Радиационная биохимия нуклеиновых кислот. Основные типы репарации ДНК

На ядерную ДНК приходится около 7% поглощенной дозы.

Механизм повреждения нуклеиновых кислот:

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 + hn ® E + P , где Е – фермент (энзим), S – субстрат, P - продукт реакции. Для работы фотолиазы требуется свет с длиной волны » 350 нм.

Этапы фотореверсии:

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:

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: