Проблема митогенетического излучения как аспект молекулярной биологии

П р и м е ч а н и е . Цифры выражают среднее из нескольких опытов.

ею поглощается весь короткий ультрафиолет, прибли-

Рис. 14. Спектры поглощения эквимолярных растворов (А. Г. Гурвич, Л. Д. Гурвич, 1959).

1 — салициловая кислота; 2 — ацетилсалициловая кислота; 3 — вода.

пигменты, суммируя с некоторыми потерями энергию двух фотонов видимого света до уровня ультрафиолетового фотона, предоставляют таким образом растению компактные пакеты высокой энергии, которые утилизируются на синтетические процессы, то такой селективный гаситель, как салициловая кислота, должен являться ингибитором этих процессов специально в зеленых растениях.

Действительно, как хорошо известно, хлорофилл (если отвлечься от некоторых различий в его поглощающей способности в клетке и в растворе) поглощает в основном красную и фиолетовую области спектра, максимумы которых характеризуются приблизительно 4600 и 6400Å. Удвоенная энергия фотонов этих областей соответствует по длинам волн приблизительно

61

2300 и 3200Å. Это как раз области максимального поглощения салициловой кислоты

Вместе с тем, салициловая кислота должна значительно меньше тормозить синтез пептидов у растений, обладающих преимущественно красными или краснофиолетовыми пигментами. Действительно, область поглощения фикоэритрина, который мы берем в качестве хорошо изученного представителя этого типа пигментов, лежит между 4700 и 6000 Å (зеленая часть спектра). Фотоны удвоенной энергии соответствуют приблизительно области 2650Å ультрафиолетового спектра, для которой салициловая кислота значительно более прозрачна.

Другими словами, внутренний митогенетический режим зеленых растений должен быть сильно понижен при введении салициловой кислоты, в то время как у красных растений интенсивность его должна сохраниться приблизительно на прежнем уровне.

Предварительно были изучены спектры излучения листьев примулы и красно-фиолетового растения перилла, пигментированного, по-видимому, антоцианом при одинаковом освещении их видимой частью спектра.

Кривые распределения интенсивности по спектру имеют у обоих растений ясные максимумы и минимумы. Сопоставление их с литературными данными, характеризующими поглощение обоих пигментов в листьях, представляет большой интерес, так как оно еще раз ясно указывает на суммационный механизм возникновения митогенетического излучения. Двугорбая кривая излучения листа примулы полностью соответствует двугорбой кривой поглощения хлорофилла с учетом

ницах видимой области. Менее строгое соответствие у листа периллы обусловлено вторым максимумом излучения в более коротковолновой области, что не наблюдается в кривой поглощения (рис. 15). Однако это не нарушает принципиального значения наблюдаемых фактов.

После этих предварительных данных были проведены опыты по спектральному изучению концевых групп пептидов листьев примулы и периллы, через 15—20 ч после погружения их черешков в слабые (10-6) раство-

62

ры салициловой кислоты. Во время всего опыта листья освещались отфильтрованным от ультрафиолетовой части спектра светом электрической лампочки средней интенсивности. Часть соответствующих контрольных листьев, находящихся в воде, освещалась, часть была помещена в темноту (табл. 9).

Мы видим, что судя по количеству концевых групп пептидов, салициловая кислота действительно тормозит

Рис. 16. Спектральное распределение интенсивности митогенетического излучения листьев примулы и периллы при их освещении видимым светом (а) и кривые поглощения растительных пигментов в видимой области (б) (E. Рабинович, 1959).

1 — примула; 2 — перилла, 3— хлорофилл в листьях; 4 — фикоэритрин. По оси ординат — коэффициент поглощения в условных единицах.

синтез пептидов в зеленых листьях, не оказывая сколь- ко-нибудь заметного действия на этот процесс в крас-

ных листьях1.

В противоположность этому другое органическое соединение — фурфурол, поглощающее почти одинаково всю ультрафиолетовую область, оказывает тормозящее действие на процесс синтеза и в зеленых, и в красных листьях.

Мы привели, таким образом, различные данные, говорящие в пользу того, что энергия фотонов видимого света суммируется в энергию митогенетического излучения, за счет которой идут процессы синтеза, во

1 В связи с этими результатами вопрос о токсичности салициловой кислоты полностью отпадает.

63

Т А Б Л И Ц А 9

Полосы концевых групп пептидов в излучении листьев при различных условиях освещения и введения салициловой кислоты

П р и м е ч а н и е . Приводятся средние данные из нескольких очытов.

всяком случае синтез пептидов. Представлялось, однако, вероятным, что последствия митогенетического режима в листе не исчерпываются этим. В субстрате клеток должны находиться в известной концентрации свободные радикалы. Это следует и из общих соображений, так как мы знаем, что энергия ультрафиолетовых фо-

В ряде работ описываются следующие очень интересные факты: яркое освещение листа видимым светом приводит к возникновению свободных радикалов (Commoner a. others, 1954). Слабая флуоресценция листа и хлорофилла, возникающая при определенных условиях

64

в видимой области лежат процессы, протекающие при участии свободных радикалов (Colli, Facchini e Rossi, 1954).

Одно из возможных и наиболее естественных предположений, объединяющих митогенетические данные с только что изложенными фактами, заключается в том, что радикалы возникают не непосредственно в результате поглощения молекулами энергии видимого света, а вследствие поглощения ультрафиолетовых фотонов, возникших за счет суммации видимых квантов.

Дальнейшие эксперименты обосновывают это предположение. Было показано, что длительное (30—40 мин) яркое освещение листа примулы или взвеси хлоропластов вызывает последующее (при помещении объекта в темноту) излучение, содержащее не только видимую слагаемую, наблюдавшуюся Strehler, но и ультрафиолетовую компоненту. Пороговые экспозиции, необходимые для обнаружения излучения, были очень короткими, т. е. излучение можно рассматривать как очень интенсивное (на митогенетическии масштаб) (табл. 10) Спектральное обнаружение свободных радикалов представлялось на основании этих данных возможным.

Т А Б Л И Ц А 10

Последующее излучение листьев и взвеси хлоропластов

(через 10 мин после помещения в темноту)

скольких опытов.

Отдельные полосы, типичные для свободной карбонильной группы, свободной аминогруппы и свободного

гидроксила, были действительно обнаружены при аналогичных условиях опыта (табл. 11).

ТАБЛИЦА П

Полосы свободных радикалов в последующем излучении листьев примулы

{через 10 мин после помещения в темноту)

Эффект излучения радикалов в %

Экспозиция

в секундах

- О Н

На основании этих результатов была сделана попытка проверить, действительно ли радикалы возникают как вторичное явление, т. е. в результате поглощения молекулами ультрафиолетовых фотонов, энергия которых суммируется за счет энергии видимой части спектра.

К взвеси хлоропластов прибавлялся в небольшой концентрации один из сильных гасителей митогенетического излучения — фурфурол. Прибавление производилось после 30 мин яркого освещения хлорофилла или до его освещения. Если возникновение свободных радикалов связано с поглощением энергии ультрафиолетовых фотонов, то спектры радикалов могли быть обнаружены при освещении хлорофилла до п р и б а в л е - ния фурфурола, так как только в этом случае могло возникнуть митогенетическое излучение. В этих опытах применялся спектральный анализ селективного рассеяния, которое, вследствие несколько большей интенсивности, можно обнаружить и в присутствии гасителей (табл. 12).

Результаты, таким образом, с достаточной степенью достоверности говорят о том, что радикалы, во всяком случае в статистически преобладающем количестве, возникают в результате поглощения молекулами ультрафиолетового (митогенетического) излучения.

66

ТАБЛИЦА 12*

Свободные радикалы в спектре излучения хлоропластов после 30 мин освещения

• Цифры выражают среанее из нескольких опытов.

Другими словами, возможен следующий более общий вывод: митогенетическое излучение, возникающее за счет суммации энергии видимого света, является тем энергетическим фактором, который, с одной стороны, дает непосредственный старт процессам поликонденсации (синтезу пептидов), с другой стороны, способствует возникновению свободных радикалов. Рекомбинации радикало^ или присоединение их к другим функциональным группам могут в свою очередь давать непосредственную энергию для формирования пептидов (взгляд, который все более широко принимается в литературе) и, кроме того, могут продуцировать новые фотоны митогенетического излучения. Другими словами, является очень вероятным, что освещение вызывает в растениях сопряженные реакции, исходный старт которым дается митогенетическим излучением.

Очевидно, что процессы синтеза, особенно синтеза пептидов и белков, лежат в основе роста, поставляя необходимый пластический материал, поэтому представлялось вероятным, что при длительном воздействии гасителя будет наблюдаться заметное торможение роста молодого проростка.

Опыты проводились на проростках гороха и бобов. Исходное предположение было при этом следующим1, поступающие в семядоли соединения — продукты первичных синтезов — подвергаются интенсивному ферментативному гидролизу и в виде низкомолекулярных

соединений достигают мест назначения, т. е. закладок стеблей, листьев и т. д., где происходит снова усиленный синтез. Участие фотонов митогенетического излучения мы связываем именно с этими вторичными очагами синтезов. Другими словами, можно было пред-

положить, что общий рост будет главным образом замедлен за счет заторможенного вытяжения междоузлий стеблей, кроме того, вероятна была закладка листьев меньших размеров.

уменьшены в размерах. Характер результатов тоже говорит таким образом против токсического действия гасителей.

Сдвиг лактам-лактимного равновесия в лактимную сторону. Такая перестройка, носящая даже частичный характер, очень важна с двух точек зрения: характерная для лактимной формы двойная связь между угле-

1 Салициловая кислота и фурфурол относятся к сильным гасителям, ацетилсалициловая кислота относится к значительно более слабым гасителям.

68

родом и азотом R—C = N—R делает эту группировку реакционноспособной, кроме того, между пептидными цепями, находящимися в лактимном состоянии, вероятность возникновения водородных связей меньше, чем у цепей, обладающих обычной лактамной формой пептидных связей. Это последнее определяет и меньшую вероятность возникновения двух и трехмерных решеток, т. е. способствует большей независимости цепей, другими словами их большей мобильности. Биологически такой характер пептидов является очень важным, соответствуя динамическим состояниям субстрата живых систем. Более подробно мы остановимся на этом вопросе в главе о клеточном делении. Спектральным методом при митогенетическом облучении печени живой мыши было показано временное, т. е. обратимое, возникновение полос, характерных для двойной связи между углеродом и азотом R—C = N—R, и ослабление полос, характеризующих лактамную форму пептидной связи R—C = O (E. А. Терновская, 1959).

Возможность процессов синтетического самовоспроизведения в живых системах

Рассматривая явление аутокатализа как принципиально важное, А. Г. Гурвич ставил вопрос о том, могут ли биологические синтезы совершаться путем аутокатализа.

Мы знаем, что в модельных опытах аутокатализ протекает успешно при соотношении концентраций аутокатализирующего вещества (матрицы) и аминокислоты (донора), за счет которой строится более сложная молекула, приблизительно 1:500 или 1:1000. Очевидно, что такое соотношение явно не соответствует тем, которые существуют в живых системах. Нужно поэтому рассмотреть возможные, благоприятствующие аутокатализу условия, которые реализуются именно в живых системах.

Можно представить, что наиболее существенным может быть значительная степень упорядоченности молекулярного субстрата живых систем, которую мы будем всесторонне рассматривать в дальнейшем изложении. Вполне возможно, например, что аутокатализируемые

69