ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 20.02.2019
Просмотров: 3280
Скачиваний: 4
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:
3. Восстановление структуры ДНК:
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:
2. Excisio (вычленение) - экзонуклеаза удаляет поврежденный участок:
3. Sintesis - репаративный синтез с помощью ДНК-полимеразы:
4. Сшивка восстановленных участков ДНК-лигазой:
III. Репарация с использованием межмолекулярной информации:
а) восстановление двойных разрывов - возможно в том случае, когда имеется копия генетической информации (например, при диплоидном наборе хромосом). В основе данной репарации - сложный процесс рекомбинации с реципрокным обменом нитей ДНК и последующим восстановлением повреждений. При этом образуются так называемые "структуры Холидея", которые в дальнейшем подвергаются разделению с образованием 2 нормальных нитей ДНК.
б) репарация поперечных сшивок внутри ДНК - происходит по схеме “выщепление-рекомбинация-синтез”. Ее основные этапы:
IV. Индуцибельная репарация.
а) SOS-репарация - запускается в клетке при наличии сигнала бедствия - появления свободных фрагментов полинуклеотидной цепи, что указывает на серьезные повреждения ДНК. При этом клетка пытается восстановить структуру ДНК, невзирая на степень ее повреждения. Достигается это снижением 3’-5’ - корректорской функции ДНК-полимеразы, что помогает быстро, но не всегда безошибочно восстанавливать структуру.
б) постадаптационная репарация - механизм до конца не известен; впервые описана при исследовании культуры лимфоцитов, которые обладают повышенной чувствительностью к воздействию ионизирующих излучений: после предварительного облучения культуры лимфоцитов при суммарной дозе около 30 сГр с низкой интенсивностью в течение 4 часов развивалась повышенная устойчивость к повреждению ДНК, длившаяся около 66 часов (3 клеточных цикла).
Механизмы репарации генетических повреждений - сложная продублированная система защиты генетической информации клетки, основа обеспечения надежности биологических систем. Большинство одиночных разрывов репарируются даже в летально облученных клетках и не являются причиной, определяющей гибель клетки. Однако нерепарированные одиночные разрывы могут в последующем привести к образованию двойных разрывов, плохо поддающихся восстановлению. Двойные разрывы могут возникнуть в результате единичного акта ионизации либо при совпадении одиночных разрывов на комплементарных нитях, они опасны для клетки, т.к. они не всегда поддаются репарации и служат непосредственной причиной возникновения хромосомных аберраций.
Виды хромосомных аберраций:
1. фрагментация хромосом
2. образование хромосомных мостов, дицентриков, кольцевых хромосом
3. появление внутри- и межхромосомных обменов
Часть аберраций (хромосомные мосты и др.) механически препятствуют делению клетки, некоторые аберрации (внутри- и межхромосомные обмены, ацентрические фрагменты) приводят к неравномерному разделению хромосом и утрате генетического материала, что вызывает гибель клеток из-за недостатка метаболитов, синтез которых кодировался утраченной частью ДНК.
9. Радиолиз воды. Общая схема окислительного стресса. Радиационная биохимия белков, липидов, углеводов. Действие ионизирующих излучений на мембранные структуры клетки.
Т.к. живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии ионизирующего излучения первично поглощается именно молекулами воды. Воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы лежит в основе косвенного действия ионизирующего излучения.
Механизм радиолиза воды (общая схема окислительного стресса):
1. При воздействии ионизирующего излучения в воде идут процессы ионизации или возбуждения.
а) ионизация - из молекулы воды выбивается электрон и образуется положительно заряженная молекула воды:
б) возбуждение - если энергии для ионизации недостаточно, образуется возбужденная молекула воды:
2. Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон [1] постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:
3. Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (H2O+,H2O-,H2O*) являются нестабильными и могут распадаться с образованием ионов и свободных радикалов:
4. Выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон e-aq, а затем может быть захвачен молекулой H2O+ с образованием возбужденной молекулы воды:
Возбуждённая молекула воды распадается на атомарный водород H и гидроксильный радикал OH, которые далее могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов H и OH, образующихся при распаде H2O*, после реакции [2]:
5. Образовавшиеся радикалы могут:
а) вступать в реакцию с другими молекулами воды:
б) вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы:
в) реагировать с молекулами растворенного кислорода с образованием перекисных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью:
В целом для продуктов радиолиза воды наиболее характерны реакции окисления или восстановления субстрата, образования радиотоксинов. К окислителям относят следующие продукты радиолиза воды: ОН, Н2О2 , НО2 , О2 , к восстановителям: Н , e-aq . Образование радиотоксинов происходит в результате реакции с хиноном и убихиноном.
Действие ионизирующих излучений на белки.
До 20% поглощенной энергии связано с повреждением белков.
Механизм повреждения белков:
а) при прямом действии ионизирующих излучений: из молекулы белка выбивается электрон и образуется дефектный участок, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски соседних электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы.
б) при косвенном действии ионизирующих излучений: образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды, что влечет за собой изменение структуры белка:
- разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей;
- модификация аминокислот в цепи;
- образование сшивок и агрегатов;
- нарушение вторичной и третичной структуры белка.
Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций (ферментативной, гормональной, рецепторной и др.).
Действие ионизирующих излучений на липиды.
Под влиянием облучения происходит процесс перекисного окисления липидов - образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами.
Действие ионизирующих излучений на мембранные структуры клетки.
Так как липиды - основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. Клетка - система взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, поэтому при повреждении мембран в клетке нарушаются биохимические процессы и энергетический обмен (из-за повреждения митохондрий), происходит сдвиг ионного баланса клетки (выравнивание концентраций натрия и калия вследствие сдвига ионного баланса клетки).
Действие ионизирующего излучения на углеводы.
Углеводы в целом достаточно устойчивы к действию ионизирующего излучения: окислительный распад, укорочение цепи и отщепление альдегидов от простых сахаров наблюдаются при дозах порядка 1000 Гр. Из продукта распада углеводов - глицеринового альдегида - синтезируется метилглиоксаль - вещество, ингибирующее синтез ДНК и белка, и подавляющее деление клеток. Чувствительна к облучению и гиалуроновая кислота, являющаяся составным элементом соединительной ткани: уже при дозе облучения около 10 Гр наблюдается значительное снижение ее вязкости, а при больших дозах – изменение структуры, связанное с отщеплением гексозамина и гексуроновых кислот.
10. Реакция клеток на облучение. Современные представления о механизмах интерфазной и митотической гибели клетки. Последовательность реакций, ведущих к лизису клетки.
Три основных типа реакции клетки на облучение:
а) радиационный блок митозов (временная задержка деления) - наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений, ее длительность зависит от дозы: на каждый Грей дозы клетка отвечает задержкой митоза в 1 час. Проявляется данный эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем, причем с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время задержки деления каждой облученной клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение: увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК.
б) митотическая (репродуктивная) гибель клетки - полная потеря клеткой способности к размножению; развивается при больших дозах ионизирующего излучения. Данный тип реакции не относится к клеткам, не делящимся или делящимся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы. Основная причина митотической гибели клетки - повреждение хромосомного аппарата клетки, приводящее к дефициту синтеза ДНК.
Показателем выживаемости клетки является ее способность проходить 5 и более делений.
Варианты митотической гибели:
1) клетка гибнет в процессе одного из первых четырех пострадиационных митозов, невзирая на отсутствие видимых изменений;
2) облученные клетки после первого пострадиационного митоза формируют так называемые "гигантские" клетки (чаще в результате слияния "дочерних" клеток), которые способны делиться не более 2-3 раз, после чего погибают.
в) интерфазная гибель клетки - гибель клетки, которая наступает до ее вступления в митоз. Для большинства соматических клеток человека она регистрируется после облучения в дозах в десятки и сотни Гр (лимфоциты, как радиочувствительные клетки, гибнут по этому механизму даже при небольших дозах). В клетке наблюдаются различные дегенеративные процессы вплоть до её лизиса.
Механизм интерфазной гибели (последовательность реакций, приводящих к лизису клетки):
1. За счёт разрывов в молекуле ДНК нарушается структура хроматина. В свою очередь, в мембранах идёт процесс перекисного окисления липидов.
2. Изменения ДНК-мембранного комплекса вызывают остановку синтеза ДНК.
3. Повреждение мембраны лизосом приводит к выходу из них ферментов - протеаз и ДНК-аз
4. ДНК-азы разрушают ДНК, что ведет к пикнозу ядра. Повреждение мембран митохондрий ведёт к выходу из них кальция, который активирует протеазы.
Вышеперечисленные процессы приводят к гибели (аутолизу) клетки.
11. Методы регистрации ионизирующих излучений, их характеристика, используемые детекторы и приборы.
Радиоактивные излучения невидимы, не имеют цвета, запаха или других признаков, на основании которых человек мог бы заподозрить их наличие, поэтому обнаружение и измерение излучений производят косвенным путем на основании какого-либо их свойства.
В результате взаимодействия радиоактивного излучения с внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Эти процессы изменяют физико-химические свойства облучаемой среды, в том числе и биологических объектов. Взяв за основу эти явления, для регистрации и измерения ионизирующих излучений используют следующие методы:
а) физические:
1. ионизационный - под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в данную среду поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение электрического тока, то между электродами создается электрическое поле, в котором возникает направленное движение заряженных частиц: отрицательно заряженных - к аноду, положительно заряженных - к катоду, т.е. проходит так называемый ионизационный ток. Измеряя его величину, получают представление об интенсивности радиоактивных излучений. В качестве детекторов, работающих на ионизационном методе регистрации, чаще всего используются:
- газоразрядные счетчики Гейгера—Мюллера - цилиндрический катод, вдоль оси, которого натянута проволока - анод. Система заполнена газовой смесью. При прохождении через детектор заряженная частица ионизирует газ. Образующиеся электроны, двигаясь к положительному электроду - нити, попадая в область сильного электрического поля, ускоряются и в свою очередь ионизуют молекулы газа, что приводит к образованию коронного разряда. Амплитуда сигнала достигает нескольких вольт и регистрируется. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.
- ионизационные камеры - в них, как и в счетчике Гейгера, используется газовая смесь, однако напряжение питания в ионизационной камере меньше и усиления ионизации в ней не происходит.
- пропорциональные (газоразрядные) счетчики различных типов - имеют такую же конструкцию, как и счетчик Гейгера, но за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в тысячу-миллион раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.
- полупроводниковый счетчик (твердотельная ионизационная камера) - устройство похоже на ионизационную камеру, но роль газа играет чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию о количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. Если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы. Полупроводниковые счётчики обладают высоким энергетическим разрешением.