4. Системы репарации генетического аппарата

Любое химическое вещество при попадании в организм проходит через ряд барьеров (кожа, слизистые оболочки, печень, альвеолярный эпителий легких и т.д.). Если эти барьеры преодолены, то химический агент попадает в плазму крови и связывается с белками. При этом устанавливается равновесие: агент + белок ↔ [агент/белок]. Связывающие специфические и неспецифические белки защищают поступившее вещество от разрушения и транспортируют его в различные органы. Любое более или менее сложное вещество рано или поздно захватывается макрофагами и подвергается процессингу: гидролизу, окислению и другим химическим превращениям. Процессинг представляет собой первый этап детоксикации.

На первом этапе детоксикации поступившее вещество превращается в более токсичные, химически активные вещества. Например, бенз-а-пирен из табачного дыма окисляется альвеолярными макрофагами до химически активных ароматических кислот; этиловый спирт окисляется макрофагами печени (купферовыми клетками) до уксусного альдегида и т.д. Продукты первого этапа детоксикации могут также связываться с белками (антителами и другими специализированными и неспециализированными белками). Это связывание может быть необратимым (например, комплексы тяжелых металлов и белков включаются в состав клеточных стенок растений и грибов) и обратимым, временным. В большинстве случаев наступает второй этап детоксикации: высокоактивные продукты первого этапа окончательно окисляются до безвредных для организма веществ.

Первый и второй этапы детоксикации осуществляются системами детоксикации, в состав которых входят специализированные ферменты. Если второй этап детоксикации протекает медленнее, чем первый (т.е. является лимитирующей стадией), то происходит накопление высокоактивных промежуточных продуктов, они различными способами проникают в самые разнообразные клетки. Здесь они взаимодействуют с внутриклеточными структурами, а, в конце концов, и с ядерной ДНК.

Повреждения ДНК могут быть самыми разнообразными: дезаминирование оснований нитритами, их окисление, метилирование, замена оснований, разрывы ДНК. В подавляющем большинстве случаев эти повреждения обратимы. Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы).

Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина); метильная группа может просто отщепляться; однонитевые разрывы сшиваются. В некоторых случаях действуют более сложные, малоизученные системы репарации, например, при повреждении обеих нитей ДНК.

Однако при очень высокой концентрации высокоактивных продуктов первого этапа детоксикации повреждения ДНК могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации.

Некоторые вещества, проникающие в клетки через мембраны, в природе не встречаются, их не распознают ферменты систем детоксикации. Эти вещества беспрепятственно минуют оба этапа детоксикации, проникают в ядро и вызывают повреждения ДНК. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-N-нитрозомочевина). Супермутагены применяются в селекции растений для получения индуцированных мутаций; их используют также как стимуляторы роста (в сверхмалых концентрациях).

Для защиты клеток от необратимых повреждений разработаны разнообразные методы. Известно, что воздействие малых доз чужеродных агентов вызывает активизацию систем детоксикации и репарации, иначе говоря, возможна специфическая или неспецифическая закалка клеток. Если подавить работу ферментов первого этапа детоксикации, то снижается концентрация продуктов этого этапа. Системы второго этапа успевают их окончательно окислить или связать. Кроме того, существует ряд веществ – антиоксидантов, связывающих продукты первого этапа детоксикации.