2.1. Повреждения структуры днк

Сочетание кислотных и основных функциональных групп в молекуле ДНК делает её достаточно чувствительной к рН среды и к присутствию в ней катионов металлов. Так, например, двухнитевая спираль устойчива только в среде с определённым содержанием ионов натрия и калия в доста-точно узком интервале значений рН. В то же время ионы переходных ме-таллов легко образуют комплексы с азотными функциями гетероцикли-ческих фрагментов молекулы ДНК, и поэтому они могут серьёзно влиять на процессы репликации и транскрипции. Ионы металлов могут образо-вывать комплексы с ДНК как с участием воды (в гидратированной форме), так и без неё. Понятно, что включение в структуру ДНК дополнительных компонент нарушает естественный ход считывания информации с этой макромолекулы, что ведёт к мутациям, т.е. к изменению исходной струк-туры образовавшейся в результате репликации ДНК. В многоклеточном организме это может привести к появлению аномальных клеток, что лежит в основе тератогенного (отклонения в развитии плода) или онкогенного (возникновение злокачественных опухолей) эффекта ионов тяжёлых ме-таллов. В частности, установлено, что в присутствии повышенных кон-центраций ионов меди и марганца резко возрастает число мутантных кле-ток бактерий. Установлена канцерогенность солей хрома и никеля, токсич-ны соли кадмия, ртути, серебра, висмута. В отдельных случаях бактерии-цидные свойства таких солей (особенно серебра) используются для борьбы с патогенными микроорганизмами, хотя, конечно, токсическое действие этих металлов не ограничивается только нуклеиновыми кислотами.

В полимерной молекуле ДНК, которая предназначена для длительного хранения информации, нет свободных гидроксильных групп. В отличие от этого молекула РНК достаточно легко деполимеризуется за счёт переэте-рификации с образованием циклического фосфата:

И всё же, ионы меди, ртути, кадмия даже в очень низких концентра-циях приводят к появлению разрывов в цепях ДНК за счёт гидролиза. Ещё более серьёзные повреждения молекул наследственного вещества вызыва-ются совместным действием ионов таких металлов и ионизирующего (или коротковолнового электромагнитного) излучения. Это особенно важно в связи с растущим загрязнением окружающей среды тяжёлыми металлами на фоне радиоактивного заражения и возрастающей интенсивности ультра-фиолетового излучения в результате разрушения озонового слоя. Свой вклад в этот процесс вносят и высокочастотные излучения различного про-исхождения (радиоволны дециметрового и более коротковолновых диапа-зонов, спутниковые и сотовые телефоны).

Постоянные повреждения структуры ДНК вызывает ультрафиолето-вое и рентгеновское излучение, а также другие виды радиации. Известно, например, что УФ-излучение вызывает димеризацию расположенных ря-дом тиминовых фрагментов в молекуле ДНК. Такое связывание приводит к изменению расстояния между основаниями и к сбою в рамке считы-вания:

Природа готова к такому повреждению структуры ДНК: специальная ферментная система обнаруживает участки со связанными тиминовыми молекулами и вырезает их, вставляя «исправные». Если эта ферментная система дефектна (наследственное заболевание), то это проявляется в виде болезни – ксеродермии, которая заставляет больных избегать солнечного света, иначе очень сильно сохнет на свету кожа и появляются злокачест-венные опухоли на коже.

В малой степени, но всё же идёт гидролиз образующихся в таутомер-ном превращении иминных функциональных групп в фрагментах цитозина и гуанина, в результате чего эти фрагменты превращаются, соответст-венно, в урациловый и ксантиновый. Замена цитозина на урацил также распознается репарирующей ферментной системой (именно поэтому в молекуле ДНК роль урацила выполняет тимин). Если бы возможность та-кого распознавания была исключена, то урацил, образовавшийся из цито-зина, оказался бы в аномальной паре с гуанином и тогда репарирующая система встала бы перед неразрешимым вопросом: что надо заменить – урацил на цитозин или гуанин на аденин? Именно для таких исправлений возможных ошибок и служит вторая комплементарная нить ДНК. Кодиру-ющая и комплементарная нити взаимно контролируют друг друга. Воз-можность саморепарации показана в опыте с культурой дрожжей: после облучения летальной для них дозой радиации некоторые дрожжевые клет-ки могут восстановить жизнеспособность, если их на несколько дней поместить в холодильник.

К химическим мутагенам относятся:

- дезаминирующие вещества и N-нитрозопроизводные,

- алкилаторы (диметилсульфат, метилиодид, метилбромид, бензил-хлорид, азотистый и сернистый иприт, соединения с активиро-ванными двойными связями и т.д.),

- структурные аналоги азотистых оснований и нуклеозидов.

На параметаболический процесс (химическое превращение без учас-тия ферментов) гидролиза лактимной формы цитозинового, аденинового или гуанинового фрагментов может накладываться действие азотистой кислоты, образующейся, например, из нитратных удобрений или из добав-ляемых в мясные продукты нитратов и нитритов:

Пока число таких мутаций не превышает возможности их репарации ферментными системами, контролирующими соответствие кодирующей и комплементарной нитей ДНК, отрицательные последствия минимальны. Если же ДНК с дезаминированными фрагментами включается в процесс транскрипции, то это приводит к фатальным последствиям, поэтому боль-шие концентрации нитритов токсичны.

Важными мутагенами и цитостатиками (вещества, останавливающие деление клеток) являются все N-нитрозопроизводные и многие вещества с алкилирующей способностью. Так, например, одним из мощнейших мута-генов является N-нитрозодиметиламин и другие нитрозамины, которые легко образуются из нитритов и вторичных аминов. N-Нитрозодиметил-амин образуется также из несимметричного диметилгидразина, используе-мого в качестве ракетного топлива. N-Нитрозопроизводные реагируют с аминогруппами в ДНК с образованием триазенов, например:

Среди алкилаторов можно выделить вещества, которые более или ме-нее избирательны по отношению к различным нуклеофильным центрам (зарядовый и орбитальный контроль); есть С-алкилаторы, S-алкилаторы, N-алкилаторы, О-алкилаторы. Так, например, диметилсульфат алкилирует преимущественно атом кислорода в гуаниновом фрагменте ДНК:

В отличие от этого азотистый иприт атакует азот имидазольного цик-ла пуриновых оснований. Алкилирование, конечно, приводит к изменению системы водородных связей в молекуле ДНК, хотя небольшие количества метилированных азотистых оснований обязательно присутствуют в ДНК. Что же касается алкилирования имидазольного цикла аденинового фраг-мента ДНК, то оно вообще приводит к отщеплению азотистого основания:

Первыми средствами для лечения злокачественных опухолей стали ‑хлорэтиламины. Их действие было направлено на клетки, которые часто делятся и система репарации которых не успевает заменить дефектные участки в ДНК, образовавшиеся в результате действия этих веществ. С этим механизмом действия связан и токсический эффект алкилаторов, так как в организме человека достаточно много нормальных тканей, в которых идёт интенсивное деление клеток. Совершенствование структур ‑хлор-этиламинов улучшило их терапевтические показатели. В качестве примера можно привести современное химиотерапевтическое средство циклофос-фан (циклофосфамид)

избирательность которого основана на гидролитическом отщеплении бис(‑хлорэтил)амина от этого производного фосфорной кислоты. Алкили-рующая способность хлорэтильных групп в амиде очень низка, а в злока-чественных клетках очень активны ферменты, гидролизующие произ-водные фосфорной кислоты (фосфорилазы), поэтому цитотоксичный бис(‑хлорэтил)амин образуется преимущественно в клетках опухоли.

Химические мутагены третьего типа относятся к антиметаболитам – структурным аналогам естественных метаболитов. Одним из примеров мо-жет служить 5-фторурацил. Его применение в роли антибактериального препарата основано на том, что часто делящиеся, интенсивно размножаю-щиеся клетки испытывают острую потребность в строительных элементах ДНК и РНК, а ферментные системы бактерий не столь совершенны, чтобы различать присутствие лишнего заместителя. Поэтому они чаще встраи-вают этот структурный аналог урацила или тимина в свои РНК или ДНК, которые оказываются в результате этого дефектными. Для повышения из-бирательности 5‑фторурацила его ацилируют короткой пептидной цепью из D-аминокислот. В организме человека нет гидролаз для разложения таких пептидных связей, а в клетках бактерий они есть. В клетках человека такой ацилированный 5-фторурацил не изменяется и в конце концов выво-дится, а в клетках бактерий гидролиз идёт и в результате выделяется 5‑фторурацил, приводящий к образованию дефектной ДНК.

Другими примерами антиметаболитов структурных элементов ДНК служат, в частности, 5-иодуридин, азидотимидин (лекарство от СПИДа), арабиноаденозин (антибиотик и лекарство от герпеса):

Антиметаболитами с противогерпесной активностью являются также ацикловир (зовиракс) и ганцикловир:

Для лечения лейкозов и лейкемий используются антибиотики цит-арабин и пентостатин:

Особое место в нарушении репликации и транскрипции занимают ве-щества, называемые интеркаляторами. Дело в том, что несмотря на плот-ную упаковку молекулы ДНК в двойной спирали, в ней всё же остаётся место для встраивания плоских молекул, и это, конечно, сопровождается изменением геометрии спирали, её витки растягиваются, освобождая место для «квартиранта». Чем больше у внедрившейся в спираль ДНК молекулы возможностей для образования ионных, водородных или иных типов связей, тем более прочное соединение включения она образует.

Интеркаляторами являются многие полиядерные гетероциклические соединения, например 9-аминоакридин и этидийбромид:

По механизму интеркаляции действуют также многие средства для борьбы с болезнетворными микроорганизмами. Например, типичным интеркалятором является алкалоид хинин, в течение многих лет исполь-зовавшийся для лечения малярии:

Интеркаляторами являются также синтетические аналоги хинина акрихин:

и хлорохин:

Большая группа интеркаляторных антибиотиков используется для ле-чения злокачественных новообразований. Так, например, рубомицин

плоской системой четырёх сконденсированных циклов встраивается меж-ду парами оснований в молекуле ДНК, а дидезоксиаминосахаридный фраг-мент служит подобием якоря, фиксируясь в пространстве между поли-эфирными цепями двух нитей ДНК.