Радиолиз воды. Общая схема окислительного стресса.



Т.к. живая материя на 70-90% состоит из воды, то большая часть энергии ИИ первично поглощается именно молекулами воды. Воздействие продуктов радиолиза воды на биомолекулы лежит в основе косвенного действия ИИ.

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: H2O + hv = H2O+ + e- б) возбуждение - если энергии для ионизации недостаточно, образуется возбужденная молекула воды: H2O + hv = H2O*.

2. Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды: H2O + e- = H2O-.

3. Все перечисленные первичные продукты взаимодействия молекулы воды с излучением (H2O+,H2O-,H2O*) являются нестабильными и могут распадаться с образованием ионов и свободных радикалов: H2O+ = Н+ +ОН*. H2O- = Н* +ОН-. H2O* = Н* + ОН*.

 

4. Так же выбитый электрон может окружить себя 4 молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон e-aq, а затем может быть захвачен молекулой H2O+ с образованием возбужденной молекулы воды: H2O+ e-aq = H2O*. Возбуждённая молекула воды распадается на H* и OH*, которые далее могут реагировать друг с другом. Образуются Н2, Н2О2 и Н2О.

5. Образовавшиеся радикалы могут: а) вступать в реакцию с другими молекулами воды: Н2О + Н* = ОН* + Н2. б) вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы: RH + H* = R* +H2. RH + OH- = R* + H2O. в) реагировать с молекулами растворенного O2 с образованием перекисных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью: H* + O2 = HO2 (гидроперекисный R). O2 + e-aq = O2* (супероксидный R).

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.

 

Радиационная биохимия нуклеиновых кислот, белков, липидов. Типы репарации ДНК.

На ядерную ДНК приходится около 7% поглощенной дозы.

Механизмы: а) при прямом действии ИИ на НК: выбивание е- 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 R* этих оснований). б) при косвенном действии ИИ на НК: взаимодействие с продуктами радиолиза воды приводит к образованию R*, 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.

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:

1) Прямая репарация: а) фотореверсия - происходит за счет работы фотолиаз, причем начальный этап - образование фермент-субстратного комплекса - может идти и в темноте. Для работы фотолиазы требуется свет с длиной волны 350 нм. Этапы фотореверсии: 1. Повреждение ДНК с образованием димера под действием УФИ 2. Образование фермент-субстратного комплекса с фотолиазой. 3. Восстановление структуры ДНК. б) восстановление одиночных разрывов - происходит с участием ДНК-лигаз, характерна при действии ИИ, 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: восстановление структуры азотистых оснований - удаление лишних СН3-групп, восстановление разрывов циклических структур; замена азотистых оснований - протекает с участием ДНК-гликозидаз.

2) 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 повр. Участок. 3. Sintesis - репаративный синтез с помощью ДНК-полимеразы. 4. Сшивка восстановленных участков ДНК-лигазой.

3) Репарация с использованием межмолекулярной информации: а) восстановление двойных разрывов - возможно в том случае, когда имеется копия генетической информации (например, при 2n 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”.

4) 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 восст. стр-ру. б) постадаптационная репарация - механизм до конца не известен; впервые описана при исследовании культуры лимфоцитов, которые обладают повышенной чувствительностью к воздействию ИИ: 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).

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 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. Хромосомные мосты механически препятствуют делению клетки, 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.

Действие ИИ на белки. До 20% поглощенной энергии связано с повреждением белков. Механизмы: а) при прямом действии ИИ: из молекулы белка выбивается е- и образуется дефектный участок, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски соседних е- до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях амк возникают R*. б) при косвенном действии ИИ: образование R* происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды, что влечет за собой изменение структуры белка: разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей; модификация амк 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 ИИ на липиды. Под влиянием облучения происходит процесс ПОЛ - образование свободных радикалов ненасыщенных ЖК, которые при взаимодействии с О2 образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными ЖК.

Действие ИИ на мембранные структуры клетки. Так как липиды - основа биомембран, то ПОЛ 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 митох), происходит сдвиг ионного баланса клетки (выравн. конц. натрия и калия вследствие сдвига ионного баланса клетки).

Действие ИИ на углеводы. Углеводы в целом достаточно устойчивы к действию ИИ: окислительный распад, укорочение цепи и отщепление альдегидов от простых сахаров наблюдаются при дозах порядка 1000 Гр. Из продукта распада углеводов - глицеринового альдегида - синтезируется метилглиоксаль – в-во, 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.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1848; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!