Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Реферат - Действие излучений высоких энергий на живые организмы - файл rad.doc


Реферат - Действие излучений высоких энергий на живые организмы
скачать (119.7 kb.)

Доступные файлы (1):

rad.doc294kb.05.05.2009 19:23скачать

rad.doc

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Кафедра Физической электроники

Реферат
Дисциплина: Биофизика

Тема: Действие излучений высоких энергий (рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-излучение) на живые организмы. Молекулярные механизмы и последствия облучения.


Выполнил студент
Преподаватель,

(подпись)
_________ 200__ г.

Санкт-Петербург 2008

Введение

В связи с развитием науки и техники, а, в частности, атомной энергетики, космонавтики , медицинских технологий, все большее и большее число людей и прочих живых организмов взаимодействует с ионизириющим излучением. В то время как ионизирующие излучения являются наиболее изученной частью спектра электромагнитных излучений, их биологический эффект остается гораздо менее изученным. Эта тема является очень обширной и интересной для исследования, что и побудило меня выбрать её в качестве курсовой работы. Я не ставил своей целью подробно рассмотреть какой-нибудь конкретный аспект биологического воздействия излучений высоких энергий на организм, моей задачей было, скорее, дать общий обзор проблемы, рассказать об основных механизмах, происходящих при облучении живой клетки.

^ 1.Виды доз радиации. ОБЭ.Радиобиологический парадокс

К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения (рентген с λ<19 нм,гамма-лучи) и корпускулярные излучения(ускоренные частицы и ядра различных элементов).

Экспозиционная доза-мера измерения радиации,основанная на ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении.

Поглощенная доза определяется отношением поглощенной энергии на массу вещества. Единица измерения-Грей(си)

Эквивалентная доза. Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Причина этого будет подробнее рассмотрена позднее.

Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент — коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества .Единица измерения-зиверт.

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучения

Тип излучения

Коэффициент ОБЭ

Рентгеновское и гамма-излучение

1

Электроны, позитроны бета-излучение

1

Нейтроны с энергией менее 20 кЭв

3

Нейтроны с энергией 0.1-10Мэв

10

Протоны с излучением меньше 10 МЭв

10

Альфа-излучение с энергией меньше 10 Мэв

20

Тяжелые ядра отдачи

20


Можно установить зависимость между количеством поглощенного излучения и выраженностью биологического эффекта. Мы можем ,например, выяснить какая минимальная доза облучения вызовет 100%-смертность у всех видов млекопитающих. Эта доза составляет примерно 10 Гр, что вызовет изменение температуры тела менее чем на 0.002С. Следовательно, в самом факте поглощения определенной дозы ионизирующей радиации нет ничего такого, что объясняло бы её необычно высокую биологическую интенсивность. (энергетический парадокс в радиобиологии)
^ 2.Принцип попадания и концепция мишеней

Уже в первых исследованиях ионизирующего излучения отмечалась важнейшая закономерность- вероятностная природа реакции клеток на облучение. То есть доза радиации влияла не столько на серьезность нанесенных клетке повреждений, сколько на количество летально поврежденных клеток, причем даже при небольших дозах излучения наблюдалось некоторое их количество, а при больших дозах оставалось некоторое число выживших клеток.

Это можно было бы объяснить тем, что радиочувствительность у разных клеток одной популяции может сильно варьироваться. Но такое объяснение в случае радиобиологического воздействия является малоубедительным, так как сложно представить, что клетки генетически однородной популяции в десятки тысяч раз отличаются по радиоустойчивости. Отсюда следует, что объяснение вида кривых доза-эффект(рис 2.1) нужно искать в способе сообщения ими энергии биологическому объекту, то есть в другой, биофизической трактовке зависимости доза-эффект. Она основывается на представлении о дискретной природе ионизирующих излучений и вероятностном характере передачи энергии внутриклеточным молекулярным структурам.

Рис 2.1 кривые доза-эффект

В 1924 году Дж. Кроутер сформулировал теорию попадания. Считая попадание возникновением акта ионизации в определенном объеме, автор предположил, что регистрируемый эффект связан с определенным числом ионизаций в пределах мишени, занимающей некоторый чувствительный объем внутри клетки. Параметры мишеней оказались сопоставимыми с размерами центриолей и ядрышек. Таким образом, был сделан вывод о ведущей роли ядра и внутриядерных наследственных структур в летальном поражении клетки.

В общем виде количественный анализ, основанный на принципе попаданий ,состоит в том, что кривые доза-эффект, полученные в ходе эксперимента, интерпретируются на основе следующих физических положений:

-ионизирующее излучение является дискретным

-попадания не зависят друг от друга и подчиняются распределению Пуассона.

-исследуемый эффект наступает, если число попаданий в мишень равно хотя бы n>1

Для начала рассмотрим случай одноударного процесса

Представим себе, что облучаемая система состоит из N объектов ,каждый из которых обладает мишенью с сечением S и объёмом V. Попаданием будем называть акт прохождения ионизирующей частицы через S. Если траектории частиц распределены по поперечному сечению объекта случайным образом, то вероятность одного, двух, n попаданий в мишень, находящуюся в переделах объекта описывается следующей формулой:


Хорошо знакомое нам распределение Пуассона. Если Ф-среднее число частиц, пролетающих через площадку(флюенс), а S-сечение мишени, то α=ФS. При некоторой дозе облучения выполняется ФS=1. Это соответствует равенству числа попаданий и числа мишеней. Согласно формальной статистике Пуассона это соответствует поражению 63% мишеней 37% остаются непораженными. Такую дозу излучения называют . Зная флюенс, соответствующий этой дозе можно легко найти S мишени Из формулы следует, что при сколь угодно малой дозе радиации существует отличная от нуля вероятность попадания. Также из нее следует, что число «выживших» объектов(то есть тех, для которых n=0) при возрастании дозы радиации падает экспоненциально. .

Аналогично можно рассуждать и при анализе одноударных процессов при действии рентгеновского или гамма-излучения , вызывающего акты ионизации по всему объему исследуемого тела. Единственное отличие от предыдущего случая заключается в коэффициенте α=VD где V-объем, а D-доза, измеряемая количеством попаданий в единичный объем.

Предположение об одноударной инактивации объекта достаточно хорошо согласуется с кривыми доза-эффект, но если мы предположим, что оно верно, то тогда мы должны прийти к следующим выводам:

1.Эффект не зависит от интенсивности облучения(мощности) и от того, какими частями она сообщалась. Эффект данной дозы определяется только ее величиной

2.При одинаковом эффекте вызывающая его доза излучения возрастает при переходе от редко- к плотноионизирующим частицам. Действительно, если одиночной ионизации достаточно для наблюдения тестируемого эффекта, то частицы большой плотности ионизации вызовут в пределах мишени большое число «лишних» ионизаций. Для редкоионизирующих излучений вероятность нескольких ионизаций в пределах одной мишени мала. При одноударном процессе Рис 2.2многоударный процесс большинство ионизаций, вызванных плотноионизирующим излучением бессмысленно. Поэтому при равной дозе(то есть при равном числе ионизаций ) редкоионизирующее излучение оказывается более эффективным.

Напротив, если тестируемый эффект наступает в итоге большого числа ионизаций в пределах мишени, то частицы с высокой плотностью ионизации окажутся более эффективными. Кривые доза-эффект при многоударном механизме инактивации отличаются от кривых, полученных для одноударного процесса. В полулогарифмическом масштабе семейство дозовых кривых для n=1,2,3 представлены на рис. 2.2

Чем больше ударность мишени, тем больше «плечо»-начальный, более горизонтальный участок

кривой. Вслед за плечом идет переход к прямолинейному участку, наклон которого совпадает с наклоном соответствующей одноударной кривой. Формы этих кривых объясняются тем, что при малых дозах очень небольшое количество объектов может испытать требуемое число попаданий К . Остальное же число клеток испытывает не более k-1 попаданий. По достижении k-1 попаданий во все или в большинство тестируемых объектов возникнет ситуация, при которой еще одно,k-ое попадание приведет к тестируемому эффекту, начиная с этой дозы, кривая принимает вид, характерный для одноударного процесса.

Формально такие кривые могут быть получены путем суммирования всех мишеней, получивших от 0 до n-1 попаданий, то есть ,снова используя распределение Пуассона, мы получим следующую формулу:



Подставив сюда n=1 получим формулу для одноударного процесса .

Лишь в очень ограниченном числе случаев зависимость доли выживших клеток от дозы является экспоненциальной, то есть простой одноударной кривой. В реальности гораздо более чаще получают зависимости, которые имеют плечо. (рис2.3)

Рис 2.3 определение основных

параметров кривой выживания

Такой тип кривой описывается уравнением



где п — экстраполяционное число, определяемое как значение ординаты в месте ее пересечения экстраполированным прямолинейным участком кривой выживаемости, Do определяет исходную радиочувствительность и вычисляется как приращение дозы, снижающей выживаемость в е раз на прямолинейном участке кривой «доза-эффект». Как видно из рис.2.3, Dqнечто вроде пороговой дозы(порога чувствительности) — соответствует отрезку, отсекаемому от перпендикуляра, проведенного из точки 100-процентной выживаемости на оси ординат, продолжением линейного участка кривой выживаемости. В этом случае доза связана с и простым уравнением:

= +
Такой тип кривых можно описать с помощью двух моделей:

1)В клетке существует одна уникальная мишень, для инактивации которой нужно n попаданий

2)В клетке существует m мишеней, для инактивации каждой из которых требуется несколько попаданий

С помощью ЭВМ можно получать теоретические кривые выживаемости, варьируя параметры Dq, ,n. Таким образом, мы можем найти значения, при которых теоретические кривые наилучшим образом совпадают с экспериментальными данными. В таком случае можно судить, какая из моделей является наиболее достоверной и делать предположения о числе мишеней и количестве попадания,необоходимых для инактивации.

Благодаря этим методам, стало возможным создание большого числа весьма сложных моделей,для описания большинства которых требуются математические модели.
^ 3.Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений

Прямое действие это непосредственное взаимодействие ионизирующего излучения с критическими молекулами, которые превращаются в свободные радикалы.



Если же молекула была поражена активными реакционноспособными продуктами, возникшими за счет поглощения энергии излучения ее микроокружением (например, полярными или неполярными растворителями), то говорят о непрямом (опосредованном, косвенном) действии радиации. Как правило, считают, что вклад косвенного действия более существенен, так как клетки на 70-90% состоят из воды, хотя биологически не важно, как происходит повреждение.

Рассмотрим действие ионизирующего излучения на воду и водные растворы



Образовавшийся электрон будет постепенно терять энергию ,до тех пор, пока его не захватит другая молекула воды.



Этот процесс - относительно медленный. Кроме того, электрон может оказаться гидратированным, то есть окруженный определенным количеством молекул воды, так что несколько молекул превратятся в диполи и будут ориентированны по направлению к электрону, имеющему отрицательный заряд. Гидратированный электрон при комнатной температуре достаточно стабилен, но способен к реакции с различными молекулами в растворе. Такие реакции наиболее вероятны при больших концентрациях молекул в растворе. Так как концентрация веществ в клетках бывает достаточно высокой, появление таких гидратированных электронов играет большое значение . Ни , ни не являются стабильными и каждая из них распадается, образуя ион и свободный радикал



При каждых 1000эВ, поглощенных чистой воды образуются следующие продукты:26 гидратированных электронов(), 26 гидроксильных радикалов(), 4 атома водорода()и небольшое количество и . Наиболее реакционноспособны :, ,. Они могут вступать в реакцию друг с другом или димеризоваться.

,

Или вступать в реакцию с другими молекулами воды, например



А также реагировать с продуктами предыдущих реакций, в которых участвовали радикалы.



Химические свойства продуктов рассмотренных реакций аналогичны свойствам свободных радикалов, то есть они способны вырывать атом водорода из органических молекул вида RH

,

Такие реакции ведут к образованию новых радикалов. Они могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить к поражению клеточных структур. Свободные радикалы могут также взаимодействовать с растворенным в воде кислородом, приводя к появлению перекисных радикалов водорода. Повышенная эффективность воздействия кислорода на живые клетки известна как кислородный эффект. Он связан с увеличением количества свободных радикалов под действием излучения в присутствии кислорода. Взаимодействие кислорода и гидратированных свободных радикалов приводит к появлению относительно стабильных гидроперекисных радикалов и перекиси водорода



Образовавшиеся радикалы(от прямого и косвенного воздействия) могут взаимодействовать с кислородом следующим образом:



А в большом количестве RH можно получить цепную реакцию.



Две последние реакции равноценны с точки зрения нанесения биологического повреждения. Они происходят примерно в 30 раз быстрее, чем конкурирующие реакции, например R+цистеин или другой радикал водорода, где образуется стабильная молекула RH, то есть происходит восстановление.

^ 4.Радиацинно-обусловленные изменения и радиочувствительность биологических молекул в растворах.

Рассмотрим действие ионизирующих излучений на: нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и белковых молекулы(ферменты)

Можно выделить несколько общих путей радиационных превращений молекул белков, нуклеиновых кислот и фосфолипидов в растворах.

Начальный этап — образование радикалов растворенного вещества. Здесь можно отметить следующие основные типы реакций: отрыв атома Н с разрывом связи —С—Н, разрыв двойной межуглеродной связи, отщепление присоединенной группы (реакция диссоциации). Далее происходят межрадикальные реакции и реакции радикалов растворенного вещества с его молекулами и другими при­сутствующими в растворе молекулами.

Следует выделить также и такие реакции, как гидроксилирование или гидрирование; образование карбонильных соединений RC=0; димеризацию; диспропорционирование, в результате которого образуется исходная молекула и новое ненасыщенное соединение; образование гидроперекисных радикалов, гидроперекисей и далее продуктов их разложения — карбонильных соединений: альдегидов, кетонов, спиртов.

Инактивация белковых молекул происходит в результате их взаимодействия с радикалами. Зависимость доза-эффект для белков в водном растворе имеет экспоненциальный характер, это означает что причина их инактивации -одиночное событие попадания. В водном растворе одним событием попадания может быть одна специфическая реакция радикала со структурным звеном макромолекулы. Обнаружить её обычно бывает трудно, так как соударений с радикалами обычно бывает много, то есть повреждено может быть большое число аминокислот, но повреждение лишь одной из них может быть критичным.

Важной причиной инактивации белка является изменение его конформации- изменение конфигурации молекулы в результате разрушения аминокислот, формирующих гидрофобные или S=S связи, поддерживающие вторичную структуру белка.

Механизм повреждений нуклеиновых кислот будет подробнее рассмотрен в соответствующей главе.

Рассмотрим радиационно-химические изменения фосфолипидов. Основные радиационно-химические превращения водных растворов, суспензий и эмульсий фосфолипидов начинаются с разрушения двойной связи в ненасыщенной жирной кислоте. В присутствии кислорода за ним следует образование гидроперекиси и распад последней с образованием различных карбонильных соединений, накопление которых в избыточных количествах оказывает токсическое действие на клетку. По мнению многих радиобиологов, фосфолипиды могут быть отнесены к молекулам-мишеням хотя бы по той причине, что повреждение их даже в небольших количествах приводит к изменению проницаемости биологических мембран, нарушению ионного гомеостаза, энергетических и обменных процессов в клетке. Такие нарушения могут привести клетку к летальному исходу при облучении ее в относительно невысоких дозах. Однако, для выяснения неординарной роли фосфолипидов в лучевом поражении субклеточных структур и биологических структур более высокого порядка — клеток, иных тканевых структур, самих тканей — необходимы данные о сравнительной радиочувствительности различных биологически важных молекул.

Для начала введем понятие радиочувствительности. В радиохимических экспериментах радиолиз молекул, как известно определяется его радиационно-химическим выходом G, который выражается количеством молей изменившегося субстрата на 100 эВ поглощенной энергии. Он определяется следующей формулой:

, где μ-некий коэффициент , зависящий от выбранных единиц измерения.

Эксперименты, проведенные А.В Савичем в 1987 году, показали, что радиочувствительность фосфолипидов на 1-2 порядка превосходит радиочувствительность белковых молекул и нуклеиновых кислот, что подтверждает наше предположение о критичности поражения фосфолипидов. Однако, поражение ДНК является более критичным, так как она несет наследственную информацию

^ 5.Повреждения и процессы восстановления ДНК в облученной клетке

Как уже было сказано ранее, поражение ядра, а, вернее, находящейся в ней ДНК, является во много раз более критичным, чем поражение других органелл. Рассмотрим механизмы ее повреждения и восстановления подробней

^ 5.1Повреждения ДНК в облученной клетке

Поглощенная мишенью — макромолекулой ДНК , энергия ионизирующих излучений обусловливает, как уже говорилось, ионизацию в молекулах, локализованных в чувствительном объеме. Ионизации с определенной вероятностью приводят к разрыву химических связей в молекулах. Количество ионизации, индуцируемых в треке частицей, пересекающей чувствительный объем , зависит от качества излучений. Так, при рентгеновском или гамма-излучениях в ядре диаметром 8 мкм индуцируется несколько десятков ионизации, что эквивалентно дозе, приблизительно, в 1 мГр. При пролете альфа-частицы (4 МэВ) в ядре с теми же параметрами происходит 23000 ионизации, эквивалентных дозе 370 мГр. Однако следует отметить, что плотность ионизации неоднородна даже в треках частиц с малыми величинами

Известно также, что число разорванных химических связей зависит не только от ионизации и возбуждения молекул, но и от их локальных концентраций в треке пролетающей частицы. Эти концентрации в свою очередь зависят от способа пространственной упаковки молекулы-мишени. При равной концентрации молекул-мишеней в некотором объеме проход соответствующей частицы может реализовать различные типы повреждений. Например, если отдельные участки молекулы пространственно сближены и находятся в области пролетающей частицы, увеличивается вероятность одновременных разрывов в этих участках.

В зависимости от ЛПЭ пролетающей частицы при прочих равных условиях облучения количество и типы разрывов в анализируемом участке молекулы-мишени варьируют. Множественные повреждения макромолекул в локальной области называют комплексными. Таким образом, повреждения в молекулах-мишенях зависят от способа пространственной организации их отдельных фрагментов и качества излучения.

Все типы повреждений ДНК в облученной клетке можно условно разбить на следующие три группы.

К первой группе принадлежат изменения в каждой из цепей двухспиральной молекулы ДНК, не нарушающие ее пространственную непрерывность как целого. Среди таких повреждений выделяют однонитевые разрывы (ОР), модификации и повреждения оснований и др. Большинство повреждений этого типа образуется вследствие атаки соответствующих участков ДНК радикалами, генерируемыми в среде, т. е. в результате непрямого действия излучений.

Вторую группу образуют повреждения, приводящие к нарушению пространственной и, следовательно, информационной непрерывности двухспиральной молекулы ДНК как целого. К повреждениям этого типа относят двунитевые (двойные) разрывы (ДР), являющиеся следствием образования ОР на противоположных цепях ДНК. При этом расстояние между ОР на противоположных цепях может варьировать от единиц до превышающих десяток нуклеотидных пар.

К третьей группе повреждений ДНК в облученной клетке можно отнести нарушение ее вторичной структуры и надмолекулярной организации, вклад которых в общую картину лучевых повреждений пока еще недостаточно изучен.

^ 5.2.Репарация ДНК от повреждений в облученной клетке

Весь спектр ДНК -репарационных реакций в облученной клетке можно разделить на два типа.

Первый реализуется, когда повреждения носят локальный характер реализации в одной из двух цепей ДНК. Тогда антипараллельная ей цепь ДНК является ей матрицей для восстановления физической и информационной непрерывности поврежденной цепи, т. е. для репарации. Типичным примером таких повреждений являются ОР ДНК.

Второй тип относится к репарации ДНК от ДР, когда повреждены обе цепи ДНК, т. е. отсутствует матрица, необходимая для воссоздания исходной структуры информации макромолекулы.

Повреждения, которые устраняются по первому типу, возникают при облучении клетки в любых дозах, особенно когда речь идет об излучениях с низкими значениями ЛПЭ. Количество повреждений, разумеется, зависит от величины дозы облучения. Однако в клеточной ДНК возникает и множество спонтанных изменений. Большая их часть является следствием атаки ДНК окислительными радикалами, образующимися в процессе нормальной жизнедеятельности клетки и «ускользнувшими» от систем инактивации.

Было рассчитано, что в результате окислительного метаболизма в одной клетке млекопитающих продуцируется в течение суток около 109 радикалов. Они принимают участие в среднем в 105 модификациях ДНК в клетке за тот же период. Однако только незначительная часть из всех повреждений ДНК в клетке сохраняется. Умеренное воздействие внешних факторов среды незначительно увеличивает эту цифру. в клетке ежеминутно возникает доста­точно большое количество спонтанных повреждений ДНК (более ста тридцати), которые в основном успешно устраняются.

В ДНК - репарационных процессах первого типа, в зависимости от характера повреждения, участвуют различные ферменты: гликозилазы, фосфодиэстеразы, ДНК-полимеразы, лигазы и др. Количество таких ферментов достаточно велико. Так, в дрожжевых клетках известно более 50 генов, продукты которых участвуют в процессах репарации ДНК.

Следует отметить, что некоторые процессы репарации первого типа реализуются с разными скоростями в разных участках генома. Например, активно экспрессируемые гены восстанавливаются от повреждений значительно быстрее, чем остальные участки генома. Известно также, что только одна цепь в ДНК-дуплексе транскрибируется. Повреждения именно в этой цепи устраняются наиболее быстро. Этим, по-видимому, объясняется накопление мутаций в нетранскрибируемой цепи ДНК.

Как следует из изложенного, при действии ионизирующих излучений в малых дозах (и при низких значениях ЛПЭ) повреждения ДНК, индуцируемые в одной из ее цепей, должны в основном устраняться благодаря емкости ДНК-репарационной системы, принимающей участие в восстановлении спонтанных повреждений .

Совершенно иная ситуация складывается в случае двунитевых разрывов ДНК. Такие разрывы, образуются даже при фоновых дозах облучения. Образование ДР приводит к потере физической непрерывности ДНК и, как следствие, к отсутствию антипараллельной цепи, которая является матрицей для репарации ДНК по первому типу.

В настоящее время известны два пути репарации ДНК от двунитевых разрывов. Механизм первого из них — сшивание негомологичных концов (поп homologous end joining — NHEJ) связан с первоначальной стабилизацией разорванных концов ДНК Ku-белками и с последующим образованием комплекса между этой структурой и ДНК-зависимой протеинкиназой. Существенно, что при реализации NHEJ-стратегии не происходит движения разорванных концов ДНК в пространстве ядра клетки. При этом координаты ДР относительно фиксированы, а комплексы белков, необходимых для репарации, вероятнее всего мигрируют к месту ДР.

Следует, однако, отметить, что при репарации ДНК по этому механизму возникают нарушения в ее первичной структуре. Эти нарушения обусловлены тем, что при установлении микрогомологии в районе разрыва остаются свободные концы ДНК, которые затем «отрезаются» при помощи ряда ферментативных реакций.

Второй механизм репарации ДНК от ДР реализуется с помощью гомологичной рекомбинации.

Последовательности ДНК, от которых информация передается на поврежденную копию, должны быть идентичны на достаточно большой длине (более 200 пар нуклеотидов). Такие рекомбинационные процессы могут реализоваться, например, между материнскими и отцовскими копиями одного и того же гена. Известно, что рекомбинации могут осуществляться также между соответствующими последовательностями ДНК в пределах одной хромосомы.

Соотношения между обоими типами репарации ДНК от ДР зависят от ряда условий, в том числе — от стадии клеточного цикла.

Репарация с участием механизма гомологичной рекомбинации подразумевает сближение гомологичных последовательностей в пространстве ядра клетки. Известно также, что часто соответствующие локусы гомологичных хромосом пространственно разобщены. Радиация индуцирует процессы, приводящие к перемещению этих локусов в пространстве ядра клетки, необходимые для их сближения. Естественно, что репарация ДНК от ДР как более сложный процесс (по сравнению с репарацией от ОР) требует более длительного времени и не всегда возможна. Нерепарируемые ДР ДНК часто оказываются летальными для клетки. С еще меньшей вероятностью следует ожидать восстановления комплексных повреждений ДНК, локализованных в кластерах.

Таким образом, при облучении в малых дозах повреждения ДНК, репарируемые по первому типу, должны полностью восстанавливаться (естественно, возможно с некоторой, хотя и малой вероятностью ошибки).

При репарации ДНК от ДР происходит сложная перестройка пространственной организации генома, а следовательно, изменение активности ряда генов, необходимых для реализации этой программы. При описании кривых выживаемости клеток, независимо от концепции, лежащей в основе такого описания, необходимо учитывать возможность восстановления ДНК от ряда первичных ее повреждений.

^ 6.Механизмы гибели и процессы восстановления клеток.

В зависимости от фазы клеточного цикла различают репродуктивную и интерфазную гибель.

6.1Репродуктивная и интерфазная гибель.

Первая видимая реакция клеток на облучение — задержка их вступления в митоз, т. е. клетка, облученная в интерфазе, не делится в ожидаемый момент. Опыты показали, что выраженность задержки деления зависит от стадии клеточного цикла: наибольший эффект наблюдается при облучении клеток в стадиях S и G1- Чем больше доза облучения, тем продолжительнее задержка деления.

Через определенный промежуток времени, зависящий от величины дозы, клетки вступают в митоз. Их дальнейшая судьба складывается по-разному. Часть клеток облученной популяции, вступив в митоз, не в состоянии разделиться. Образуются гигантские клетки. Их размеры могут в сотни раз превосходить размеры необлученных клеток. По-видимому, гигантские клетки возникают не за счет набухания, а в результате общего увеличения синтезированных клеточных компонентов (содержание ДНК, РНК и белка увеличивается пропорционально размерам клетки). В конечном итоге, гигантские клетки погибают, вероятно, из-за нарушения механической прочности мембран и изменения оптимального для питания соотношения поверхности клетки и ее объема.

Большая часть облученных клеток проходит митоз и делится. Однако сразу же после первого деления появляются погибшие клетки. Еще больше клеток гибнет после второго, третьего и т. д. митозов

Описанный тип гибели неразрывно связан с процессом митоза. Его существенная особенность состоит в том, что облученные клетки в течение определенного промежутка времени сохраняют метаболическую активность, но не в состоянии разделиться с образованием жизнеспособных дочерних клеток, способных делиться далее. До первого постлучевого митоза погибшие клетки не появляются — процессы митоза как бы выявляют летальные повреждения, вызванные облучением.

Так как этот вид гибели тесно связан с митозом, то быстроделящиеся клетки(например, клетки костного мозга) будут умирать именно так

Рассмотрим теперь неделящиеся или медленно делящиеся клетки. Примером неделящихся клеток служат дифференцированные нервные или мышечные клетки; к медленно делящимся относятся клетки печени; у малых лимфоцитов и юных ооцитов способность к делению ограничена. Гибель после облучения клеток этого типа, являющихся «постмитотическими», крайне редко делящимися, почти не зависит от деления: облученные клетки гибнут в интерфазе. Для обозначения рассматриваемого типа гибели приняты термины: «немитотическая гибель», «немедленная гибель», «гибель в отсутствие деления», «гибель в интерфазе» — «интерфазная гибель».

На самом деле, интерфазная гибель возможна и для быстроделящихся клеток:это возможно при облучении очень большими дозами радиации - так называемая смерть под лучом.

Чувствительность клетки к летальному действию радиации можно уменьшить или увеличить с помощью различных факторов, изменяющие биологические характеристики клеток.

Модифицирующие факторы пытаются применить в лучевой терапии для поражения злокачественных клеток и защиты нормальных.

^ 6.2Модификация репродуктивной гибели

6.2.1Факторы, способные изменять степень начального радиационного поражения

Как уже было сказано, при облучении в присутствии кислорода увеличивается выход однонитевых разрывов ДНК и эффективность летального поражения клеток. Мизонидазол подавляет репарацию потенциально летальных повреждений (двухнитевых разрывов ДНК). Известными ингибиторами репарации ДНК являются кофеин, актиномицин Д, бромдезоксиуридин

Цистеамин и цистеин увеличивают устойчивость клеток к действию радиации при одновременном снижении выхода одно- и двунитевых разрывов в клеточной ДНК.

Таким образом, модифицируя начальное радиационное повреждение ДНК, можно изменить радиочувствительность быстроделящихся клеток, понизить неизбежность репродуктивной гибели значительной части их и наборот.

6.2.2^ Факторы, модифицирующие процессы восстановления.

При увеличении плоидности клетки повышаются ее устойчивость к действию излучения и способность восстанавливать генетический аппарат от повреждений. Напротив, с ростом ЛПЭ излучения эффективность лучевого поражения клеток увеличивается в 2-3 раза, и снижается их способность к восстановлению, вероятно, за счет появления трудноустранимых повреждений.

Ряд химических агентов, влияющих на восстановление клеток от радиационных повреждений, модифицирует радиочувствительность (актиномицин Д, циклогексимид, стрептовитацин А и др.).

Известно, что на разных стадиях цикла деления клетки обладают неодинаковой по критерию гибели радиочувствительностью. Для большинства клеток наиболее радиочувствительными являются стадии «поздняя G1», «поздняя G2» и «М». На стадиях «ранняя G» и «поздняя S» клетки наиболее устойчивы к облучению. Некоторые воздействия, изменяя продолжительность отдельных стадий клеточного цикла, делают иным распределение клеток в популяции «по возрасту» и, таким образом, модифицируют радиочувствительность популяции клеток.

^ 6.3Модификации интерфазной гибели.

Существует три разновидности химических факторов, модифицирующие интерфазную гибель,

Все они снижают вероятность гибели клеток за счет снижения диспергированности хроматина.

Действительно, в их присутствии понижается число клеток с пикнозом ядер- их «сморщивания» в однородную гиперхромную массу и последующей гибели. Однако они не снижают доли погибших клеток, если их оценивать по выходу K, уменьшению скорости дыхания и окрашиванию красителями. Это означает, что пикноз может зависеть от диспергированности хроматина, но другие проявления интерфазной гибели связаны с иными процессами.

Перечислим все три: конденсирующие агенты(соль, спермидин), дыхательные яды(цианиды идр), метаболиты(НАД)

^ 6.4 Механизмы радиационной гибели клеток. Некроз.

Репродуктивная и интерфазная гибель клеток может проявляться в двух формах: апоптоза(самоликвидация в целях защиты всего организма) и некроза(непрограммируемая). Тема апоптоза в данной работе рассматриваться не будет.

Некротическая, беспрограммная форма гибели наиболее характерна для сильных воздействий, например, для облучения клеток и организма в высоких, летальных дозах. В основе ее — нарушение окислительно-восстановительного равновесия, достигающее уровня патологии. Так, накапливающиеся в облученной клетке оксирадиотоксины выступают в роли образователей пор в мембранах. Оксирадиотоксины способны окислять тиоловые группы белков, инициировать гидролиз и окисление ненасыщенных фосфолипидов мембран. В результате этого происходит инактивация в мембранах ион -транспортных ферментов-насосов, содержащих сульфгидрильные группы, например, Са2+-АТФазы. Ферментный выход ионов Са2+ из клетки через мембраны тормозится, и они накапливаются в цитозоле.

Ионы Са2+, как известно, являются активаторами фосфолипазы А2, вызывающей гидролиз фосфолипидов внутренней мембраны митохондрий. Образуются фрагменты фосфолипида — свободные жирные кислоты, которые подвергаются дальнейшему окислению с образованием новых липидных радиотксинов. Кроме того , возникает и лизоформа фосфолипидов, обладающая также разрушающими, лизирующими свойствами. Развиваются неспецифические процессы дезинтеграции и нарушения структуры биологической мембраны. оксирадиотоксины, образуясь в высоких концентрациях, воздействуют на фосфолипиды БМ и образуют в них поры. Появившиеся поры увеличивают ионную проницаемость благодаря образованию ионных каналов. В итоге в митохондрии входят ионы калия, а в клетки — ионы натрия.

Одновременно через мембранные поры происходит усиленное проникновение Н+ в клетку, возрастает градиент протонного потенциала . Все эти изменения дают начало дальнейшим серьезным повреждениям мембран митохондрий.

Описанные изменения структуры и проницаемости БМ вызывают увеличение осмотического давления внутри клеток и их набухание .Прогрессирующее увеличение градиента может достичь такого уровня, при котором митохондрии теряют важнейшую для энергетики клетки способность — синтезировать АТФ; происходит разобщение сопряжения процессов дыхания и фосфорилирования.

Уже одно это может служить причиной последующей гибели митохондрий и клеток. Рост протонного градиента может достичь пороговых значений электрохимического потенциала (называемого потенциалом пробоя»), когда изменения силы тока от возрастания электрохимического потенциала мембраны уже перестают подчиняться линейной зависимости (по закону Ома). С этого момента ток самопроизвольно возрастает во времени и происходит резкий электрический пробой БМ (так называемой самопробой мембраны).

Происходящее снижение электрической прочности мембраны сопровождается глубокими повреждениями и некротической дезинтеграцией клетки до полного ее разрушения,

Описанный механизм оксидативного повреждения и самопробоя БМ электрическим полем с последующим некрозом клетки в терминальной стадии оксидативного стресса не является специфичным только для ионизирующей радиации. В основе патобиологического эффекта разных физических и химических экстремальных воздействий лежит одно и то же последствие: снижение электрической прочности мембраны, создаваемое разностью электрических потенциалов. Предполагается, что самопробой БМ электрическим полем — универсальный механизм нарушения барьерных свойств мембран в патологии и одна из главных причин смерти клеток в экстремальных неблагоприятных условиях.

Заключение

Мы закончили обзор основных закономерностей лучевого поражения клетки. Подведем основные итоги:

1)Биологический эффект воздействия ионизирующих излучений на живую клетку является неопределенным.

2)Эта неопределенность объясняется:

А)принципом попадания(дискретности ионизирующих излучений)

Б)концепцией мишеней(структурной и функциональной неоднородности клетки

3)Действие радиации на живой организм можно разделить на прямое и косвенное. Прямое -результат непосредственного взаимодействия излучения с биологической структурой. Косвенное- итог взаимодействия продуктов радиолиза воды с ними же. Ввиду того, что организмы на 70-90% состоят из воды, вклад косвенного действия является более значительным

4)Биологические молекулы несколько схожи по процессам поражения и различаются по радиочувствительности. Несмотря на то, что фосфолипиды являются наиболее радиочувствительными соединениями, поражения ДНК приводят к более тяжелым последствиям, так как в ней содержится наследственная информация.

5)Повреждения ДНК в основном бывают двух типов: однонитевые и двунитевые разрывы, при этом система репарации с легкостью справляется с однонитевыми разрывами, но репарация двунитевых разрывов сложна и чревата ошибками, что может послужить причиной гибели клетки.

6)Гибель клеток может быть:

А)Репродуктивная- гибель в результате митоза-характерна в основном для быстроделящихся клеток

Б)Интерфазная- во время интерфазы- характерна для медленно делящихся клеток или для быстроделящихся в случае воздействия большой дозы радиации.

7)механизмы гибели клеток:

А)апопотоз- программируемая гибель клетки, гибель во благо всего организма(характерна не только для облучения)

Б)некроз-непрограммируемая

Нами были совершен обзор основных факторов и последствий лучевого поражения клетки. Возможно, он является весьма поверхностным, но зато дает общую картину действия ионизирующих излучений на живые структуры.
Список литературы

1.Кудряшов Ю.Б «Радиационная биофизика(ионизирующие излучения)»ФИЗМАТЛИТ,2004

2.Галицкий Э.А «Радиобиология: курс лекций » Гродно-ГрГУ 2001

3.Wikipedia(En)

4.Радиобиология человека и животных Ярмоненко С.П Высш. Шк-1988
Оглавление

Введение…………………………………………………………………………………......................2

1.Виды доз радиации. ОБЭ. Радиобиологический парадокс……………………………………2

2.Принцип попадания и концепция мишеней…………………………………………………….3

3.Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения……………………………………6

4. Радиацинно-обусловленные изменения и радиочувствительность биологических молекул в растворах………………………………………………………………………………….7

5.Повреждения и процессы восстановления ДНК в облученной клетке………………….......8

5.1Повреждения ДНК в облученной клетке……………………………………………………….8

5.2.Репарация ДНК от повреждений в облученной клетке……………………………………...8

6.Механизмы гибели и процессы восстановления клеток……………………………………..10

6.1Репродуктивная и интерфазная гибель……………………………………………………….10

6.2Модификация репродуктивной гибели……………………………………………………….11

6.2.1Факторы, способные изменять степень начального радиационного поражения ……11

6.2.2Факторы, модифицирующие процессы восстановления……………………………….11

6.3Модификации интерфазной гибели…………………………………………………………...11

6.4 Механизмы радиационной гибели клеток. Некроз…………………………………………12

Заключение…………………………………………………………………………………………..12

Список литературы…………………………………………………………………………………14







Скачать файл (119.7 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации