Радиационная биохимия нуклеиновых кислот,белков,липидов. Основные типы репарации ДНК

Радиолиз воды. Общая схема окислительного стресса.

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

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:

б) возбуждение - если энергии для ионизации недостаточно, образуется возбужденная молекула воды:

2. Освободившийся при ионизации молекулы воды электрон [1] постепенно теряет свою энергию и может быть захвачен другой молекулой воды, которая превращается в отрицательно заряженную молекулу воды:

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

4. Выбитый электрон может окружить себя четырьмя молекулами воды и превратиться в гидратированный электрон e^-_aq, а затем может быть захвачен молекулой H₂O⁺ с образованием возбужденной молекулы воды:

Возбуждённая молекула воды распадается на атомарный водород H^ и гидроксильный радикал OH^, которые далее могут реагировать друг с другом. Это, в первую очередь, касается радикалов H^ и OH^, образующихся при распаде H₂O*, после реакции [2]:

5. Образовавшиеся радикалы могут:

а) вступать в реакцию с другими молекулами воды:

б) вырывать атом водорода из органических молекул, превращая их в радикалы:

в) реагировать с молекулами растворенного кислорода с образованием перекисных радикалов, обладающих высокой реакционной способностью:

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.

На ядерную ДНК приходится около 7% поглощенной дозы.

Механизм повреждения нуклеиновых кислот:

а) при прямом действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: выбивание электрона 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 свободные радикалы этих оснований).

б) при косвенном действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: взаимодействие с продуктами радиолиза воды приводит к образованию свободных радикалов, 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. Определенное число одиночных разрывов образуется даже при малых дозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. куски поврежденной молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями с комплементарной нитью ДНК и хорошо поддаются восстановлению.

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:

I. Прямая репарация:

а) фотореверсия - происходит за счет работы фотолиаз, причем начальный этап - образование фермент-субстратного комплекса - может идти и в темноте: E + S  ES + h  E + P, где Е – фермент (энзим), S – субстрат, P - продукт реакции. 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 ионизирующих излучений, 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:

в) восстановление структуры азотистых оснований - удаление лишних метильных групп, восстановление разрывов циклических структур;

г) замена азотистых оснований - протекает с участием ДНК-гликозидаз.

II. 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-ый участок:

3. Sintesis - репаративный синтез с помощью ДНК-полимеразы:

4. Сшивка восстановленных участков ДНК-лигазой:

III. Репарация с использованием межмолекулярной информации:

а) восстановление двойных разрывов - возможно в том случае, когда имеется копия генетической информации (например, при диплоидном 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”.

Дата добавления: 2015-04-23