Влияние радиоактивности на клетку

Двойные разрывы как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК, так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей

Влияние радиоактивности на клетку

Информация

Биология

Другие материалы по предмету

Биология

Сдать работу со 100% гаранией
азрывов одной и той же нити ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Такое разнообразие новых связей является следствием того, что нити ДНК в ядре упакованы весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов приводит к возникновению хромосомных перестроек. Разрыв молекулы ДНК и окружающих ее белков при неправильном воссоединении приводит к образованию ДНК-белковых сшивок.

Неверная репликация оснований, а также их химическая модификация ведет к еще одному дефекту молекулы - появлению так называемых неспаренных оснований. В молекуле ДНК в норме существует только две пары комплементарных оснований - аденин - тимин и гуанин - цитозин. Замена одного из оснований каждой пары ведет к изменению генетического кода. Во время репликации ДНК в синтезируемой цепи вместо комплементарного гуанину цитозина напротив 8-оксогуанина будет выставлен аденин. При синтезе информационной РНК неверное основание приведет к неправильной кодировке и последующему включению в белковую молекулу ошибочного аминокислотного остатка. Помимо этого, некомплементарное основание меняет геометрию молекулы ДНК.

Некомплементарные основания образуются не только в результате облучения, но возникают и спонтанно как дефекты сложного процесса репликации ДНК. Поэтому системы репарации ДНК всегда активно работают в клетке, вне какой-либо связи с воздействием ионизирующей радиации. Однако облучение увеличивает как общее количество дефектов, так и создает поражения, которые по количеству на единицу длины молекулы превосходят повреждения, возникающие в нормальных условиях.

При воздействии редкоионизирующего излучения в дозе 2 Гр, вызывающем гибель от 10 до 90% клеток разных тканей человека, в ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых и 80 двунитевых разрывов, повреждается 1000 оснований и формируется 300 сшивок с белком. Именно эти поражения и лежат в основе радиационной гибели клетки, длительного нарушения эффективности деления ее потомков и злокачественного перерождения, а в случае воздействия на половые клетки - и генетических последствий облучения родителей для потомства.

В основе развития лучевого повреждения лежат особые свойства поражающего действия излучений. Это можно представить следующим образом: ядерные излучения проникают в глубину клетки и реализуют повреждение за счет инактивации особенно важных для жизнедеятельности клетки биохимических систем. Следовательно, энергия ядерных излучений избирательно воздействует на определенные системы и не распределяется равномерно на весь объем клетки.

Путем многочисленных экспериментальных исследований было установлено, что чаще всего лучевое поражение наступает при инактивации сульфгидрильных групп ферментов, которые участвуют в синтезе нуклеиновых кислот и обуславливают процессы ядерного деления. В результате процесс деления либо прекращается, либо происходит патологическое изменение его с возникновением неполноценных дочерних клеток. В тех случаях, когда лучевая ионизация не затронула важные биохимические соединения, повреждение не реализуется и жизнедеятельность клетки практически не нарушается. Предполагают, что реализация повреждающего действия происходит тогда, когда лучевой ионизации и связанным с ней химическим изменениям подвергается 0,1-1 миллиард молекул.

 

Влияние радиоактивности на клетку

 

При воздействии смертельных доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как если бы она была убита высокой температурой или сильным ядом: нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. Гибель клетки происходит непосредственно после облучения или через некоторый промежуток времени, который определяется как латентный период. Продолжительность латентного периода может быть различной - от нескольких минут до нескольких дней, что зависит от двух факторов: от величины поглощенной дозы излучения и от степени радиочувствительности клетки. При меньших дозах радиации клетка остается живой, однако в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, прежде всего в клеточном ядре.

Со времени зарождения Земли и по настоящее время живые системы вынуждены постоянно противостоять вредным и опасным для них воздействиям среды обитания, среди которых излучения естественного радиационного фона всегда занимали важное место. Они научились защищать от повреждений свой наследственный механизм, прежде всего - структуру молекул ДНК. В конденсированном состоянии молекула ДНК наиболее устойчива к действию любых повреждающих агентов, в том числе радиации. Однако в процессе декодирования двойная спираль ДНК частично расплетается и активно функционирует. В этом состоянии она наиболее чувствительна к воздействию радиации, чем ДНК покоящаяся. Вторым критическим моментом в жизни клетки, уязвимым для радиации, является процесс самоудвоения (репликация) ДНК.

В каждой живой системе последовательно сменяются клеточные поколения. Жизненный цикл, период от одного деления до другого, подразделяется на четыре фазы: митоз (М), пресинтетический период (G1), период синтеза ДНК (S), постсинтетический период (G2). Весь жизненный цикл имеет продолжительность 10-30 часов.

По времени митоз занимает 2-5% общей продолжительности клеточного цикла, или 0,5-1 час. Значение митоза в жизни облученной клетки состоит в том, что деятельность систем внутриклеточного восстановления к началу митоза полностью прекращается и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, в процессе митоза фиксируются и либо приводят клетку к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность и служа материалом для формирования мутаций.-фаза длиться 8-12 часов, на протяжении этого периода наиболее полноценно функционируют системы внутриклеточной репарации. S-фаза длится 9-12 часов, в этот период репаративные системы либо не работают, либо функционируют слабо. G2-фаза длится 4-6 часов, в этот период функционируют системы пострепликативной репарации, эффективность которых ниже, чем в G1-фазе. В итоге большинство клеток наиболее чувствительны к радиации в конце G1-фазы, перед началом синтеза ДНК, и пред вступлением в митоз, в самом конце G2-фазы.

Наиболее универсальной реакцией клеток на воздействие ионизирующей радиации в разных дозах является временная остановка деления, или радиационный блок митозов. Длительность задержки строго пропорциональна дозе радиации - примерно 1 час на каждый 1 Гр - и проявляется у всех клеток облученной популяции независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем или погибнет. С увеличением дозы радиации возрастает не доля реагирующих клеток, а время задержки митоза каждой из облученных клеток. Время задержки в значительной степени зависит также от стадии клеточного цикла. При облучении в S и G2-фазах оно максимальное, в митозе - минимальное: начав митоз, практически все клетки завершают его без задержки.

Продвижение клетки по циклу определяется активацией последовательно сменяющих друг друга циклинзависимых киназ - ферментов, фосфорилирующих аминокислотные остатки в белках и тем самым меняющих их конформацию и энзиматическую активность. Каждая циклинзависимая киназа состоит из собственно каталитической единицы и регуляторной субъединицы - одного из циклинов. Для перехода от одной стадии цикла к другой необходимо образование нового комплекса каталитической единицы с одним из циклинов, а также фосфорилирование определенных аминокислотных остатков в ее молекуле. Негативная регуляция продвижения клетки по фазам цикла осуществляется ингибиторами циклинзависимых киназ.

В клеточном цикле имеется несколько так называемых сверочных точек, "чекпойнтов", при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК на повреждения, и в случае их выявления активируют ингибиторы циклинзависимых киназ, что замедляет переход клеток из одной фазы в другую. Вероятно, замедление перехода дает больше возможности для репарации повреждений ДНК, возникающих в процессе нормальной жизнедеятельности клетки. При нанесении клетке значительного количества повреждений эта система также приводит к задержке прохождения цикла, но, по-видимому, не может обеспечить необходимый уровень восстановления. Блок в прохождении цикла нагляднее всего проявляется в виде задержки наступления первого постлучевого митоза. Однако при одной и той же дозе облучения клетки с длительной задержкой продвижения по циклу (более поздним наступлением митоза) впоследствии погибают с большей вероятностью, чем клетки с меньшей задержкой.

Эта реакция имеет большое приспособительное значение: обеспечивая увеличение длительности интерфазы, она создает максимально благоприятные условия для работы ферментных систем репарации, для полного устранения возникших повреждений до наступления митоза.

Обратимую реакцию задержки деления следует отличать от полного прекращения митозов, наступающего после воздействия радиации в больших дозах. В этих условиях клетка продолжает жить длительное время, достигает неестественно большого размера, в ней нередко продолжается синтез ДНК, число хромосомных наборов возрастает, но разделиться клетка не может (вероятно, из-за необратимого повреждения аппарата деления) и, в конечном счете, гибнет.

радиоактивность клетка хромосомная аберрация

Хромосомные аберрации (перестройки) являются классическим проявлением лучевого поражения клеток. Их количество соответствует дозе облучения. Появление аберраций отражает образование разрывов молекулы ДНК и дефекты ее репарации. Разрывы приводят к фрагментации хромосомы. Под фрагментом понимают ту часть хромосомы, которая не связана с центромерой. Центромера - это структура, расположенная в середине хромосомы, за которую она притягивается к полюсу деления. Фрагмент хромосомы, не связанный с центромерой, не притягивается к полюсу деления и распределяется меж

Похожие работы

< 1 2 3 >