Материал: Экзамен радиобиология готовые ответы

В результате ионизации молекулы воды возникает положительно заряженный ион Н₂О⁺. Образование иона сопровождается потерей молекулой воды электрона, который превращается в гидратированный электрон (е_ag). Этот электрон обладает свойствами восстановителя, может соединяться с другой молекулой Н₂О с образованием отрицательно заряженного иона Н₂О^- или с положительным ионом Н₂О⁺ с образованием возбужденной молекулы воды Н₂О*. Первый процесс, который рассматривается как прямое действие излучений, можно представить в виде двух реакций:

Н₂О Н₂О⁺ + ē

 + Н₂О  Н₂О^-

Н ₂О⁺ + ē  Н₂О*.

Продолжительность существования ионов и возбужденной молекулы воды составляет 10^-6-10^-9 секунды. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода и гидроксила (Н^о и ОН^о). Таким образом, первичные свободные радикалы Н^о и ОН^о образуются из ионов моле­кулы воды и при диссоциации возбужденной молекулы воды:

Н₂О⁺ Н⁺ + ОН^о

Н₂О^-  ОН^ + Н^о

Н₂О*  Н^о + ОН^о.

Гидроксильные радикалы – сильные окислители, а радикал водорода имеет свойство восстановителя.

Во второй стадии происходит взаимодействие свободных радикалов друг с другом, с молекулами воды и с растворенными в воде молекулами различных веществ. Реакции могут идти следующими путями:

Н^о + Н^о  Н₂ (образование молекул водорода);

ОН^о + ОН^о  Н₂О₂ (образование перекиси водорода);

ОН^о + Н^о  Н₂О (рекомбинация, восстановление воды);

Н₂О + Н^о  Н₂ + ОН^о (образование вторичных

Н₂О + ОН^о  Н₂О₂ + Н^о радикалов Н^о и ОН^о);

RH + OH^о  Н₂О + R^о (образование свободных

RH + H^о  Н₂ + R^о радикалов различных молекул).

Радикалы, образовавшиеся при распаде возбужденной молекулы воды, обладают незначительной энер­гией, поэтому они не удаляются на большие расстояния друг от друга и подвергаются бы­строй рекомбинации

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неор­ганическими веществами идет по типу окислительно-восстанови­тельных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) дейст­вия радиации.

При облучении водных растворов биологически важных молекул ионизирующей радиацией с низким значением ЛПЭ радикалы и другие активные формы радиолиза воды возникают на расстоянии друг от друга. Это способствует вступлению их в реакции с другими растворенными молекулами. Когда излучение характеризуется высоким значением ЛПЭ, в плотном треке происходит радикал–радикальное взаимодействие, т. е. участие радикалов в реакциях с молекулами растворимых веществ становится менее существенным. Радиационно-химические превращения молекул обычно исследуются в одно- и двухкомпонентных системах (препараты сухих молекул и водные растворы молекул).

7. Радиационно-химические повреждения аминокислот, белков, ферментов.

Биологически важные макромолекулы – нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы – образуют основные структурные единицы клетки – хромосомы, биомембраны, полиферментные системы, клеточные оболочки. Повреждение биологически важных молекул обуславливается радиа­ционно-химическими превращениями (повреждениями) мономерных единиц, из которых они состоят.

При действии ионизирующих излучений на белковые молекулы индуци­руются изменения в аминокислотных остатках, образующих макромолекулу белка. Наиболее общими радиационно-химическими реакциями аминокислот явля­ются следующие процессы:

1) реакция дезаминирования, сопровождающаяся разрывом связи С–N и образо­ванием аминогрупп;

2) реакция декарбоксилирования, сопровождающаяся разрывом связи С–С и образованием карбок­сильных групп;

3) реакция дегидрирования, при которой происходит расщепление связей С– Н и N– Н с образованием различных групп.

Различия в строении остатка R обуславливают специфику радиолиза ка­ждой аминокислоты. С усложнением структуры молекулы аминокислоты и увеличением длины углеродной цепи возрастает частота разрывов и увеличивается количество продуктов радиолиза, т.е. возрастает ее радиочувствительность.

Установлено, что аминокислоты при облучении разлагаются преимущественно с отщеплением аммиака, поэтому этот процесс называется реакцией дезаминирования.

Среди аминокислот наибольшей радиочувствительностью обладают серосодержащие аминокислоты, у которых радиолиз происходит при меньших дозах.

Изучение действия ионизирующего излучения на растворы белковых молекул позволило выделить основные ре­акции повреждения белковой молекулы: отщепление водорода по связи С–Н от углеродного атома с образова­нием белкового радикала; расщепление белка с образованием амида и карбонильного соединения; нарушение и разрыв первичной, вторичной и третичной структур, сопровождающиеся обра­зованием низкомолекулярных фрагментов или полимеризацией молекулы белка, радиационно–химические нарушения аминокислот. Специфической реакцией белков на высокие дозы облучения является денатурация, при кото­рой белок переходит в нерастворимую форму без изменения химического со­става. При облучении прямолинейная структура белковой молекулы может изменяться до спиралевидной и глобулярной. При облучении белковых молекул также регистрируются разрывы водородных, гидрофобных и дисульфидных связей, образование сшивок между белковыми молекулами. Облучение вызывает нарушение конформационного состояния, что при­водит к ослаблению способности белка регулировать самосборку надмолеку­ляр­­ных структур. Радиационно-химические повреждения структуры белковой молекулы приводят к нарушению их основных функций –ферментативной, гормональной и рецепторной.

Белки входят в состав многочисленных ферментов клетки, которые катализируют различные процессы обмена веществ в клетках. При облучении белков происходит инактивация ферментов, т.е. потеря способности их регулировать все ферментативные процессы обмена веществ в клетках. Хорошо изучена реакция на облучение ферментов, катализирующих разложение нуклеиновых кислот (ферменты ДНК-азы) и белков (фермент трипсин). Причинами инактивации ферментов могут быть изменения пространственной кон­фи­гурации фермента, развертывание белковой глобулы, а также изменение ами­но­кислотного состава в результате повреждения поверхностных участков фермента. В присутствии кислорода инактивация ферментов усиливается в несколько раз.

При радиолизе других органических молекул происходит нарушение их структуры в результате разрыва связей С–С, С–Н и связей углерода с функцио­нальными группами С–R. Возникают радикалы различных типов. Среди продуктов появляются не только фрагменты углеводородной цепочки, но и продукты превращения функциональных групп. Например, при радиолизе спиртов, эфиров и кетонов образуется водород (реакция дегидрирования), при радиолизе органических кислот – двуокись углерода (реакция декарбоксилирования), при радиолизе аминов – аммиак (реакция дезаминирования). Происходят также реакции синтеза, т.е. образование более сложных молекул в результате полимеризации простых молекул и функциональных групп.

8. Радиационно-химическое и структурное повреждения молекулы днк клеток.

Действие ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты – ДНК, разные формы РНК – изучено более основательно.

Выход повреждений ДНК при облучении клеток дозами, вызывающими репродуктивную гибель клеток, т. е. потерю способности клеток к делению, не­значителен. Однако и при очень малом выходе повреждений могут нарушаться структура и функции этих молекул в клетке. Повреждение оснований ДНК при облучении клетки может быть причиной генных (точковых) мутаций организма, а также причинами нарушения генетического кода и появление генных мутаций. Это связано с потерей, разворотом, дупликацией и заменой оснований. Синтез ДНК предполагает образование двух комплиментарных цепей, идентичных матричной молекуле. При облучении порядок чередование оснований в молекуле ДНК может нарушаться. Замена одного из оснований в каждой паре приводит, во-первых, к изменению геометрии молекулы ДНК, во-вторых, к изменению генетического кода и последующему включению в молекулу белка ошибочного аминокислотного остатка, что приводит к появлению измененных молекул белка.

На рисунке 2 приведены схемы структурно-радиационных повреждений молекулы ДНК и указаны места в молекуле ДНК, где наиболее легко реализуется поглощенная энергия излучения, что проявляется в виде различных нарушений целостности молекулы.

Рис.2. Основные радиационно-химические повреждения

молекулы ДНК

Обозначения: а) одиночные разрывы; б) двойные разрывы; в) частичная денатурация молекулы в ре­зультате распада п водородных мостиков; г) радиационные изме­нения оснований; д) отщепление оснований; е) образование сшивок; ж) распад дезоксирибозы.

К настоящему времени доказано, что при облучении хромосомной ДНК клеток наблюдаются следующие первичные реакции: окисление пиримидиновых оснований и распад пуриновых оснований, обратимые и необратимые разрывы водородных связей, конфигурационные изменения надмолеку­ляр­ных структур ДНК, внутри- и межмолекулярные сшивки полимерных цепей. В живых клетках ДНК связана с белками – гистонами, образуя самый сложный комплекс – хроматин, куда входят ДНК, РНК и белковые компоненты. Синтез ДНК и его задержка совпадают с этими же процессами у гистонов. Облучение вызывает образование сшивок ДНК–белок по причине радиолиза пиримидиновых оснований с образованием пиримидиновых и перекисных радикалов. Повреждения сахарофосфатных связей приводят к возникновению поперечных ковалентных сшивок ДНК–ДНК, а также сшивок ДНК-белок, а также сшивок ДНК-мембранный комплекс. При облучении клеток может распадаться ДНК-мембранный комплекс и нарушаться синтез молекулы ДНК. Главную роль в образовании сшивок играют продукты радиолиза пиримидиновых оснований (пиримидиновые и перекисные радикалы) и меньшую роль – продукты повреждения пуриновых оснований. При облучении клеток однонитевые разрывы вызывают потерю способности молекулы скручиваться в спираль, и структура молекулы становится кольцевой. Двунитевые разрывы вызывают переход кольцевой структуры в линейную. Разрывы нарушают целостность молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации, нормальной репликации ДНК и распределению генетического материала между клетками. После облучения разрывы ДНК частично восстанавливаются, поэтому не всегда поврежденная и восстановленная ДНК идентична неповрежденной матричной ДНК, т.е. имеет место ошибочная репарация. Места разрывов могут соединяться в различных комбинациях. Неправильное восстановление разрывов приводит к возникновению хромосомных аберраций. При облучении клеток тканей человека в дозе 2Гр погибает 10-90% клеток. В ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых разрывов и до 80 двунитиевых разрывов, при этом повреждается около 1000 оснований и образуется около 300 сшивок ДНК с белками. При облучении клетки повышается активация ферментов ДНК–аз, которые вызывают деполимеризацию ДНК. Разрушение ядерных и цитоплазматических мембран при облучении создает условия для ферментативного повреждения молекулы ДНК.

9. Сравнительная радиочувствительность клеток, ядра и цитоплазмы.

При прохождении ионизирующих излучений через тканеподобное вещество происходят глубокие и практически необратимые перестройки атомов среды вещества. Судьба ионизированных и возбужденных атомов и молекул, образовавшихся после поглощения ионизирующего излучения, существенно зависит от химического состава и структуры поглощающей среды. Этапы формирования радиационного поражения клеток и тканей отражены во многих схемах. Например, Бак З. и Александер П. выделяют следующие этапы:

1) поглощение энергии ионизирующего излучения;

2) появление ионизированных и электронно-возбужденных молекул;

3) индуцирование изменений в молекулах;

4) развитие биохимических повреждений;

5) формирование субмикроскопических повреждений;

6) проявление видимых повреждений клеток;

7) гибель клетки.

При облучении клеток наблюдаются следующие морфологические изменения: увеличение размеров клеток, увеличение ядер, образование двухядерных и трехядерных клеток, дробление ядер, изменение формы клеток, многополюсные митозы, увеличение объема хромосом, слипание хромосом, образование фрагментов хромосом, которые могут вызывать гибель клеток.

Рис.3. Основные этапы радиационного повреждения клетки

В 1906 г. французские ученые Бергонье Л. и Трибондо И. обнаружили разную радиочувствительность клеток и сделали вывод о том, что радиационная гибель клеток прямо пропорциональна интенсивности их деления и обратно пропорциональна уровню их дифференциации, т. е. делящиеся и молодые клетки очень чувствительны к облучению. К таким клеткам у растений относятся клетки меристем, обеспечивающие рост растений на протяжении всей жизни, а у животных и человека – клетки органов кроветворения: костного мозга и лимфатических желез. Эта закономерность явилась основой для радиотерапии злокачественных опухолей. Известно, что раковые клетки быстрее делятся, обладают меньшим уровнем дифференциации, чем клетки основной здоровой ткани, поэтому они менее радиоустойчивы, чем здоровые клетки.

На радиочувствительность клетки оказывают влияние следующие факторы:

1. Возраст и фаза жизненного цикла клеток – максимальная радиочувствительность у молодых и делящихся клеток. У растений наиболее радиочувствительны клетки меристемных тканей, у млекопитающих – клетки системы кроветворения. Радиочувствительность отдельной клетки зависит от фазы жизненного цикла клетки в момент облучения. Максимальная радиочувствительность в конце G₁ (предсинтетический период ДНК) и в начале S периода (синтез ДНК), а максимальная радиоустойчивость у клеток, находящихся в покое.

2. Принадлежность клеток к определенным тканям и органам, которые выполняют разную функцию в организме. Установлено, что у растений клетки меристемных тканей в тысячу раз радиочувствительнее, чем клетки механических тканей.

3. Объем ядра, количество и размер хромосом, количество ДНК и степень защищенности ее белками. Установлено, что чем крупнее хромосомы, тем выше радиочувствительность, а также, чем меньше хромосом, тем выше радиочувствительность.

4. Доза облучения, мощность дозы и вид излучений. В зависимости от величины дозы выделяют 3 классических реакции клеток на облучение: 1. задержка деления клеток (блокирование митоза); 2. прекращения неограниченного деления клеток (репродуктивная гибель); 3. остановка деления клеток (интерфазная гибель). Максимальный радиобиологический эффект достигается при облучении клеток альфа-излучением.

5. Наличие в клетке естественных радиопротекторов. Известно, что вещества, содержащие сульфгидрильную группу, повышают радиоустойчивость клеток. Реакция клеток на облучения проявляется не сразу, а через определенное время после облучения.