

Облучение дрожжевой культуры и эпителия роговицы длинноволновой областью митогенетического излучения

ного синтеза. Такая формулировка несколько разочаровывает своей ограниченностью, но, вместе с тем, уже с самого начала изучения механизма митогенетического эффекта было ясно, что элементарный физический фактор — ультрафиолетовые фотоны — может иметь в этом основном и сложном жизненном процессе какое-то ограниченное и простое, но вместе с тем важное, даже решающее, значение. Оценка фотона как стартового фактора или, если употреблять общепринятое выражение, как спускного механизма является, таким образом, полностью адекватной, так как поглощенный фотон влечет за собой развитие цепного процесса, в данном случае процесса синтеза.

Вместе с тем, из данных Г. X. Шуб и H. С. Славиной следует, что пептидный синтез в меристемных клетках идет по своеобразному пути. Преобладает лактимная форма пептидной связи, и это является очень существенным. Известно, что вероятность возникновения водородной связи между пептидными цепями несколько меньше при лактимной, чем при лактамной форме, а это последнее обуславливает большую мобильность пептидного субстрата. Действительно, практическое отсутствие в делящихся тканях двух- и трехмерных бел-

189