Утилизация продуктов радиолиза в клетке

Радиолиз воды. Кислородный эффект

Радиолиз воды – изменение молекул воды под действием радиации.

Молекула воды ионизируется заряженной частицей и теряет электрон.

~> Н₂О à Н₂О⁺ + ē ~> Н₂О à Н₂О* à Н^· + ОН^·

Радикалы очень реакционно способные, так как стремятся завершить свой электронный слой, забрав электрон у другого атома или молекулы.

Рекомбинация продуктов радиолиза воды происходит в интервале времени 10^–5 – 10^–6 сек.

Ионизированная молекула воды реагирует с нормальной молекулой с образованием радикала Н₂О⁺ + Н₂О à Н₃О⁺ + ОН^· или Н₂О⁺ à Н⁺ + ОН^·

Образовавшийся электрон реагирует с другими молекулами, возбуждая и поляризуя их, чаще он не выходит за пределы поля Н₂О⁺, в результате возникает сильно возбужденная молекула воды, которая распадается на радикалы Н₂О⁺ + ē à Н^· + ОН^·

Электрон может непрочно связаться с нормальной молекулой воды Н₂О + ē à Н₂О^– à Н^· + ОН^–

В присутствии кислорода при радиолизе воды образуются:

НО₂⁺ + ē à О₂^– (супероксидный ион)

О₂ + Н^· à НО₂^·(гидроперекисный радикал)

НО₂^· + НО₂^· à Н²О² + 2 О^· (перекись водорода и атомарный кислород)

ОН^· + ОН^– à Н2О + О^·– (ион-радикал кислорода)

О^– + О₂ à О₃^– (азонид-ион)

Благодаря рекомбинации образуются как нейтральные молекулы, так и вторичные молекулярные продукты.

При изучении эффектов радиации на живую ткань было установлено, что присутствие в тканях кислорода увеличивает повреждающий эффект излучения. Был открыт кислородный эффект. Кислородный эффект возникает в результате образования под действием излучения активированных форм кислорода (АФК). Кислород, присоединяющий электрон, превращается в супероксидный анион-радикал

О₂ + ē à О₂^–˙ (супероксидный анион-радикал)

О** + ē à О^–* (анион-радикал кислорода)

О** + О₂ à О₃ (озон)

О^–* + О₂ à О₃^– (озонид-ион)

Н* + О₂ à Н₂О* (гидроперекисный радикал)

Радиолиз биомолекул и эффект разведения

HR + n эв à HR – ē à ē + HR*

HR* à H* + R*

HR + n эв à Н^· + R^·

HR^· + ē à HR* à H^· + R^·

HR* à HR₁^· + HR₂^·

HR + ē à HR^·; HR^· à H^· + R^·

ē + nH₂O à ē_гидро

продукты радиолиза биомолекул

Н⁺, H^·, HR^·, HR*, HR₁^·, HR₂^·, ē_гидро

При рекомбинации продуктов радиолиза биомолекул образуются токсичные перекиси, альдегиды, кетоны, которые дают атомарный кислород, а также полимерные структуры, которые увеличивают вязкость цитоплазмы и замедляют течение всех биохимических реакций, снижая и нарушая обмен веществ.

Продукты радиолиза воды вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к разрушению молекулярных и надклеточных структур. Происходит разрыв углеродных связей, нарушение ферментативных систем, синтеза ДНК и белка. Нарушаются обменные процессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энергии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель клеток, всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

Различают прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на биологические молекулы. Прямое действие – повреждение той молекулы, которая получила энергию излучения. Косвенное действие – изменение происходит не в той молекуле, которая получила энергию, а в рядом лежащей, в результате межмолекулярного переноса энергии.

Радикалы и ионы воды оказывают именно косвенное действие на биологические молекулы в клетке. Это явление было открыто еще в 1930 г. и называется это эффект разведения.

Для доказательства эффекта разведения провели эксперимент. В первом случае взяли 100 сухих молекул фермента РНКазы и облучили дозой 1000 Р. После чего установили, что 99 молекул работает хорошо, а одна молекула не работает. Т.е. в результате прямого действия излучения повреждается только 1% биологических молекул.

Затем аналогичные молекулы фермента РНКазы растворили в воде и облучили такой же дозой в 100 Р. После испытания на активность оказалось, что все 100 молекул испорчены. Следовательно, основное повреждение биологических молекул происходит за счет продуктов радиолиза воды, т.е. за счет косвенного действия излучения.

Если число свободных радикалов и ионов мало, то организм имеет возможность их контролировать. Если же их становится слишком много, то нарушается работа защитных систем, жизнедеятельность отдельных функций организма. Количество повреждений, вызванных свободными радикалами, быстро увеличивается по принципу цепной реакции.

Утилизация продуктов радиолиза в клетке

В пероксисомах – ферментативное окисление испорченных молекул с использованием молекулярного кислорода, и получение перекиси водорода, которую каталаза, находящаяся в перокссомах, превращает в кислород и в воду. В пероксисомах происходит распад части жирных кислот до ацетил-КоА, который затем включается в цикл Кребса в митохондриях или используется в биосинтетических реакциях.

Лизосомы представляют собой мембранный мешок, наполненный гидролитическими ферментами, которые служат для внутриклеточного расщепления макромолекул. Продукты расщепления могут либо выделяться из клеток, либо окисляться в митохондриях с получением АТФ, либо использоваться в биосинтетических процессах.

В некоторых случаях в лизосоме не находится фермента, расщепляющего полученные в результате радиолиза молекулы. В этом случае необычная структура опутывается мембраной и откладывается в клетке как «шлак».

В митохондриях испорченные молекулы окисляются с получением АТФ. Вместо поврежденных радиацией и разрушенных макромолекул по принципу обратной связи синтезируются новые из веществ, поступающих в клетку, промежуточных продуктов цикла Кребса и других предшественников.