Радиобиология. Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9

• Название: Лекция Предмет радиобиологии. История возникновения и развития науки 9
• Дата: 27.05.2020
• Размер: 1.3 Mb.
• Имя файла: Радиобиология.doc
• Тип: Лекция; #125981
• страница: 7 из 20

Непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы

При облучении растворов молекул, наряду инактивацией макромолекул за счет прямого попадания на них квантов или частиц, имеет место и инактивация молекул в результате косвенного действия радиации. Косвенное действие обуславливается, в первую очередь, взаимодействием растворенных молекул с продуктами радиационного распада молекул растворителя. В этом случае макромолекулы испытывают дополнительное воздействие и эффективность их поражения значительно выше, чем в сухих препаратах. На рисунке 5 показана радиочувствительность лиофилизированного препарата РНК-азы и молекул в водном растворе. Как видно, растворение фермента приводит к повышению его радиочувствительности в сотни раз. Так, D₃₇ для сухого препарата составляет 420 кГр, а в растворе этот показатель равняется всего лишь 4 кГр, т.е. радиоустойчивость молекул в водном растворе снижается более чем в 100 раз по сравнению с лиофилизированными молекулами. Снижение радиоустойчивости в десятки и сотни раз при растворении молекул экспериментально показано для многих представителей белков, НК. Выявлено, что причина снижения устойчивости в водных растворах связана не с изменением физико-химических свойств макромолекул в результате растворения, а с появлением в облученном растворе дополнительных поражающих факторов, в первую очередь, продуктов радиационного распада (радиолиза) воды. Рассмотрим тот процесс более подробно.
Радиолиз воды

Под термином «радиолиз воды» понимают разложение молекул воды при действии ионизирующей радиации с образованием ионов и свободных радикалов. Подсчитано, что основная часть ( до 90 %) косвенного действия облучения на живые клетки обуславливается взаимодействием макромолекул с продуктами радиолиза воды.

Первый акт ионизации молекулы воды заключается в выбивании электрона с электронной оболочки с образованием катиона воды

H₂O ® H₂O* ® H₂O⁺ + e^-

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой:

H₂O⁺ + H₂O ® H₃O⁺ + ОН^

Свободный электрон также взаимодействует с нейтральной молекулой воды:

e^- + H₂O ® H₂O^- ® Н^ + ОН^
Н^ , ОН^ - свободные радикалы водорода и гидрооксила. Свободными радикалами называют ионы с неспаренными электронами. Они характеризуются коротким временем жизни (t =10^-5 с) и высокой реакционной способностью. В растворах свободные радикалы реагируют с растворенными молекулами или рекомбинируют друг другом практически мгновенно. Если в облучаемом растворе присутствует кислород, образуются и другие продукты радиолиза, обладающие высокими окислительными свойствами:
Н^ + О₂ ® НО₂^
НО₂^ -радикалы (гидропероксдные радикалы) могут рекомбинировать друг с другом с образованием перекиси водорода и свободного кислорода:
НО₂^+ НО₂^ ® Н₂ О₂ + 2О

Кроме этих продуктов в процессе радиолиза возникает электроны в стабилизированном виде - гидратированные электроны ( e^-_aq). Эти частицы характеризуются высокой восстановительной способностью и легко реагируют с различными молекулами. Еще одним хорошим восстановителем является атомарный водород, появляющийся при рекомбинации свободных радикалов водорода. Процесс радиолиза воды можно представить следующей схемой.

Реакции органических соединений с продуктами радиолиза воды
Образовавшиеся в процессе радиолиза продукты вступают в химические реакции с растворенными органическими молекулами: компонентами белков, НК, липидов, полисахаридов ( аминокислотами, нуклеотидами, органическими кислотами, сахарами и т.д.).

Обозначим любую органическую молекулу символом RH , где H - реакционноспособный атом водорода, R - остальная часть органической молекулы. Рассмотрим основные типы реакций происходящих в облученных растворах органических соединений.

1. Отрыв атома водорода от молекулы при взаимодействии с радикалами Н^ и ОН^:
R -H + ОН^ ® R^ + H₂O

R -H + Н^ ® R^ + H₂

2. 
   Реакции диссоциации при взаимодействии аминокислот со свободными радикалами:
   

RNH₃⁺ + e^-_aq ® R^ + NH₃

RNH₂ + Н^ ® R^ + NH₃

3. 
   Реакции присоединения в результате расщепления двойных связей:
   

R - CH = CН-R + ОН^ ® CH_2-R - COHR

Реакции радикалов органических молекул, приводящих к образованию стабильных соединений

1. Димеризация и присоединение.

Образовавшиеся свободные радикалы органических молекул могут взаимодействовать друг с другом, образуя димерные молекулы:
R₁^ + R₂^ ® R₁ ¾ R₂

R^ + R^ ® R ¾ R
В результате такого типа реакций появляются димеры молекул и агрегаты более высого порядка. Примером реакции димеризации является образование аминокислоты цистина при облучении раствора цистеина.

2. Реакции диспропорционирования

R^ + R^ ® RН + Р

В ходе такого типа реакции атом водорода перераспределяется между радикалми. В результате один из радикалов восстанавливается до исходной формы, а другой превращается в новое соединение. Например, при облучении раствора глицина возникает свободный радикал глицина:

NH₂CH₂COOH ® NH₂^CHCOOH

Два радикала глицина вступают в реакцию диспропорционирования с образованием стабильных молекул аминокислоты глицина и имноуксусной кислоты:

NH₂^CHCOOH + NH₂^CHCOOH ® NH₂CH₂COOH + NH= CHCOOH

3. 
   Реакции гидролиза
   

Взаимодействие органического свободного радикала с молекулой воды приводит к появлению стабильной молекулы:

R^ + Н₂О ® Р

Примером такой реакции является расщепление пептидной связи при облучении растворов белков:

-R₁СН₂ СО - NH CH₂R₂^ + Н₂О ® -R₁СН₂ СОOH + - NH₂ CH₂R₂

4. 
   Присоединение кислорода
   

Как уже отмечалось, в присутствии свободного кислорода в облучаемых растворах образуются окислительные радикалы с высокой реакционной способностью:

Н^ + О₂ ® НО₂^

e_q + Н⁺ + О₂ ® НО₂^

Н₂О₂ + ОН^ ® Н₂О + НО₂

e_q + О₂ ® О₂^-

Как видно, в присутствии кислорода в облученных растворах возникают благоприятные условия для окисления. Свободные радикалы НО₂^ и О₂^- способны вызвать окисление органических соединений по любым связям, в том числе и тем , которые устойчивы в ходе обычных окислительно-восстановительных реакций. К числу наиболее характерных реакций органических соединений с радикалами НО₂^ относятся реакция образования гидроперикисей:

R^ + НО₂^ ® ROOH

Так, при облучении растворов образуются гидроперикиси аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот.

5. 
   Реакции переноса водорода
   

Нейтрализация органических радикалов может происходить путем отнятия атома водорода у другого растворенного соединения:

R^ + Р - Н ® R - Н + Р^

Наиболее распространенные реакции такого типа в растворах происходят с участием сульфгидрильных соединений. Например, свободный радикал метанола, образующийся при облучении растворов, нейтрализуется в присутствии SH- групп:

CH₃OH + OH^ ® H₂O + ^ CH₂OH,

^ CH₂OH + R - SH ® CH₃OH + RS

Инактивация молекул белков и НК в водных растворах
Существуют специальные методы, позволяющие выявить причинно-следственные связи между типом поражения молекул и наблюдаемым характером их инактивации. Как уже отмечалось, основными повреждающими агентами макромолекул при облучении живых клеток являются продукты радиолиза воды. С определенными макромолекулами взаимодействуют конкретные формы свободных радикалов. В растворе конкретные молекулы белков и НК многократно взаимодействуют со свободными радикалами, претерпевая различные повреждения. Однако не все структурные повреждения приводят к потере функциональной активности. Для определения конкретного типа радикала, ответственного за те или иные повреждения макромолекул, используют инактиваторы или перехватчики радикалов определенных типов. При использовании определенной комбинации перехватчиков в растворе можно инактивировать большую часть свободных радикалов, оставив реакционноспособным только радикалы одного типа. Другой прием для определения специфичности действия свободных радикалов состоит в том, что в растворе макромолекул специальными методами создают определенную концентрацию того или иного радикала и изучают протекающие реакции. Используя такие подходы, было изучено действие различных типов радикалов на растворенные молекулы белков и нуклеиновых кислот. В частности, обнаружено, что фермент лизоцим инактивируется в результате взаимодействия с радикалами ОН^ , e_q , Н^. Инактивация трипсина происходит, в основном, за счет взаимодействия молекукл с радикалом ОН^. Так, этиловый спирт - эффективный перехватчик радикалов ОН^ - блокирует инактивацию молекул трипсина в их присутствии. Зависимость между числом инактивированных молекул в водном растворе и дозой облучения носит тоже экспоненциальный характер. Как и в случае прямого действия, причина инактивации белковой молекулы является случайное событие попадания. В водном растворе инактивирующим событием (попаданием) может служить специфическая реакция свободного радикала с определенным участком молекулы. Например, причиной инактивации может быть частичная денатурация молекулы вследствие разрушения аминокислот, образующих дисульфидные, гидрофобные, водородные связи. Потеря ферментативной активности может наступить и в случае разрушения аминокислоты, входящей в состав активного центра фермента. Для выявления таких реакций и ее последствий используются различные методы определения физико-химических параметров макромолекул. Так, после облучения раствора рибонуклеазы в концентрации 1 мг/мл удается обнаружить различные изменения. В частности, увеличивается вязкость раствора, что свидетельствует о появлении агрегатов макромолекул. Образование агрегатов молекул можно определить и при помощи гельфильтрации (появляются новые фракции). Увеличение гидролитической активности протеиназ по отношению к облученному белку также свидетельствует об изменении конформации макромолекулы. Появление свободных SH -групп в растворе говорит о разрушении аминокислот цистеина, метионина. Такие нарушения структуры обнаруживаются при дозах равной D₃₇, когда каждая молекула испытывает в среднем по одному инактивирующему событию попадания.

При облучении раствора ДНК-азы обнаружено снижение количества остатков триптофана, который входит в состав активного центра фермента. Если на одну нативную молекулу фермента приходится в среднем 5 остатков триптофана, то после облучения в дозе близкой к D_{37 ,} определяется всего 3 остатка этой аминокислоты в расчете на одну молекулу. Разрушение триптофана вследствие ее взаимодействия со свободным радикалом приводит к резкому снижению активности ДНК-азы при облучении. В таблице 2 представлены данные о причинах инактивации некоторых ферментов при облучении их растворов.