Неспецифические изменения в клетке

Рис. 25. Современное представление о строении митохондрий.

детоксикации). Пероксидазы широко распространены во всех тканях и катализируют реакцию распада перекиси водорода до воды: Н2О2; ->АН2 -^2Н2 -»А. Каталаза выполняет аналогичную функцию, и она примерно в 10 раз активнее.

Патология этих органелл ведет к накоплению токсических продуктов в клетке и ее самоотравлению. Однако многие эти механизмы не ясны и до настоящего времени.

Митохондрии (от греч. тГШ - нить, сКогмЫоп - граница). Эти ор-ганеллы содержат целый ряд ферментов - дегидрогеноз, обеспечивающих реакции цикла трикарбоновых кислот, биосинтез АТФ и терминальное окисление. В обороте цикла Кребса образуется четыре пары атомов водорода, которые, проходя через три стадии клеточного дыхания, отдают свои электроны в цепь переноса электронов и превращаются в ионы Н+. Образовавшиеся электроны проходят через цитохро-мы и в конечном итоге передаются на кислород. Последний из водной среды поглощает ионы Н> и образует молекулу Н2О. Если же молекула кислорода присоединяет не четыре электрона, а два - образуется Н2О2 - перекись водорода, один - супероксидный радикал: О-2. В клетке имеется два фермента: супероксиддисмутоза и каталаза, которые превращают их в воду и молекулярный кислород (такую же функцию выполняют и пероксисомы).

Следует подчеркнуть, что величина, форма и количество митохондрий варьируют и зависят от специализации клетки, функционального состояния. Так, в гепатоците их количество может составлять1500-2500, тогда как в спермин - только одна. Имеются новые данные о том, что митохондрии даже в клетках здоровых животных могут быть в различном состоянии.

1. Ортодоксальное состояние, когда хорошо выражены наружная и внутренняя мембраны с кристами, гомогенный матрикс. Митохондрия равномерной толщины или округлая.

2. Конденсированное, сжатое, сокращенное состояние.

3. Набухшее состояние. В этом случае митохондрии  увеличиваются в размерах, теряют кристы, просветляется матрикс. Кроме изменения размеров и формы митохондрий возможно изменение их локализации (расположение вокруг ядра или по периферии цитоплазмы).

При различных внешних воздействиях эти органеллы быстро реагируют, изменяется их ультраструктурная организация. Однако эти изменения не носят специфического характера. Так, митохондрии набухают при гипоксии, различного рода интоксикациях (денитрофе-нол, цианиды и Эр.), неправильном обмене веществ (избыток АТФ), избытке или недостатке гормонов (тироксин, вазопрессин, инсулин, кортикостероиды}, вирусном гепатите, голодании.

В более тяжелых случаях митохондрии вакуолизируются, а затем подвергаются лизису и могут исчезать совсем. Возможно и накопление ими различных веществ; ферритина, кальция, липофусцина, гиа-лина. Если же несколько митохондрий сливаются - они образуют хондриосферу.

При деструкции органелл, повышении проницаемости мембран в кровь выделяются ферменты или изменяется содержание веществ, секретируёмых в плазму. Ферментемия (содержание ферментов в крови) имеет определенное значение для диагностики отдельных заболеваний. Хотя следует оговориться сразу, что органоспецифичньгх ферментов мало. Так, изофермент лактатдегидрогенаэы (ЛДГ5) специфичен для патологии печени. Щелочная фосфатаза не отражает органоспецифичной патологии, но если ее разделить на фракции, тогда станет ясно, где возникли изменения. Дело в том, что а^ и а2 фракции образуются в печени, аэ в остеобластах.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Виды радиационных повреждений ДНК и механизмы их репарации

Радиационные поражения ДНК и задержка прохождения клеточного цикла

Индукция и реализация программируемой смерти клетки (апоптоза)

При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем крупнее молекула, тем, естественно, больше вероятность ее повреждения. Именно поэтому в качестве основной мишени радиационного поражения клетки рассматривается ДНК.

Общая длина всех молекул ДНК в клетке человека составляет около 2 м. ДНК распределена по 46 хромосомам, в каждой хромосоме имеется только одна молекула ДНК (до ее репликации при подготовке клетки к делению), длина которой, в зависимости от размера хромосомы, варьирует от 1,7 до 8,5 мм. Гены, кодирующие тот или иной белок, находятся только в двух хромосомах, одна из которых унаследована от отца, а другая — от матери. Ген, наличие которого определяет мужской пол ребенка, представлен в клетке в единичной копии в /-хромосоме.

Для разных областей биологической науки важны разные особенности строения ДНК. Здесь укажем нате, которые существенны для понимания механизма действия ионизирующих излучений на клетку.

Основой молекулы ДНК являются две нити (также называемых цепями, или цепочками), построенные из повторяющихся участков (звеньев), образуемых дезоксирибозой (относящейся в химическом плане к сахарам) и фосфорной кислотой, которые, в свою очередь, соединены между собой эфирными связями (рис. 6.1). Эта часть ДНК называется ее сахаро-фосфатным скелетом (или остовом молекулы). К каждому кольцу дезоксирибозы присоединено одно из четырех оснований — пуриновых (аденин или гуа-нин) или пиримидиновых (тимин или цитозин). Основание вместе с дезоксирибозой образует нуклеозид.

Строительными элементами ДНК являются нуклеотиды — нуклеозиды, у которых дезоксирибоза соединена с остатком фосфорной кислоты (фосфорилированные нуклеозиды). Каждое из оснований имеет две или три водородные связи с одним из оснований противоположной нити ДНК (аденин — с тимином, гуанин — с цитозином). Одна из нитей определяет генетическую информацию клетки и с нее считывается информация по расположению аминокислот в белках, а вторая служит для точного воспроизведения этой нити в процессе удвоения ДНК при подготовке клетки к делению.

В клетке различные участки ДНК одной и той же молекулы находятся очень близко друг к другу из-за многократного сворачива-ния ДНК в структуры все большего и большего диаметра (рис. 6.2). Двойная спираль ДНК имеет диаметр 1,7 нм (эта величина часто для простоты принимается равной 2 нм), расстояние между витками спирали равно 3,4нм (см. рис. 6.2, а). Участки нити ДНК длиной около 200 пар нуклеотидов периодически сворачиваются вокруг структур, образованных белками основного характера — гис-тонами, формируя нуклесомы диаметром 11 нм (рис. 6.2, б). ДНК, связанную с белком, называют хроматином, а всю структуру — «бусинками (нуклеосомы) на нитке».

Нуклеосомная нить в свою очередь складывается в структуры диаметром 30 нм  образующие так называемые гигант

ские петли общей длиной 300 тыс. пар оснований. Эти петли строго фиксируются внутри ядра, прикрепляясь белковым «якорем» к ядерной мембране и фибриллярной сети ядерного матрикса. Каждая гигантская петля хроматина в нескольких точках прикрепляется к молекуле топоизомеразы И, создавая структуру, называемую розеткой, лепестки которой образуются нитью ДНК длиной 50 тыс. пар оснований.

Следующие уровни упаковки хроматина — петли шириной 300 нм, из которых формируются петли шириной 700 нм, располагающиеся поперек хроматиды (см. рис. 6.2, г). Хромосома в мета-фазе состоит из двух хроматид, одна из которых образована «родительской», а вторая — синтезированной в 5-периоде новой нитью ДНК (см, рис. 6.2, д). Хроматиды соединены между собой центромерой (Ц), образуя хромосому, В анафазе хроматиды отделяются друг от друга и расходятся к полюсам деления клетки. В этот момент бывшие хроматиды начинают называться хромосомами дочерних клеток.

Плотность упаковки отдельных участков ДНК постоянно меняется, что связано с синтезом на ней РНК в момент считывания информации для синтеза белков, а также с репликацией (удвоением) ДНК при подготовке клетки к делению. С позиций радиобиологии важен факт теснейшего пространственного расположения различных частей одной и той же молекулы ДНК в интерфазной клетке и в хромосоме (см. рис. 6.2, г) и, кроме того, близкое расположение молекул ДНК, принадлежащих разным хромосомам.

Радиационные повреждения ДНК

 В результате прямой  ионизации самой молекулы ДНК  и ее атаки радикалами ОН" происходит разрыв химических связей между атомами. Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, говорят об однонитевом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов противоположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных (двунитевых) разрывов. Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой нестабильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и ферментативных процессов. Более того, одиночные разрывы даже необходимы: при репликации ДНК молекула должна быть расплетена на участке синтеза, для чего одна нить должна иметь возможность вращаться относительно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва. Предполагается, однако, что при облучении возникают не только одиночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще появляются «комплексные», при которых в скелете ДНК рядом находится  сразу  несколько  разорванных  связей;  такие  разрывы репарируютсяхуже, чем возникающие в нормальных условиях.

Двойные разрывы образуются как при случайном пространственном совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК (вероятность которого возрастает с увеличением накопленной дозы редкоионизирующего излучения), так и вследствие одномоментного повреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсолютно равномерно, а дискрет

ными порциями разной величины, так что в примерно равном объеме атомам может быть передано от нескольких электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При действии плот-ноионизирующих излучений общее число разорванных межатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномерно распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов поражения будет меньшим, зато «тяжесть» (концентрация разорванных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирую-щих излучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше, чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как одиночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает. Именно это и служит причиной более высокой относительной биологической эффективности (см. гл. 10) плотноионизирующих излучений Разрыв межатомных связей в сахаро-фосфатном скелете ведет к нарушению непрерывности молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транскрибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками. Разрыв скелета может сопровождаться разрывом связей в той части молекулы дезоксирибозы, которая не участвует в построении скелета ДНК. Такое повреждение рассматривается одновременно и как разрыв, и как повреждение нуклеотида.

Если в молекуле дезоксирибозы разорвана одна из связей, не участвующих в построении скелета ДНК, то принято говорить о повреждении нуклеотида, а если в нуклеотвде повреждена одна из связей в пуриновом или пиримидиновом основании, то говорится о повреждении основания (а не нуклеотида, хотя основание является частью нуклеотида). Поврежденные основания и нуклеотиды подвергаются дальнейшим химическим изменениям. Примером является окисление гуанина до 8-оксогуанина. Атака ДНК высокоактивными радикалами воды приводит к модификации оснований, например, присоединение радикала ОН" к тимину превращает его в тимингликол.