ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Радиационные эффекты на молекулярном и субклеточном уровнях из "Биологические эффекты радиации" В этой главе рассмотрено действие излучения на молекулярном (биофизическом и биохимическом) и субклеточном уровнях в целях возможного объяснения процессов, лежащих в основе радиационного повреждения тканей и целого организма. Эффекты, связанные с физическими процессами поглощения энергии ионизирующего излучения, в значительной степени понятны и кратко описаны в гл. 1. Биологическое действие излучения будет рассмотрено далее. Пробел наших знаний -недостаточное понимание некоторых деталей связи между физическими, химическими и биологическими эффектами излучений. [c.29] Ионизация вызывает в живой материи в течение короткого промежутка времени химические изменения. Повреждения могут быть результатом прямого действия ионизирующего излучения или косвенного — через свободные радикалы (см. с. 22). Цепь химических реакций, приводящих к повреждению молекул, выполняющих важнейшие биологические функции, может происходить в течение 10 с, в то время как для окончательг ного проявления биологического повреждения нередко требуются часы, сутки и даже десятилетия. [c.29] Наше понимание эффектов излучения на молекулярном уровне отражает прежде всего наши знания о молекулярной биологии в целом. Так, первые радиационные биохимики изучали действие ионизирующих излучений в основном на белки и особенно на ферменты в 1960—1970 гг. повьюилось внимание к изучению действия излучения на нуклеиновые кислоты, особенно на дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). Радиационная биология и фотобиология (эффекты УФ-излучения) открыли одно из самых волнующих явлений в области молекулярной биологии — процесс репарации молекулярных повреждений. [c.29] В качестве примера действия излучения на ферменты можно рассмотреть инактивацию дезоксирибонуклеазы (ДНКазы) — фермента, который расщепляет ДНК. На рис. 2.1 приведено действие облучения в разных дозах на активность молекул ДНКазы ин витро при трех различных концентрациях в растворе. Сразу же можно заметить, что с увеличением дозы облучения увеличивается процент инактивированных молекул. Кроме того, радиочувствительность, т. е. реакция на единицу дозы облучения, меняется в зависимости от концентрации фермента в растворе в растворах с низкой концентрацией инактивируется намного больше молекул, чем в растворах с высокими концентрациями. Вероятно, по мере уменьшения концентрации фермента в растворе и увеличения числа молекул воды относительно числа молекул фермента излучение более интенсивно инактивирует молекулы фермента. Это — хорошая иллюстрация косвенного действия излучения (см. гл. 1). При очень больших концентрациях фермента основной радиационный эффект обусловлен прямым действием излучения на фермент. Напротив, при низких концентрациях повреждения фермента вызываются главным образом диффузией реакционноспособных свободных радикалов воды. Для значительной инактивации каталитических свойств фермента ин витро требуется облучение в дозах, превышающих десятки грей. Кроме облучения ферментов ин витро, можно также облучать клетки, а затем выделять необходимые ферменты и проверять их каталическую активность. И опять для получения заметного эффекта ин виво требуется облучение в дозах, превышающих несколько десятков грей. Эти дозы на порядок выше, чем те, которые необходимы для выраженного повреждения клеток. Например, облучение в дозе 1,5 Гр вызовет гибель 2/3 популяции клеток млекопитающих, облученных как ин виво, так и ин витро (см. гл. 3 и 4). Можно предположить, что развитие техники в будущем позволит уловить и изменения е ферментах при облучении в низких дозах — 1—2 Гр. [c.30] Однако следует подчеркнуть, что ферменты чувствительны к излучению только при облучении в разведенных растворах и при отсутствии других белков. Любой нейтральный белок, например сывороточнь1Й альбумин, будет защищать ферменты от радиационного поражения, а в клетке ферменты всегда находятся в непосредственной близости от других белков. [c.31] Помимо расхождения в дозах, необходимых для повреждения ферментов и для повреждения клеток, часто возникают трудности, связанные с интерпретацией радиационного изменения ферментов. Например, при действии излучения ин виво никогда нельзя быть уверенным, поврежден ли сам фермент, или изменение его активности — результат радиецион-ного поражения других компонентов клетки, скажем мембран. Предположение, что изменения ферментов ин виво могут быть вторичными по отношению к другим радиационным повреждениям, подтверждается тем фактом, что обычно для получения заметных изменений в функциях фермента ин витро необходимо облучение в больших дозах, чем при облучении ин виво. [c.31] Учитывать надо также обилие ферментов и то, что многие из них образуются постоянно, поэтому потеря даже значительной доли ферментов после облучения может не отразиться на жизнедеятельности клеток. Вместе с тем вполне вероятно, что некоторые ферменты содержатся в очень малых количествах, являясь уникальными для клетки, так что их инактивация будет вызывать значительное повреждение клетки. Однако такие ферменты пока не обнаружены. На сегодняшний день можно сказать, что для повреждения известных ферментов ин витро или ин виво обычно требуется облучение в гораздо более высоких дозах, чем для индукции серьезных изменений в клетках, приводящих к их гибели. Это, вероятно, объясняется малой чувствительностью современных биохимических методов изучения ферментов или тем фактом, что в клетке есть более чувствительные к облучению мишени, чем ферменты. [c.31] Уотсон и Крик предположили, что генетическая информация в ядре содержится в молекулах ДНК в виде линейной последовательности оснований. В дальнейшем было установлено, что эта информация действительно записывается с помощью указанных выше четырех оснований. Триплеты из соседних оснований в матричной РНК (мРНК) кодируют определенные аминокислоты. Поэтому определенная последовательность оснований соответствует определенной линейной последовательности аминокислот, т. е. определенной молекуле белка. Таким образом, гены на молекулярном уровне представляют собой линейную последовательность нуклеотидов (см. также гл. 7). [c.33] Было обнаружено, что ДНК эукариотических клеток состоит на 50% из повторяющихся последовательностей оснований, а остальная часть представляет собой уникальные последовательности. Вполне вероятно, что эти короткие повторяющиеся последовательности ДНК распределены по всему геному и перемежаются с более длинными отрезками уникальных последовательностей. Функция повторов в организации генов и транскрипции неизвестна, ще одну трудность в понимании строения генома эукариот представляет то, что гены не всегда состоят из непрерывных последовательностей кодонов, которые кодируют весь белок. Некоторые гены расщеплены и имеют некодирующие последовательности оснований (интроны), распределенные между последовательностями, кодирующими белок (экзонами). [c.33] Модель эта неверна проблема разделения нитей решена в связи с открытием топоизомераз. — Прим. ред. [c.33] Совершенно очевидно, что ДНК подвержена постоянным повреждениям, вызываемым химическими агентами, УФ- и ионизирующим излучением. Значительная часть энергии клетки расходуется на синтез ферментов для репарации и поддержания постоянства последовательности оснований в ДНК (генетического кода). В следующих разделах этой главы будут рассмотрены некоторые последние данные в этой области науки. Однако необходимо оделеть одно предупреждение типы повреждений ДНК, которые мы можем наблюдать и исследовать, не обязательно окажутся самыми значительными. [c.35] В настоящее время для большинства клеток показано, что ликвидация ОР происходит с помощью не менее двух процессов - быстрого и медленного. — Прим. ред. [c.37] На рис. 2.8 приведена общая модель пострепликативной репарации повреждений ДНК. Эта модель, как и большинство других, связанных с репарацией ДНК, впервые предложена фотобиологами, работавшими с поврежденными УФ-излучением микроорганизмами. В соответствии с этой моделью синтез ДНК происходит только в области неповрежденных участков, а во вновь образованной дочерней цепочке напротив повреждения остается брешь (рис. 2.8, а, б). Затем эта брешь заполняется отрезком материнской нити ДНК путем процесса рекомбинации (рис. 2.8, в). Возникшая таким образом брешь в материнской ДНК заполняется затем при помощи репаративного синтеза, аналогичного тому, который показан на рис. 2.7, б, в и г. Необходимо отметить, что поврежденный участок в действительности не репарируется, а обходится, и потерянная генетическая информация восполняется из дублированных запасов информации, содержащейся в клетке. [c.38] Вернуться к основной статье