Действие малых доз облучения в биомембранах. Активные формы кислорода

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Международный государственный экологический университет

имени А. Д. Сахарова»

Факультет заочного обучения

Специальность «Медицинская экология»

Кафедра экологической медицины и радиобиологии

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Радиационная биохимия»

Студентки 6 курса

группы 93072

Довыденко Екатерины Михайловны

Проверила

зав. кафедры экологической

медицины и радиобиологии,

к.б.н., доцент

Н.В. Прокопенко

Минск, 2014

1. Характеристика отдельных радикалов и активных форм кислорода. Перекись водорода. NO, Пероксинитрит ONOO- , Гипохлорноватистая кислота

активный кислород биомембрана облучение

Активные формы кислорода представляют группу различных соединений радикальной и нерадикальной природы, которые различаются по продолжительности их существования и активности. К активным формам кислорода относятся свободные радикалы - супероксидный анион-радикал (супероксид), гидроксид- и гидропероксид-радикалы и нейтральные молекулы - пероксид водорода и синглетный кислород.

Образование радикалов из устойчивых молекул обусловлено появлением на свободной валентной орбитали нового электрона или наоборот - удалением одного электрона из электронной пары. Эти соединения обладают высокой реакционной способностью.

Активные формы кислорода обнаруживаются в клеточных органеллах. Главными местами их образования являются митохондриальная, ядерная, плазматическая и микросомальная мембраны у животных, хлоропласты и хроматофоры у растений.

Перекись водорода (Н2 О2 ) - сильный окислитель, образуется при реакции супероксида с электроном и двумя протонами: 

В другой реакции пероксид водорода появляется вследствие рекомбинации (дисмутации) двух супероксидов, уже под влиянием фермента супероксиддисмутазы:

Цепь одноэлектронного восстановления продолжается образованием из перекиси водорода ещё более сильного окислителя - гидроксидрадикала ОН.

Н2 О2 относят к окислителям слабой силы. В отсутствие восстановителей Н2 О2 довольно стабильна и может легко проникать через мембрану.

Цитотоксическое действие Н2 О2 увеличивается в 100-1000 раз в присутствии свободных ионов металла. В живых организмах источниками Н2 О2 служат ферментативные реакции с оксидазами, переносящими два электрона на молекулу кислорода: ксантиноксидазой, оксдидазой L-аминокислот и рядом других, а также реакция дисмутации, катализируемая супероксиддисмутазой. Н2 О2 служит источником возникновения гидроксильного радикала. Генерация Н2 О2 приводит к закислению среды, индуцируя диссоциацию железа из ферритина и, таким образом, усиливает цитотоксическое действие самой Н2 О2.

Актиные соединения азота (NO)

Установлено, что монооксид азота NO, образующееся в организме из L-аргинина ферментативным путём - выполняет функции одного из наиболее универсальных регуляторов метаболизма.

Суммарное уравнение ферментной реакции образования NO, включающее пятиэлектронное окисление атома азота (N3- >N2) аргинина (L-аргинин - Арг - превращается в L-цитруллин - Цит), сопряжённое с окислением НАДФ.Н имеет вид (рис.1):

Обнаружено, что активные соединения NO выполняют многообразные физиологические регуляторные функции в организме, выступая в качестве антагониста адренергической нервной системы, регулирующего по эфферентным нервам деятельность дыхательной, мочеполовой, мышечной, секреторной, сосудистой и других систем. Установлено активирующее действие NO на растворимую форму важнейшего внутриклеточного регуляторного белка - гуанилатциклазы - фермента, ответственного за синтез одного из вторичных мессенджеров - цГМФ.

Малые размеры двухатомной газообразной молекулы NO и отсутствие заряда позволяет ей легко проникать через плазматические и внутриклеточные мембраны. Молекулы моноксида азота легко диффундируют в биологических средах и являются относительно долгоживущими.

Рисунок 1 - Схема образования NO и цикла оксида азота. NO-синтазная (NO - S) и нитроредуктазная (NO- - R) компоненты цикла оксида азота в клетках млекопитающих: 1 - образование NO в результате NO-синтазной реакции; 2 -окисление NO в ионы NO2- и NO3-; 3 - восстановление NO2- в NO при участии нитроредуктазных систем.

Наряду с нормальными регуляторными функциями, NO, образуясь в фагоцитах в больших концентрациях, проявляет цитотоксическую активность, обнаруживая эффекторные свойства системы клеточного иммунитета.

Установлено также, что длительная генерация NO способна вызывать патологию различного генеза. Так, оксид азота и его производные являются ключевыми факторами воспаления, инфекции, канцерогенеза, а также развития радиационных, стрессорных и адаптивных ответов клеток и организма на соответствующие воздействия.

Показано, что цитотоксические и цитогенетические эффекты обусловлены образованием чрезвычайно активного окислителя - пероксинитрита (ONOO-), возникающего в реакции взаимодействия оксида азота с супероксидным анион-радикалом:

или протонированной формой пероксинитрита:

Как видно, пероксинитрит представляет собой связующее звено двух высокоактивных низкомолекулярных кислород- и азотсодержащих систем: АФК и АСА (активные соединения азота). Пероксинитрит может разлагаться с образованием гидроксид-радикала:

Протонированный пероксинитрит так же, как и пероксид водорода, выполняет функции диффундирующей «скрытой» формы гидроксид-радикала.

Установлено, что пероксинитрит и его протонированная форма, диффундируя в клетке и проникая через мембраны с помощью переносчиков анионов, имеют уникальный спектр химической реактивности: разрывы цепочек и окисление оснований ДНК, нитрование гуанина и белков, окисление липидов биологических мембран. Результатом многих таких реакций могут быть цитогенетические эффекты и мутагенез.

Существенный вклад в цитотоксическое действие пероксинитрита вносит образующийся из него ОН-радикал: 

ONOO- + Н+ = ONOOH + НО* + NO2 .

NO является источником не только пероксинитрита и гидроксид-радикала, но и синглетного кислорода, который образуется при реакции монооксида азота с пероксидом водорода.

Хлорноватистая кислота -- HClO, очень слабая одноосновная кислота, в которой хлор имеет степень окисления +1. Существует лишь в растворах.

В водных растворах хлорноватистая кислота частично распадается на катион  и гипохлорит-анион 

Неустойчива, постепенно разлагается даже в разбавленных водных растворах на хлороводород и атомарный кислород, благодаря которому является сильным окислителем:

Как уже говорилось выше, хлорноватистая кислота и её соли -- гипохлориты -- сильные окислители. Реагирует с соляной кислотой HCl, образуя газообразный хлор:

2. Проблема «малых доз» ионизирующей радиации и идея «гормезиса» в радиационной биохимии

Изучение закономерностей биологических, биохимических эффектов малых доз ионизирующих излучений становится все более актуальным в связи с облучением больших популяций людей и биосферы в целом малыми дозами ионизирующего излучения.

При изучении действия ионизирующего излучения на организмы за «малые» дозы принимаются такие, которые не вызывают заметных нарушений жизнедеятельности; при которых через ядро клетки проходит одна ионизирующая частица. В зависимости от размеров ядра клетки это дозы порядка 10 мГр.

Общая доза внешнего и внутреннего облучения человека равна в среднем 1 мЗв/год. В отдельных регионах с повышенным содержанием радионуклидов в земной коре и на больших высотах доза превышает среднюю в 10 и более раз.

Для обозначения положительного действия малых доз ионизирующего излучения используется термин радиационный гормезис.

Гормезис -- это неспецифический эффект воздействий на живые организмы в малых дозах (концентрациях), вызывающих изменения, диаметрально противоположные повреждающим эффектам при воздействии в больших дозах.

Под радиационным гормезисом принято понимать благоприятный эффект ионизирующего облучения при малых дозах, выражающийся в стимулирующем действии облучения на организм.

Эффект гормезиса обнаруживается на разных уровнях организации живых систем. Абсолютные величины диапазона малых доз для разных биологических объектов сильно отличаются. Облучение в малой дозе в определённом интервале доз способно вызывать состояние повышенной радиоустойчивости.

Результаты исследований, полученные в последние годы, весьма определенно свидетельствуют о том, что облучение в малых дозах вызывает многочисленные структурные перестройки в клеточных мембранах, сохраняющиеся длительное время после облучения и приводящие к изменению функциональной активности клеток. В структурно-метаболической теории А. М. Кузина (1986), а также в концепции «мембранного механизма биологического действия малых доз» JI. X. Эйдуса (2001) приводятся доказательства, что первичной мишенью действия радиации в малых дозах является не ДНК, а именно клеточные мембраны, и в этом состоит принципиальное отличие эффектов, вызываемых облучением в малых дозах по сравнению с большими. Ионизирующая радиация в летальных и сублетальных дозах вызывает увеличение в мембране окислительных процессов, в частности усиление процессов перекисного окисления липидов, в результате которого происходит окислительная деградация мембранных структур (Кудряшов, 2004).

Плодотворным оказалось направление исследований в изучении процессов перекисного окисления липидов биологических мембран, что позволило оценить вклад изменений окислительно-восстановительного гомеостаза и оксидативного стресса в развитие пусковых реакций эффектов, вызываемых облучением в малых дозах.

И.А. Бондарчук пришёл к выводу о том, что ключом в понимании радиоадаптивного ответа клетки на действие радиации в малых дозах является первичное усиление процессов перекисного окисления липидов в плазматической мембране с последующей активацией находящихся на биологической мембране рецепторов факторов роста клеток. В результате этого происходит запуск каскадов реакций эксцизионной репарации ДНК и апоптоза. Происходящая под влиянием адаптирующих доз радиации программированная выбраковка наиболее радиочувствительной клеточной субпопуляции способствует проявлению в оставшейся устойчивой части популяции клеток способности к адаптивному ответу.

Существование такого парадоксального явления как радиационный гормезис подтверждено в разных лабораториях и на различных объектах. Малые дозы активируют иммунную систему у разных видов животных и ключевые мембранно- связанные ферменты, в частности аденилатциклазу, активируют репарационные системы и повышают устойчивость клеток и организма к последующим более высоким дозам облучения. Важным проявлением радиационного гормезиса является феномен так называемого адаптивного ответа, заключающийся в повышении устойчивости различных биологических объектов к воздействию поражающих доз радиации в случае предварительного облучения в малой (порядка 1 сГр) дозе. Этот эффект проявляется при облучении клеток по выходу хромосомных аберраций, по выходу мутаций, при облучении животных по критериям, характеризующим поражение критических систем, по выживаемости животных и т.д.

При облучении клеток в диапазоне малых доз на молекулярном уровне показано образование гидроксилрадикала, который окисляет различные протеины с возникновением гидропероксидов белков и опосредует перекрестные сшивки ДНК с окисленными белками. Наблюдения показали, что этот процесс идет спонтанно и не прекращается внутриклеточными антиоксидантами, а образованные таким образом сшивки с ДНК являются, вероятно, ковалентными, то есть прочными.

Под влиянием биохимических сдвигов, обусловленных Под влиянием биохимических сдвигов, обусловленных оксидативным стрессом, происходит модификация структурно-функциональных свойств мембран, которая затрагивает их белковый и липидный компоненты. Радиоиндуцированные нарушения мембран обусловлены не только процессом неферментативного переокисления липидов, но и активацией фосфолипазы А2 с дальнейшим эндогенным гидролизом фосфолипидов и повышением пула свободных жирных кислот, которые из-за своей гидрофобности остаются после отщепления в липидном бислое, нарушая его упорядоченность.

В целом, характерным для действия малых доз облучения в биомембранах являются нарушения их проницаемости, активности мембраносвязанных ферментов, регуляции синтеза ДНК и условий образования ДНК-мембранного комплекса, регуляции мембранами связывающей способности рецептирующих структур с их сигнальными молекулами, учитывая то, что ионизирующие излучения повреждают систему цАМФ и фосфодиэстеразы.

Радиация (как и другие загрязнения окружающей среды) не только нарушает функционирование живых структур, но и активизирует имеющиеся в каждом организме защитные системы (цито-генетические, иммунологически и др.): повышается концентрация супер-оксиддисмутазы, уничтожающей возникшие при ионизации радикалы, включаются системы иммунного надзора, быстрее обновляются клеточные популяции и т. д.

К настоящему времени во всем мире проведено большое число лабораторных экспериментов. Во всех этих исследованиях регистрировался эффект радиационного гормезиса. Приведем результаты некоторых из них.

Так, облучение при дозе 15 мГр подавляло рост опухолей после введения раковых клеток мышам; облучение при той же дозе уменьшало число метастазов в легких мышей и крыс; облучение при дозе 1 мГр снижало частоту неопластической трансформации клеток; хроническое облучение мышей в течение 5 сут при ежедневной дозе 1 мГр подавляло возникновение у них лимфомы щитовидной железы.

У облученных при малых дозах ранними радиогенными биохимическими симптомами являются подъем уровня катаболитов липоперекисного каскада с одновременным и сопряженным истощением системы незаменимых антиоксидантов, объединенных в понятие «чернобыльский синдром». Как следствие радиогенного истощения антиоксидантов, индексы разветвления липоперекисного каскада и соматические индексы (гипермутагенез хромосом лимфоцитов и стигмирование новорожденных) растут по коррелирующим гиперболам. Число случаев увеличения щитовидной железы и расстройств зрения (в основном синдром сухих глаз) зависело от уровня радиоактивного загрязнения. У детей, проживающих в Чернобыльской зоне, наблюдался повышенный уровень продуктов перекисного окисления.

Таким образом, термин «малые дозы» -- условное понятие. Величина малых доз различна для разных уровней организации живых систем, и определяется она характерными проявлениями биологических эффектов, вызываемых слабым однократным и (или) хроническим радиационным воздействием.

Список использованных источников

1. Бондарчук, И.А. Гипотеза о механизме индукции адаптивного ответа при облучении клеток млекопитающих в малых дозах / Радиац.биология. Радиоэкология, 2002. Т.42, № 1.

2. Кудряшов, Ю.Б. Радиационная биофизика / под ред. В.К. Мазурика,

М.Ф. Ломанова. - М.: Физматлит, 2004. - 448 с.

3. Кузин, А.М. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии /

А.М. Кузин. - М.: Наука, 1986. - 228 с.

4. Кузин, А.М. Идеи радиационного гормезиса в атомном веке / И.М. Кузин. - М.: Наука, 1995. 158 с.

5. Москалев, Ю. И. Отдаленные последствия ионизирующих излучений /

Ю.И. Москалев. - М.: Медицина, 1991. - 391 с.

6. Окада, Ш. Радиационная биохимия клетки / Ш. Окада; пер. с англ. -

М.: Наука, 1974 - 345 с.

7. Эйдус, Л.Х., Эйдус, В.Л. Проблемы механизма радиационного и химического гормезиса / Радиац.биология. Радиоэкология,2001. Т. 41, № 5

Размещено на Allbest.ru