Радиолиз ДНК, белков, липидов, углеводов. Механизмы репарации ДНК

Радиолиз нуклеиновых кислот. Под действием ионизирующего излучения происходит выбивание электронов, перемещение дефектного участка по полинуклеотидной цепи в результате миграции электронов с образованием свободных радикалов в области остатков тимина или цитозина, пуриновых колец, фосфатно-углеводных связей. Большая часть энергии ионизации расходуется на разрушение структуры оснований ДНК, остальная часть (10-20%) ведет к разрыву фосфатно-углеводных связей. Из-за лабилизации связей между ДНК и гистонами происходит деконденсация хроматина, что изменяет доступность поврежденных участков ДНК как к действию агентов, фиксирующих повреждение, так и репарационных ферментов. Однако процессы нуклеазной деградации превалируют над процессами ресинтеза.

В результате непосредственного образования радикалов или под действием продуктов радиолиза воды (гидроксильный радикал) в ДНК наблюдаются одно- и двунитевые разрывы, сшивки ДНК-ДНК, ДНК-РНК, ДНК-белок, внутримолекулярные сшивки, модификация азотистых оснований, образование тиминовыхдимеров. Радикалы ОН^● способны отщеплять атомы водорода у всех атомов углерода дезоксирибозы ДНК, и образование радикалов у С₃ и С₅ ведет к расщеплению фосфорноэфирных связей. Определено, что облучение в дозе 1 Гр вызывает образование в клетках от 10 до 100 двунитевых разрывов, 1000 одиночных разрывов и повреждение около 5000 азотистых оснований.

Под действием ионизирующего излучения образуются следующие виды хромосомных аберраций: концевые делеции и фрагментация хромосом, образование кольцевых хромосом после отрыва фрагментов и соединения концов делеций, транслокации вследствие внутрихромосомных и симметричных межхромосомных обменов, образование дицентриков, вследствие ассиметричного обмена между двумя хромосомами, и хромосомных мостов. Хромосомные аберрации сопровождаются потерей генетического материала (в виде ацентрических фрагментов), неравномерным разделением хромосом, механическими препятствиями к делению клетки (мосты).

Радиолиз белков. При прямом действии ионизирующего излучения из молекулы белка выбиваются электроны с образованием положительных ионов. В результате в полипептидной цепи начинается миграция электронов для заполнения дефектных участков, и возникают свободные радикалы. Свободные радикалы белковых молекул образуются также при взаимодействии с продуктами радиолиза воды. Под воздействием свободных радикалов в присутствии кислорода происходит модификация аминокислот в полипептидной цепи, разрыв слабых (водородных, гидрофобных) и сильных (дисульфидных, пептидных) связей, отщепление аммиака сероводорода, образование новых ковалентных связей, что ведет к возникновению сшивок и агрегатов и нарушению в итоге нативной структуры белка.

Радиолиз липидов. Фосфолипиды, составляющие структурную основу клеточных мембран, считаются наиболее радиочувствительными из органических веществ. Под воздействием поглощенной энергии ионизирующего излучения легко образуются радикалы ненасыщенных жирных кислот, которые после взаимодействия с кислородом образуют гидропероксиды и новые свободные радикалы, что поддерживает цепной характер окисления липидов. В присутствии ионов с переходной валентностью происходит разветвление цепных реакций.

Радиация активирует цепные реакции, которые в обычных условиях протекают в клетке с очень малой скоростью и контролируются эндогенными ингибиторами.

Образование радикалов фосфолипидов ведет к разрыву молекул по месту эфирной связи с образованием лизоформ. Перекисные продукты способны оказывать токсический эффект на мембраны, изменятьхимический состав липидов, их вязкость, проницаемость, электрокинетический потенциал, рецепцию. В итоге нарушаются жизненно необходимые функции мембран как суперструктуры: барьерная, рецепторно-сигнальная, регуляторно-ферментативная, транспортная, что может вести клетку к гибели. Нарушаются проницаемость мембран и транспорт через них ионов, активация мембраносвязанных ферментов, снижается продукция макроэргов, что уменьшает активность репарации ДНК.

Радиолиз углеводов. Ионизирующее излучение вызывает образование из углеводов свободных радикалов и перекисей, из глицеринового альдегида - метилглиоксаля, который ингибирует синтез ДНК, белка и деление клеток.

Механизмы пострадиационного восстановления. Выделяют фазу быстрого восстановления в течение первого часа после облучения и фазу медленного восстановления, которая длится еще 6-8 часов.

В репарации повреждений ДНК участвуют следующие группы ферментов:

- нуклеозидазы (отщепляют поврежденные пуриновые и пиримидиновые основания с образованием апуриновых и апиримидиновых участков АП-сайты);

- инсертазы (встраивают новые основания в АП-сайты);

- лиазы (расщепляют тиминовыедимеры);

- эндонуклеазы (производят разрез ДНК - инцизию);

- экзонуклеазы (удаляют поврежденный участок ДНК эксцизия);

- ДНК-лигазы (сшивают нуклеотиды);

- ДНК-полимеразы (производят полимеризацию нуклеотидов-трифосфатов, размещенных в необходимом порядке при участии неповрежденной комплементарной цепи).

Однонитевые разрывы ДНК легче поддаются восстановлению, т. к. комплементарная нить интактна и удерживается возле поврежденной нити ДНК водородными связями. Поврежденные фрагменты нити ДНК вырезаются (эксцизия) и заменяются новыми. При восстановлении двунитевых разрывов вероятность ошибок больше, они не всегда поддаются восстановлению и служат главной причиной хромосомных аберраций.