Прямое и непрямое действие радиации на ДНК
Обновлено: 11.05.2024
а) при прямом действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: выбивание электрона и последующая миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи (несколько сотен азотистых оснований) до участка с повышенными электрон-донорными свойствами (чаще всего до участка локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований).
б) при косвенном действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: взаимодействие с продуктами радиолиза воды приводит к образованию свободных радикалов, что ведет к нарушению структуры ДНК, в основе которого лежат следующие механизмы:
- одно- и двунитевые разрывы;
- модификация азотистых оснований;
- образование тиминовых димеров;
- сшивки ДНК-ДНК, ДНК-белок.
При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждаются около 5000 азотистых оснований, возникают примерно 1000 одиночных и от 10 до 100 двойных разрывов. Определенное число одиночных разрывов образуется даже при малых дозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. куски поврежденной молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями с комплементарной нитью ДНК и хорошо поддаются восстановлению.
Репарация повреждений в ДНК.
Все механизмы репарации в клетке многократно продублированы и могут идти разными путями, находящимися под генетическим контролем. Репарация может быть как практически безошибочной (фотореактивация и эксцизионная репарация коротких участков), так и зачастую ошибочной (SOS-репарация, т.к. она является попыткой восстановить структуру ДНК любой ценой при серьезных массивных повреждениях).
Репарация генетических повреждений обеспечивается десятками ферментов, многие из которых участвуют также в процессах репликации и рекомбинации.
Основные группы ферментов репарации:
1. нуклеозидазы - производят выщепление оснований по N-гликозидной связи с образованием АП-сайтов - апуриновых или апиримидиновых участков;
2. инсертазы - производят встраивание оснований в АП-сайты;
3. лиазы - производят расщепление пиримидиновых димеров;
4. эндонуклеазы - проводят инцизию - разрез ДНК возле повреждения;
5. экзонуклеазы - проводят эксцизию - удаление поврежденного участка;
6. ДНК-полимеразы - проводят синтез ДНК по комплементарной матрице;
7. ДНК-лигазы - производят сшивку нуклеотидов.
Основные типы репарации ДНК:
I. Прямая репарация:
а) фотореверсия - происходит за счет работы фотолиаз, причем начальный этап - образование фермент-субстратного комплекса - может идти и в темноте: E + S ES + h E + P , где Е - фермент (энзим), S - субстрат, P - продукт реакции. Для работы фотолиазы требуется свет с длиной волны 350 нм.
1. Повреждение ДНК с образованием димера под действием УФ-излучения
2. Образование фермент-субстратного комплекса с фотолиазой:
3. Восстановление структуры ДНК:
б) восстановление одиночных разрывов - происходит с участием ДНК-лигаз, характерна при действии ионизирующих излучений, вызывающих образование большого числа однонитевых разрывов ДНК.
Этапы восстановления одиночных разрывов:
1. Повреждение ДНК с образованием одиночного разрыва:
2. Образование фермент-субстратного комплекса с ДНК-лигазой:
в) восстановление структуры азотистых оснований - удаление лишних метильных групп, восстановление разрывов циклических структур;
г) замена азотистых оснований - протекает с участием ДНК-гликозидаз.
II. Репарация с использованием комплементарной цепи (эксцизионная репарация).
Наиболее изученный вид эксцизионной репарации - “темновая репарация”. Ее основные этапы:
1. Incisio (разрезание) - эндонуклеаза "узнает" поврежденный участок и производит разрез:
Прямое и непрямое действие радиации на ДНК
Физиология:
Популярные разделы сайта:
Свойства ионизирующего излучения. Влияние ионизации на ДНК
В результате деструкции лизосом возникает высвобождение из них различных активных гидролаз (протеаз, липаз, гликозидаз и др.). Последние ещё больше повреждают разные внутриклеточные и межклеточные структуры, а значит ещё больше усиливают расстройства структуры, метаболизма и функций клеток, тканей, органов, систем и организма в целом.
Важное место в активизации процессов катаболизма и снижения анаболических, восстановительных процессов при ионизирующем облучении организма занимают различные нарушения образования и использования макроэргов (приводящие к снижению как синтеза нуклеиновых кислот, белков и других важнейших для жизни веществ и соединений, так и энергетического обеспечения многих метаболических и физиологических процессов) и т.д.
Следует отметить, что разные клеточно-тканевые структуры обладают различной радиочувствительностью и радиорезистентностью. Оказалось, что наибольшей радиочувствительностью (а значит и наименьшей радиорезистентностью) обладают ткани, отличающиеся более интенсивным делением клеток (половые железы, лимфо-идная ткань тимуса, селезёнки, лимфатических узлов, кроветворная ткань костного мозга), а также лимфоциты крови, лимфы и различных тканей.
Менее радиочувствительными структурами являются железистый эпителий, покровный эпителий, эндотелий сосудов, печень, почки, лёгкие, надпочечники.
Наименьшей радиочувствительностью (и наибольшей радиорезистентностью) обладают хрящи, кости, мышечная и, особенно, нервная ткань, т.е. структуры, отличающиеся низкой способностью к делению клеток.
На механизмы повреждающего ДНК прямого и косвенного действия ионизирующего излучения немаловажное влияние оказывают факторы:
- у частвующие в восстановительных процессах (ферменты, выщепляющие повреждённые участки клеток; ДНК-полимеразы; макроэрги: АТФ, АДФ, КРФ; природные радиопротекторы — перехватчики как свободных радикалов, так и радиотоксинов);
- модифицирующие эффект действия как факторов облучения (прямого и/или косвенного действия ИИ), так и факторов восстановления повреждённых структур. В частности, к этим модифицирующим факторам относятся химические радиопротекторы, кислород, предшественники радиотоксинов, различные по характеру и интенсивности метаболические процессы и т.д.
Таким образом, в патогенезе многообразных радиационных и пострадиационных нарушений жизнедеятельности различных клеточно-тканевых структур организма важное место занимают повреждения ядра, генетических структур, избыток гидролаз, дефицит макроэргов, торможение деления и даже гибель клеток.
При лучевом воздействии, как и при других видах повреждающего действия, наряду с нарушениями различных структур, метаболических процессов и функций, развиваются разнообразные компенсаторно-приспособительные реакции.
В частности, образование и нарастание различных оксидантов в облученном организме частично компенсируется естественными радиопротекторами — антиоксидантными системами (перехватчиками свободных радикалов, инактиваторами перекисей и донаторами сульфагидрильных групп: супероксиддесмутаза, каталаза, пероксидаза, восстановленый глутатион и др.).
В ответ на радиационное повреждение ДНК клетки проявляют определённую способность к их репарации с участием ряда ферментов:
- эндонуклеазы, перерезающей дефектную ДНК;
- экзонуклеазы, обеспечивающей расщепление в нескольких местах дефектной ДНК;
- полимеразы, способной синтезировать нормальную ДНК;
- лигазы, способной присоединять новый фрагмент ДНК к сохранившемуся её фрагменту.
радиобиология / занятие №2
Основные механизмы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом приводят к ионизации атомов и молекул вещества. Это называют прямым действием ионизирующего излучения. В результате прямого действия в биологическом объекте возникают повреждения макромолекул, таких как ДНК, а также образование нескольких высокореакционных продуктов из молекул воды, составляющей основную (80-90% вещества) массу клетки.
Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекулы. Этот путь лучевого поражения жизненно-важных структур клетки носит в радиобиологии название косвенного механизма действия излучения.
Рис. 1 Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на клетку.
Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии самими облучаемыми молекулами («мишенями»).
Под косвенным действием ионизирующего излучения понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиолиза воды или растворенных веществ, а не энергией излучения, поглощенной самими молекулами.
В настоящее время считают, что на уровне клетки непрямое действие ионизирующего излучения обеспечивает 70-90% лучевых повреждений критических клеточных структур, в том числе молекул ДНК.
Рис. 2. Схема, объясняющая прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на молекулу-мишень
Радиолиз воды При радиолизе молекула воды ионизируется теряя электрон
Ион радикал Н 2 О + реагирует с нейтральной молекулой воды
в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксилаРадикалы являются причиной более чем половины радиационных поражений ДНК, так как они способны диффундировать на расстояние около 1 нм. Радиус двойной спирали молекулы ДНК близок к 1 нм, так что ее сечение равно 3,14 нм 2 . Площадь с которой к ДНК могут доходить молекулы ДНК равна 9,42 нм 2 , т.е. втрое больше, чем площадь сечения самой молекулы ДНК. Естественно часть образующихся в этом кольце молекул воды радикалов диффундируют не в сторону ДНК и не принимают участия в ее поражении.
В присутствии кислорода образуются и другие продукты радиолиза воды,
обладающие окислительными свойствами: гидропероксидный радикал
водорода Н 2 О 2 и атомарный кислород:
Кроме окислительных продуктов, в процессе радиолиза воды возникает стабилизированная форма электрона - гидратированный электрон. Он обладает высокой реакционной способностью, но уже в качестве восстановителя. Другим восстановителем, образующимся при радиолизе воды, является атомарный водород.
Процесс радиолиза воды упрощенно представлен на рис. 4., а схема первичных физикохимических процессов на пути от ионизации к биологическому эффекту приведена на рис.5.
Рис.4. Продукты радиолиза воды.
Рис. 5. Схема первичных физико-химических процессов на пути от ионизации к конечному биологическому эффекту
Продукты радиолиза воды, в первую очередь, свободные радикалы, содержащие неспаренные электроны, обладают очень высокой реакционной способностью, так что время их существования составляет от 10 -10 до долей секунды. За этот период они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с находящимися рядом органическими соединениями. Основное «стремление» радикала избавиться от неспаренного электрона - передать его другой молекуле или отнять у нее электрон для образования пары, превратившись тем самым из радикала в «стабильную» молекулу.
История открытия косвенного действия радиации
Первые исследования косвенного действия радиации были проведены в 30-е годы прошлого века Г.Фикке (изучал растворы неорганических и простых органических соединений) и У. Дейлом (исследовал растворы ферментов). Ими был выявлен парадоксальный факт, что число измененных облучением молекул не было прямо связано с их общим количеством в растворе (концентрацией). Тем самым существовавшее предположение, что чем больше молекул в веществе, тем больше вероятность их повреждения при облучении и тем больше количество поврежденных молекул было отвергнуто. Для того, чтобы объяснить этот парадокс была выдвинута теория косвенного действия радиации, указывающая, что поражение изучаемых молекул происходит не только за счет прямого попадания в них ионизирующего излучения, но и за счет диффузии к ним продуктов радиолиза воды. Так как вода занимает весь облучаемый объем, то количество подвергнутых радиолизу молекул воды при данной дозе облучения постоянно, и их хватает только для поражения определенного числа молекул изучаемого вещества. Увеличение концентрации изучаемого вещества сверх определенной величины в этих условиях не сопровождается пропорциональным увеличением числа пораженных молекул.
Таким образом, при косвенном действии радиации, независимо от разведения раствора, абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорционально от их концентрации.
Рис. 6. Независимость абсолютного радиационного выхода от концентрации растворенного вещества.
Например, в опытах Фрикке при облучении 1 л муравьиной кислоты в дозе 100 Гр выделялось 25 мкмоль водорода независимо от того, содержал ли облучаемый объем 10 -4 моль (черные кружки) или 10 -1 моль (белые кружки) кислоты Следовательно, одно и тоже количество распавшихся молекул муравьиной кислоты - в данном случае 25 мкмоль, - составляло в более слабом растворе 25% от общего количества растворенной кислоты, а
в более концентрированном - 0,025%. Лишь при очень сильном разведении часть радикалов начинает взаимодействовать друг с другом, и в меньшей степени реагируют с с растворенным веществом, в связи с чем увеличивается доза облучения, необходимая для повреждения такого же количества молекул.
В отличие от косвенного при прямом действии радиации число инактивированных молекул при заданной дозе облучения увеличивается пропорционально концентрации раствора, а их доля от общего числа молекул остается постоянной (Рис.7)
Рис. 7. Зависимость инактивации фермента или вируса от его концентрации в растворе при прямом (1) и косвенном (2) действии излучения
Вопросы для контроля
1. Дайте понятие прямого действия ионизирующего излучения?
2. Какие процессы лежат в основе косвенного действия ионизирующего излучения?
3. Может ли одна и та же макромолекула, например ДНК, подв ергнуться прямому и косвенному действию ионизирующего излучения?
4. Перечислите какие молекулы могут выступать в роли молекулы-посредника
5. Как рассчитать что сечение спирали ДНК будет рано 3,14 нм 2 ?
6. Объясните почему площадь с которой к ДНК могут подходить молекулы воды равна 9,42 нм 2 ?
7. Перечислите образующиеся при радиолизе воды окислители
8. Перечислите образующие при радиолизе воды восстановители
9. Для объяснения какого парадокса была выдвинута теория косвенного действия радиации?
10. Почему в опытах Фрикке о действии ионизирующего излучения судили по количеству образующегося водорода?
11. Как изменяется число инактивированных молекул при прямом действии радиации в зависимости от дозы?
8. Радиационная биохимия нуклеиновых кислот. Основные типы репарации днк.
Радиационный фон: как излучение влияет на живые организмы
При каких дозах поглощенного человеком ионизирующего излучения начинают проявляться негативные эффекты?
Сколь угодно малая доза облучения увеличивает вероятность, что возникнут негативные стохастические эффекты
Малые дозы радиации, сопоставимые с фоновым излучением и получаемые за год (2 мЗв), наоборот вызывают положительные эффекты
При облучении единовременно дозой более 20 фоновых годовых доз (то есть порядка 40 мЗв) начинаются детерминистические негативные эффекты
Атомные электростанции вносят практически нулевой вклад в радиационный фон, когда работают в штатном режиме. Однако истории известны и случаи аварий на АЭС. В наши дни принимаются меры безопасности, направленные на то, чтобы предотвратить саму возможность аварии. А какой подход на станциях не используется?
Десятки тысяч датчиков внутри АЭС в режиме реального времени снимают множество показаний — от плотности нейтронного потока до частоты вибрации лопаток турбины.
Станции стремятся к полной автоматизации всех процессов, чтобы исключить «человеческий фактор». В обозримом будущем всех людей на АЭС заменят автоматизированные системы управления.
Читайте также: