Радиолиз ДНК и его последствии для клетки
Жизнеспособность клетки после облучения определяется характером радиационно-химических повреждений ДНК и степенью их восстановления. Поэтому ДНК – критическая суперструктура клетки при ионизирующем излучении.
Молекула ДНК – хранитель генетической информации, хранит информацию о первичной структуре белка (последовательности аминокислот).
Программа строительства всех белков организма записана в ДНК ядра клетки и её частичных копиях – РНК – в виде последовательности нуклеотидов. Каждая аминокислота записывается определенной комбинацией трех нуклеотидов – «кодон».
Последовательность кодонов в ДНК и РНК определяет последовательность аминокислот в белке. Последовательность нуклеотидов, которая кодирует один белок, называется «ген». Эта последовательность считывается с ДНК и копируется матричной РНК – процесс транскрипции (синтез матричной РНК). мРНК выходит в цитоплазму и закрепляется в рибосомах. Транспортные РНК доставляют к мРНК аминокислоты. Один конец тРНК узнает на мРНК соответствующий кодон и прикрепляется к нему. Аминокислота, находящаяся на другом конце тРНК, сцепляется с аминокислотой соседней тРНК пептидной связью; таким образом выстраивается цепочка белка.
Фосфат, сахар (рибоза или дезоксирибоза) и азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил) – это нуклеотид.
Азотистые основания связываются между собой водородными связями. Связывание азотистых оснований по принципу комплиментарности: Тимин – аденин две связи, гуанин – цитозин (или урацил) три связи. Самые неустойчивые места в полинуклеотидной цепи – это в первую очередь тимин, а затем цитозин. Эти азотистые основания повреждаются в первую очередь, так как у них очень сильная ассиметрия электронов.
Несколько нуклеотидов, связанных фосфатными мостиками – полинуклеотид.
Сахар и азотистое основание – называется нуклеозид.
ДНК в ядре накручивается на 2,5 оборота на комплекс гистоновых белков, образуя нуклеосомы. Часть ДНК на нуклеосоме называется нуклеосоме (т.е. ДНК, накрученная на белок), она слабо связана с этими белками, и поэтому более устойчива к повреждению. Часть ДНК между нуклеосомами называется линкерной (свободная часть, «свисающая») – наименее устойчивая часть.
Затем это все уплотняется и если одну хромосому человека разложить ровно, то она займет примерно 5 см.
Сверху ДНК покрывается в основном белками и формируется хромосома.
Энергия, полученная ДНК, мигрирует по водородным связям азотистых оснований, в первую очередь до тимина, где происходит разрыв двойных связей, образование свободно радикальных состояний, что приводит к дестабилизации рядом расположенных азотистых состояний. Если повреждены все тимины, в следующую очередь повреждаются цитозины и т.д.
Механизмы биологических эффектов малых и больших доз могут принципиально отличатся.
Итак, возможны три варианта последствия облучения клетки:
1) Полное выживание клетки без последствий
2) Процесс выживания и деления осложнен и клетка погибает
3) Появление живой, но измененной клетки
Третий случай наиболее опасен. При облучении делящейся соматической клетки возможно развитие рака, т.к. может быть порожден процесс бесконтрольного деления измененных клеток.
Установлено, что в молекуле ДНК может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитевых разрывах, и при этом поражение генов молекул может не быть. Если количество однонитевых разрывов больше 7, или имеются двухнитевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации (разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем «склеиваются» в новых сочетаниях, и закодированная в генах информация искажается или теряется совсем).
5. Возможные варианты восстановления ДНК после облучения и последствия этих процессов для клетки
В каждой клетке человека в сутки происходит около 5 тыс. повреждений ДНК. Поэтому эволюционно в ядре сложилась система восстановления (репарации) ДНК.
При повреждении азотистых оснований эндонуклеазы обнаруживают их и «вырезают» и полинуклеотидной цепи, обычно с запасом на 3-4 нуклеотида в каждую сторону. После этого ядерные полинуклеазы «застраивают» этот участок новыми нуклеотидами по принципу комплиментарности.
Если повреждений много, то возможны двунитевые разрывы – на противоположных нитях ДНК. Двойные разрывы могут быть прямыми, косыми, суще5ствует та4кже метастабильное состояние.
В результате повреждений нуклеотидов и действия восстанавливающих ферментов могут образовываться одиночные разрывы, двойные разрывы нитей ДНК (прямое и косые), а также метастабильные состояния. Кроме того, возникают межцепочечные связи. Кроме того, возможно взаимодействие измененных азотистых оснований с другими соединениями, что изменяет информацию о строении белка. Возможна также связь между ДНК и белком, в частности гистонами. В результате этих изменений происходит релаксация (расслабление) и аберрация хромосом (изменение структуры) хромосом.
Судьба поврежденной ДНК зависит как от вида повреждения, так и от места (нуклеосомная или линкерная часть).
Если в нуклеосомной части произошел одиночный разрыв, то за счет связи ДНК с гистоновыми белками, цепь не расходится и очень быстро происходит восстановление по принципу комплементарности. Если в нуклеосомной части возник двойной разрыв, косой или прямой, метастабильное состояние, то нити ДНК остаются на месте, так как они «сшиты» с гистонами, но в связи с отсутствием комплементарного участка разрыв заполняется случайными нуклеотидами, что изменяет генетическую информацию, а, следовательно, будут образовываться не нужные или токсичные белки.
Если в ликерной части возникает одиночный разрыв, то в некоторых случаях возможно восстановление, но чаще происходит развёртывание спирали в этом месте и последующий двойной разрыв. Двойные разрывы в линкерной части приводят к релаксации (расслабление). В местах разрыва находятся свободные радикалы, которые стремятся спариться с каким то другим участком другой ДНК – это свойство называется липкость, в результате образуется аберрация (образование колец, цепочек, отдельных фрагментов ДНК), что делает либо невозможным расхождение хромосомного материала по дочерним клеткам во время деления, либо извращает обмен веществ в этой клетке и синтез в ней специфических веществ.
В связи с большой опасностью для организма измененных ДНК, существует еще одна система защиты, которая называет блок митозов.Если облучение произошло на фазе клеточного цикла от интерфазы (G-0) по пост синтетический (G-2), то клетка приостанавливает свое движение по клеточному циклу, до тех пор, пока не восстановится целостность нити ДНК (но не правильность), что проверяется суперсперализацией. Задержка деления 1 час/1Гр.
Если же облучение пришлось на время митоза, то дочерние клетки получают не полный или избыточный хромосомный набор, что приводит к их нежизнеспособности, они погибают.
Итак, возможны три варианта последствия облучения клетки:
4) Полное выживание клетки без последствий
5) Процесс выживания и деления осложнен и клетка погибает
6) Появление живой, но измененной клетки
Еще одной системой защиты считают появление больших полиплоидных клеток, образовавшихся в результате эндомитоза или путем слияния дочерних клеток. Считают, что при слиянии дефектных клеток возможна взаимная компенсация эффектов. Однако такие клетки живут недолго и погибают.
6. Радиолиз биологических мембран, возможные варианты их восстановления и последствия этих процессов для клетки
Биологические мембраны – наиболее распространенный компонент структурной организации клетки. Они играют центральную роль в обмене веществ и в системе биологической коммуникации (передаче сигналов).
В основе первичных реакций при лучевом повреждении биологических мембран лежит образование свободных радикалов и ионов с последующей активацией перекисного окисления липидов. В результате образуются перекиси, альдегиды, кетоны и другие токсичные для клетки продукты. Ненасыщенные жирные кислоты превращаются в насыщенные. Увеличивается «жесткость» мембран, замедляются обменные процессы. Митохондрии и ядро имеют двойную биологическую мембрану. Под действием излучения происходит либо расширение межмембранных пространств, или их склеивание. Среди мембранных структур ядерная оболочка занимает особое место, т.к. выстилающая изнутри внутренняя мембрана густая сеть белковых фибрилл способствует поддержанию формы ядра и выполняет функцию структурного организатора хромосом.
При облучении уменьшается число поровых комплексов ядерной оболочки, отделение их от мембран, образование «дырок» - цитоплазма перемешивается с нуклеоплазмой и клеточным содержимым. Повреждение ядерной оболочки сопровождается появлением инвагинаций наружной и внутренней мембраны. Изменение проницаемости мембран влечет за собой обеднение ядра ионами металлов и другими метаболитами. Этот же процесс может привести к выходу в цитоплазму катаболических ферментов и разрушению клеток.
Радиационно-химическое повреждение ядерных мембран изменяет характер связи в ДНК-мембранном комплексе и вызывает прямое повреждение ДНК.
Существует система защиты от повреждения мембран. Специальные ферменты «выщипывают» поврежденный участок, который потом застраивается по принципу самосборки.
Однако при хроническом облучении в связи с недостатком в рационе жиров с ненасыщенными жирными кислотами в мембрану включаются насыщенные кислоты, что увеличивает жесткость мембран.
Процессы перекисного повреждения и восстановления мембран в значительной степени зависят от генетики и мощности излучения. При высокой мощности образуется много радиотоксинов и других повреждений. В этом случае адаптационная система включается сразу и большая часть повреждений восстанавливается.
При действии низких доз излучения в течение длительного времени возникают незначительные повреждения, которые не восстанавливаются, а накапливаются – образуются скрытые дефекты мембран, которые ведут к нарушению её функции.
Таким образом, ядерные излучения, образующиеся в процессе стабилизации неустойчивых ядер некоторых элементов, проходя через биологическую среду, отдают ей часть или всю свою энергию. Полученная энергия реализуется биологическими молекулами и водой, как основной средой организма путем образования ионов, радикалов, перекисей, полимеров и других токсичных веществ. Чаще всего образующиеся продукты являются токсичными для клеток и организма, в лучшем случае они не будут обладать функциональной активностью.
Особенности действия излучения на биологические структуры, в отличие от их действия на неживые структуры, является их способность нарушать слаженность биохимических реакций и вызывать функцию регуляторных процессов.
В организме существуют различные защитные системы, позволяющие в определенной степени восстанавливать поврежденные излучением структуры. Успех деятельности этих восстановительных систем определяется в первую очередь характером повреждения ДНК как критической суперструктуры, наличием антиоксидантых веществ. Признано, что ионизирующее излучение в числе других факторов внешней среды является раздражителем биологического объекта и их можно рассматривать как стресс-факторы.
Реакция организма на облучение подчиняется общебиологическим закономерностям развития адаптационного синдрома.