Репродуктивная форма гибели клеток: Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул

Биология действия ионизирующих излучений

Репродуктивная форма гибели клеток:  Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул

Первичные стадии в действии излучений

В действии ионизирующих излучений на биологический объект выделяют несколько стадий.

В стадии физических процессов образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.

На стадии физико-химических явлений поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей  там, где эти связи менее прочны.

Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах.

В белковых молекулах это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы (напр., триптофан), а также  тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах – это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые) основания.

Разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью.

Во время химической стадии образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции, как между собой, так и с другими молекулами.

Названные эффекты могут быть следствием поглощения энергии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных  мембран.  В этом случае говорят о прямом действии излучения.

Энергия излучения может также поглощаться молекулами воды, которые  подвергаются  радиолизу. Повреждение биомолекул химически высокоактивными продуктами радиолиза воды называют непрямым действием излучения.

Рассмотренные стадии в действии излучений получили наименование первичных. Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 миллисекунды), и  являются общими для действия излучений, как на живую, так и на неживую материю.

Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологическиеэффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время и продолжается иногда в течение всей жизни (табл. 1).

Таблица 1. Основные стадии в действии излучений на биологические системы

СтадияПроцессыПродолжительность стадии
Физическая Поглощение энергии излучения; образование ионизированных и возбужденных атомов и молекул10-16  – 10-15  с
Физико-химическая Перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между ними, образование свободных радикалов10-14  –  10-11  с
Химическая Реакции между свободными радикалами, между радикалами и неактивированными молекулами. Образование широкого спектра  молекул с измененными структурой и функциональными свойствами.10-6  – 10-3  с
Биологическая Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного;активация процессов биологического усиления и репарации повреждений.Секунды – годы

Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

Относительное количество молекул малого размера, повреждаемых в течение первичных стадий действия излучений невелико.

При дозе облучения 10 Гр (абсолютно летальная доза для млекопитающих) из числа молекул, находящихся в клетке, доля поврежденных составляет  для углеводов 0,015%, для нуклеотидов – 0,023%, для аминокислот – 0,36%.

Такое незначительное число поломок молекул, из числа содержащихся в клетках, не может существенно сказаться на жизнедеятельности клетки. Если эти малые молекулы являются компонентами полимерных соединений, их относительная поражаемость оказывается еще меньшей.

Однако, в расчете на одну макромолекулу, в полимерах с большой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. В растворах белков при облучении их в той же дозе возникает 1 повреждение на 100 молекул, а в молекулах ДНК (МВ – более 6.106 дапьтон) – 220 на 1 молекулу. В каждой молекуле ДНК  оказываются пораженными около 10 нуклеотидов.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК.

Это повреждения, лежащее в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК: химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы.

Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структуры этого биополимера.

В липидной фракции в присутствии кислорода вследствие активации свободнорадикальных процессов накапливаются продукты перекисного окисления, в первую очередь перекиси и гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот. В ряде случаев окислительные процессы в липидах могут принять цепной характер.

Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболических процессов в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения.

Некоторые продукты перекисного окисления липидов (гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны) обладают выраженными радиомиметическими свойствами: под их влиянием  в клетках возникают повреждения, во  многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением. Такие продукты получили наименование первичных радиотоксинов.

Липидные радиотоксины,  в частности,  изменяют свойства внутриклеточных мембран, их проницаемость, способствуют высвобождению ферментов. Они нарушают регуляцию биохимических процессов, вызывают глубокие нарушения ультраструктуры клеток.

Активации процессов перекисного окисления липидов способствует снижение активности собственных антиокислительных систем  клетки. Это обусловлено как радиационным разрушением естественных антиокислителей в клетке, которыми являются, в первую очередь, фосфолипиды, так и разрушением фосфолипидов в результате активации цепной окислительной реакции.

К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов – хиноны и семихиноны.

Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки. Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности, гиалуроновой кислоты, нарушения первичной (вследствие избирательного поражения отдельных аминокислот) и вторичной структуры ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т.п.

Реакции клеток на облучение

Клетки представляют собой основные ячейки жизни, в которых формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации – тканевом, органном, системном, организменном. Поэтому в радиобиологии уделяют особое внимание  процессам,  развивающимся после облучения  именно в клетках.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами.

Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур.

Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними  изменения метаболизма. 

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование “биологического усиления” первичного радиационного повреждения.  Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Биологическое усиление радиационного поражения

Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК.

Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки.

Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотдов. В крови и моче облученных нарастает количество нуклеотидов и продуктов их разрушения – азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Отчасти нарушение синтеза РНК зависит от повреждения матричных структур ДНК.

Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза.

Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса. Повышается активность протеолитических ферментов в крови, тканях, моче. Нарушается активность ингибиторов протеаз.

Активация протеолиза не всегда является выражением процессов, происходящих в сохранивших жизнеспособность клетках. Она может отражать завершение деструкции уже погибших клеток.

Биосинтез белка нарушается мало. Однако, продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК- гистон облегчает доступ мутагенов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

Интенсивность потребления кислорода существенно не изменяется. Однако, в первые часы после облучения иногда наблюдаются признаки тканевой гипоксии. В высоко радиочувствительных клетках уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования, проявляющееся снижением коэффициента Р/О.

В клетках кроветворных тканей угнетение окислительного фосфорилирования выявляется уже через 2-4 ч после облучения, параллельно с глубоким распадом ДНК. По мнению ряда исследователей, нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК.

Нарушение синтеза макроэргов может сказаться и на развитии восстановительных процессов, в частности, на работе системы ферментов репарации ДНК.

Таким образом, подавление окислительного фосфорилирования играет заметную роль в радиационном поражении генетических структур клетки.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках перенесшего облучение организма, как правило,  довольно быстро восстанавливается.

Репарация лучевых повреждений

Одновременно  в  ответ на возникшие первичные повреждения в облученной клетке активируются  репарационные системы, деятельность которых направлена на устранение возникших повреждений. Наиболее важной из них является система ферментативной репарации повреждений ДНК.

Повреждения биомолекул других типов чаще всего не являются фатальными для клетки: продукты их распада могут быть удалены из клетки, а функцию инактивированных соединений могут взять на себя сохранившиеся молекулы того же строения. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована.

При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии – будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками.

Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено.

В клетке существуют системы нескольких типов, способные репарировать большинство нарушений структуры ДНК, связанных с повреждением одной из комплементарных цепей и даже значительной части повреждений, захватывающих обе нити.

Однако, избыточная активность ферментов, обеспечивающих такую репарацию,  может иногда привести к утяжелению повреждения  генома клетки. Так, репарация повреждений ДНК представляет собой весьма энергоемкий процесс, в ходе которого расходуется значительное количество АТФ. Кроме того, в процессе репарации интенсивно потребляется АДФ, что снижает продукцию АТФ клетками. Возникающий в результате дефицит макроэргов может отрицательно сказаться на функциях особенно чувствительных к  нему нервных клеток.

Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих репарацию большинства начальных повреждений ДНК, эволюционно обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома, в условиях постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия естественного радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток нарушений и сбоев. Если бы не было таких механизмов, жизнь была бы невозможна.

Судьба облученной клетки

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации.

Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее  злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функцциональных возможностей и т. п. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений,  сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность (“радиационный блок митозов”).

Резкое снижение митотического индекса и, как следствие, прекращение увеличения количества клеток наблюдается как в культурах in vitro, так и при облучении многоклеточного организма.

Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток). Может наблюдаться задержка перехода из фазы G1 в S и из фазы G2 в M.

Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной  их  опустошения после облучения.

К функциональным нарушениям в клетках могут быть отнесены и такие проявления, как снижение фагоцитарной активности нейтрофилов после облучения,  изменения активности некоторых ферментов в этих клетках.

При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.

Формы лучевой гибели клеток

Важнейшим  радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные ее формы: репродуктивную, т.е. непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.

Репродуктивная форма гибели клеток

Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул ядерной ДНК имеют особо важное значение для развития лучевого процесса. Однако, если дело идет о ДНК в неделящихся клетках, повреждение “немых” участков ее цепей может и не сказаться существенно на функциях этих клеток.

Для пролиферирующих же клеток значение повреждения ДНК трудно переоценить. Необходимым подготовительным этапом к делению клетки является репликативный синтез ДНК, схема которого показана на  рисунке.

Двойная спираль ДНК разделяется на две самостоятельные нити, и на каждой из образовавшихся одиночных цепей, ставшими матрицами, достраивается парная к ней путем последовательного присоединения нуклеотидов, комплементарных матричным.

В конце концов, генетическая информация удваивается, и клетка оказывается готовой к делению.

Если в результате облучения возникли повреждения ДНК, например, двойные разрывы или сшивки, нормальная репликация делается невозможной.

При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых летальны, поскольку невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Эта форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели.

Количество повреждений ДНК, возникающих в результате облучения достаточно велико. Так, например, при облучении в дозе 1 Гр, в каждой клетке человека возникает около тысячи одиночных и ста-двухсот двойных разрывов.

Каждое из этих событий могло бы иметь фатальные последствия, если бы не существовало упоминавшихся ранее систем, способных ликвидировать большинство возникших повреждений ДНК. Клетки, успевшие репарировать повреждения ДНК до вступления в фазу митоза, способны к нормальному делению.

Вызываемое облучением торможение процессов подготовки к делению объективно может благоприятно сказаться на судьбе клетки, поскольку в результате увеличивается время, необходимое для репарации лучевого повреждения.

Сейчас большинство исследователей считает, что непосредственной причиной репродуктивной гибели клеток являются нерепарированные повреждения ДНК, прежде всего, двойные разрывы цепей и повреждения ДНК-мембранного комплекса. Морфологически клетки, погибающие по репродуктивному типу, можно выявить в ана- или метафазе митоза, обнаружив в них хромосомные аберрации.

Интерфазная форма гибели клеток

По интерфазному типу могут погибать  как неделящиеся клетки, так и делящиеся, но находящиеся вне фазы митоза. Чаще всего для возникновения интерфазной гибели требуется облучение в достаточно высокой дозе.

Для некоторых типов клеток (миоциты, нейроциты) это десятки и даже сотни грей.

В то же время такие клетки, как лимфоциты, тимоциты, ооциты могут погибнуть уже после воздействия в дозах порядка десятых и даже сотых долей грея.

Механизмами интерфазной гибели клеток могут быть некроз и апоптоз. Исходным событием для некроза клеток, подвергшихся облучению, является чаще всего вызванное активацией перекисного окисления липидов повреждение внутриклеточных мембран.

Повреждение мембран нарушает  работу связанных с мембранами ферментов, подавляет процесс окислительного фосфорилирования; повышение проницаемости мембран приводит к нарушению градиентов концентраций низкомолекулярных веществ в клетке, выходу лизосомальных протеаз и нуклеаз в цитоплазму и проникновению их в ядро. Угнетается клеточное дыхание.

В результате всех этих процессов развивается деградация нуклеопротеидных комплексов в ядре, происходит расплавление или (реже) пикноз ядра, цитолиз с выходом содержимого клетки за пределы клеточной мембраны.

В случае апоптоза происходит межнуклеосомная деградация хроматина, проявляющаяся позднее фрагментацией ядра. Распадается и цитоплазма, участки которой, окружающие осколки ядра получили наименование “апоптотических телец”.

По существующим представлениям процесс апоптоза запускается включением программы самоуничтожения клетки. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов,  участвующих в деградации хроматина.

Эту активацию могут вызывать стимулы,  возникающие под влиянием разных факторов, в том числе и вызванных облучением повреждений мембранных структур,  ядерного хроматина. Таким образом, апоптоз- это генетически опосредуемая программированная форма клеточной гибели.

Механизм апоптоза особенно характерен для интерфазной гибели лимфоидных клеток, клеток кроветворной ткани.

Как при репродуктивной, так и при интерфазной формах гибели клетки наблюдается разрушение генетического материала.

  Однако, в первом случае это разрушение происходит в результате прямого или непрямого действия радиации на уникальные структуры ядерной ДНК.

В инициировании интерфазной гибели существенная роль принадлежит повреждениям иных структур – внутриклеточных мембран, ферментов, нарушениюклеточного метаболизма, и лишь на конечных этапах поражается геном.

Нелетальные повреждения генома клетки

Важным для организма результатом некоторых типов лучевой модификации молекул ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала –  мутаций,  следствием  которых может быть злокачественное перерождение соматических клеток.

Причиной возникновения мутации могут стать и вызванная облучением дестабилизация ДНК, и процесс репарации ее повреждений. В обоих случаях облегчается внедрение онковирусов в геном клетки или активации тех онковирусов, которые уже предсуществовали в геноме в репрессированном состоянии.

Следствием мутации в зародышевых клетках могут стать дефекты развития у потомства облученных родителей.

Количественные характеристики лучевого поражения клеток

При определении зависимости между дозой облучения и количеством  сохраняющих при ней жизнеспособность клеток оказывается, что некоторое их число погибает после воздействия уже в самой малой  дозе.

  В то же время и при весьма больших дозах, порядка 10 Гр и более, некоторые клетки могут сохранить жизнеспособность. Кривая убывания числа выживших клеток в зависимости от дозы идет в большей своей части экспоненциально, что свидетельствует о случайности события радиационной гибели клетки.

В соответствии с формальными представлениями в клетке имеется “мишень”, под которой понимается критическая микроструктура или совокупность каких-то микропроцессов, повреждение которых несовместимо с сохранением клеткой жизнеспособности.

Совпадение микрообъема, в котором реализуется порция поглощенной в веществе энергии, с такой мишенью – событие, приводящее к инактивации клетки. Такое совпадение носит вероятностный характер. С повышением дозы эта вероятность возрастает.

Уже при самой малой дозе воздействия, если  единственный акт ионизации произошел в пределах мишени, клетка погибает. Но и при очень высокой дозе существует вероятность того, что ни одна из ионизаций не затронула мишени. В этом случае клетка должна сохранить жизнеспособность.



Источник: http://biofile.ru/bio/9990.html

Репродуктивная гибель делящихся клеток Вопросы 1

Репродуктивная форма гибели клеток:  Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул

Репродуктивная гибель делящихся клеток.

Вопросы. • 1. Реакции клеток на облучение. • 2. Количественные характеристики гибели облученных клеток. • 3. Молекулярные механизмы радиационноиндуцированной репродуктивной гибели клеток.

Из истории: • В начале ХХ века Г. Хейнеке и Е. C. Лондон выявили мощное цитопеническое действие ИИ на организм. Возникло представление о лучевом поражении как “cиндроме клеточной гибели”.

• В дальнейшем, начиная с работ Бергонье и Трибондо, это представление получило убедительные подтверждения.

• К настоящему времени оно углублено обнаружением разновидностей и биохимических механизмов гибели клеток, а также дополнено сведениями о нелетальных клеточных реакциях на облучение.

1. Реакции клеток на облучение Преходящие реакции – физиологические или кумулятивные эффекты облучения: остановка клеточного деления – блокировка клеточного цикла. Летальные реакции: 1. Интерфазная гибель клеток. 2. Репродуктивная гибель клеток.

Типы (формы) клеточной гибели: • 1. Интерфазная (интеркинетическая) гибель: ü до деления (под лучом); ü без деления. • 2. Митотическая (репродуктивная) гибель: ü после первого деления; ü в последующих делениях; ü гибель делящихся клеток популяции.

В цитоплазме после облучения происходит: • изменение вязкости: при малых дозах она снижается, при больших – повышается; • вакуолизация цитоплазмы (отчетливо просматривается у клеток крови, красного костного мозга, паренхиматозных органов); • повышение проницаемости мембран для электролитов и воды – из клетки выходит калий, а в ней накапливается натрий (у эритроцитов это приводит к гемолизу); • повышение коэффициента лучевого преломления, что, по-видимому, связано с денатурацией белков плазмы.

Изменения ядра в облученных клетках. • В облученных клетках наблюдается увеличение размеров ядер. • В дальнейшем изменяется форма ядра, появляются гигантские ядра, тройные звезды в митозе, трех- и четырехъядерные и гиперсегментированные клетки, некротические явления – пикноз и реже лизис ядра. • Подвижные клетки после облучения обычно принимают округлую форму.

Репродуктивная гибель • Особенности гибели быстроделящихся клеток подчеркивают термины, которые в разное время были приняты для ее обозначения: ”митотическая гибель”, ”отсроченная гибель”, ”гибель при делении”, ”репродуктивная гибель”.

Репродуктивная гибель • Последний термин получил наибольшее распространение, так как в качестве критерия гибели используют методы количественной оценки репродуктивной способности клеток (способность к образованию колоний in vitro, селезеночных колоний и другие методы оценки клоногенной активности).

Репродуктивная гибель • Репродуктивная гибель клеток заключается в необратимой потере способности к делению, облученными клетками или их потомками. Репродуктивная гибель клеток имеет место при относительно невысоких дозах облучения. • Этот радиобиологический эффект хорошо изучен количественными методами на различных типах клеток.

Репродуктивная гибель • Репродуктивная гибель делящихся клеток происходит не сразу после облучения, а постепенно, в процессе нескольких циклов деления.

• Так показано, что при облучении культуры фибробластов мышей в дозе 4 Гр, около 80 % клеток заканчивали 1 деление, а второе и третье деление завершали только 30 % начавшихся делиться клеток.

• Репродуктивная гибель клеток проявляется в образовании гигантских клеток в результате слияния нескольких клеток или при длительной задержке цитокинеза.

Репродуктивная гибель • Характерна для всех тканей организма, имеющих высокую митотическую активность.

• Она присуща, в частности, молодым, малодифференцированным клеткам кроветворной системы и эпителия тонкой кишки – тканевых систем, лимитирующих выживание млекопитающих при облучении в дозах 1 -20 Гр.

• Эта летальная реакция клеток на облучение вносит основной вклад в опустошение костного мозга в первые дни острой лучевой болезни.

Репродуктивная гибель • Репродуктивно погибающие клетки элиминируются из ткани и замещаются клетками, не имеющими хромосомных аберраций.

• Поэтому стохастические летальные эффекты не могут быть причиной отдаленной гибели клеток в обновляющихся тканях.

• Тем не менее частота последней бывает повышена даже спустя много лет после облучения, особенно в условиях нанесения дополнительного митогенного стимула.

«неклассическая» репродуктивная гибель • Одно из возможных объяснений этого явления (60 -е годы И. Б. Бычковская и соавт. ) – феномен нестохастических скрытых летальных повреждений клеток.

Нестохастичность данного эффекта выражается в его появлении у 100% облученных клеток; его скрытый характер проявляется в нормальном функционировании клетки в ряде поколений до момента гибели при очередной попытке вступить в митоз.

• В отличие от “классической” репродуктивной гибели, описываемая форма элиминации клеток наблюдается уже после облучения в дозах, на три порядка меньших.

«неклассическая» репродуктивная гибель • По-видимому, изменения, обусловливающие данную разновидность репродуктивной клеточной гибели, носят необратимый характер.

Об этом свидетельствует неизменный в течение ряда лет процент превышения смертности потомков облученных клеток над контролем.

• Установление конкретных молекулярных механизмов и морфологических субстратов данной разновидности репродуктивной клеточной гибели могло бы оказаться полезным в плане борьбы с поздними нарушениями иммунитета у лиц, подвергшихся радиационным воздействиям при авариях на АЭС.

Экспериментальные доказательства роли ядра в репродуктивной гибели: • Опыты Астаурова – феномен андрогенеза – мужской партеногенез – возможность развития организма из мужской половой клетки без оплодотворения (тутовый шелкопряд).

2. Количественные характеристики гибели облученных клеток • Методы оценки жизнеспособности облученных клеток • Существует несколько методов оценки жизнеспособности облученных клеток, основанных на определении их способности к неограниченному размножению путем образования колоний или бляшек, возникающих из одиночных клеток.

Методы оценки жизнеспособности облученных клеток • Определение выживаемости клеток in vitro Количественный метод определения выживаемости клеток млекопитающих после облучения впервые был разработан в 1956 г. Т. Паком и П. Маркусом для культуры клеток He. La.

И в настоящее время он является основным методом, применяемым в количественной радиобиологии. • Определение выживаемости клеток in vivo В 1961 году канадские ученые Дж. Тилл. и Е.

Мак-Кулох предложили метод определения радиочувствительности стволовых клеток гемопоэтической ткани.

Метод Г. Пака и П. Маркуса на культуре клеток He. La. • Определенное количество культуральных клеток высевают на твердую питательную среду в чашках Петри, которые облучают различными дозами радиации и инкубируют в оптимальных условиях.

• Через определенный промежуток времени подсчитывают число образовавшихся колоний на поверхности питательной среды.

• Выживаемость клеток при определенной дозе облучения определяют как отношение числа колоний выросших в облученных чашках, к числу колоний в контрольной чашке Петри (без облучения).

Метод Дж. Тилла и Е. Мак-Кулоха • Клетки костного мозга, печени или селезенки вводят в вену летально облученных мышей. Через неделю на селезенке мышей появляются колонии, состоящие из потомства введенных клеток.

Число колоний, образующихся на селезенке, показывает пролиферативную (клоногенную) способность введенных клеток, которая зависит от дозы облучения вводимых клеток.

• Путем сравнения числа колоний, полученных от облученных в различных дозах клеток, и числа колоний на селезенках контрольных мышей (с клетками без облучения), получают кривые выживания.

Кривые выживаемости доза – эффект: А – линейные координаты, Б – полулогарифмические координаты.

Кривые выживания описываются уравнением N/ N 0 = 1 – (1 – e-D/D 0)n • где n – экстраполяционное число, которое определяется как значение ординаты в месте ее пересечения с экстраполированным прямолинейным участком кривой выживания. • D 0 – приращение дозы, снижающее выживаемость клеток в е раз на прямолинейном участке кривой выживания.

Зависимость доза-эффект носит экспоненциальный характер: N=N 0 e –D/D 0, где N – число выживших после облучения клеток из общего их числа, N 0 – исходное число клеток, D – любая доза излучения, D 0 – доза излучения, при которой выживает 37 клеток: N/N 0 = e-1 = 0, 367

Кривые «доза — эффект» с «плечом» .

• n — экстраполяционное число, определяемое как значение ординаты в месте ее пересечения с экстраполированным прямолинейным участком кривой выживаемости, • Do — определяет исходную радиочувствительность и вычисляется как приращение дозы, снижающей выживаемость в е раз на прямолинейном участке кривой «доза — эффект» . • Dq — «квазипороговая доза» – характеризует работу систем репарации.

Мерой способности клеток к репарации является величина плеча, оцениваемая квазипороговой дозой Dq. • Эта доза соответствует точке пересечения экстраполированного прямолинейного участка кривой выживания с прямой, параллельной оси абсцисс, проведенной на уровне 100% выживаемости. • При уменьшении способности клеток к репарации величина n уменьшается до 1; а величина Dq до 0 Гр.

Дозы D 37, D 0, Dq • При дозе D 37 (среднелетальной) погибает 37 % облученных клеток. • D 0, Dq – характеризуют регенерационную способность клеток, которая в конечном счете характеризует устойчивость клеток к облучению. Чем выше значение Dq, чем длиннее плечо, тем выше способность клеток посрадиационному восстановлению и следовательно, их устойчивость к облучению.

Дозы D 37, D 0 • При дозе D 0 выживает 36, 7% и погибает 63, 3%. Величина D 0 служит показателем радиочувствительности клеток и определяется по кривой выживания как доза, при которой выживает 37% клеток от исходного количества. • Поэтому эту величину иногда называют D 37, что справедливо в случае экспоненциальных кривых, тогда как в случае кривых, имеющих плечо, D 0 и D 37 различны.

3. Молекулярные механизмы репродуктивной гибели клеток.

• Морфологической основой инактивации репродуктивной способности клеток служат хромосомные аберрации – фрагменты, внутрихромосомные и межхромосомные обмены.

• Существует тесная связь между частотой возникновения хромосомных аберраций и клеточной гибелью. • Молекулярным субстратом хромосомных аберраций являются нерепарированные двутяжевые разрывы ДНК.

Основная причина репродуктивной гибели клеток – повреждение ДНК. Типы лучевых повреждений ДНК: • одиночные и двойные разрывы (именно они ответственны за летальный исход облучения); • повреждение азотистых оснований нуклеотидов с последующим их удалением из ДНК; • внутри- и межмолекулярные сшивки типа ДНКДНК, ДНК-белок;

Основные типы повреждения ДНК

Схема возникновения аберраций хромосомного типа

Схема возникновения аберраций хроматидного типа

Модификация репродуктивной гибели

Источник: https://present5.com/reproduktivnaya-gibel-delyashhixsya-kletok-voprosy-1/

Формы лучевой гибели клеток

Репродуктивная форма гибели клеток:  Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул

Важнейшим радиобиологическим эффектом являетсягибель клеток. Различают две основныеее формы: репродуктивную, т.е. непосредственносвязанную с процессом деления клетки,и интерфазную, которая может произойтив любой фазе клеточного цикла.

Репродуктивная форма гибели клеток

Какуказывалось ранее, радиационноеповреждение уникальных молекул ядернойДНК имеют особо важное значение дляразвития лучевого процесса. Однако,если дело идет о ДНК в неделящих­сяклетках, повреждение “немых”участков ее цепей может и не сказатьсясущественно на функциях этих клеток.

Дляпролиферирующих же клеток значениеповреждения ДНК трудно переоценить.Необходимым подготовительным этапомк делению клетки является репликативныйсинтез ДНК, схема которого показана на рисунке.

Двойная спираль ДНК разделяетсяна две самостоятельные нити, и на каждойиз образовавшихся одиночных цепей,став­шими матрицами, достраиваетсяпарная к ней путем последовательногоприсоединения нуклеотидов, комплементарныхматричным.

В конце концов, генетическаяин­формация удваивается, и клеткаоказывается готовой к делению.

Еслив результате облучения возниклипов­реждения ДНК, например, двойныеразрывы или сшивки, нормальная репликацияделается невозможной.

При формированиихромосом повреждения ДНК проявляютсявозникновением мостов, фрагментов идругих типов хромосомных аберраций,многие из которых ле­тальны, посколькуневозможно равномерное распределениегенетического материала между дочернимиклетками. Эта форма гибели клеток вмитозе получила наименование репродуктивнойги­бели.

Количество повреждений ДНК, возникающихв результате об­лучения достаточновелико. Так, например, при облучении вдозе 1 Гр, в каждой клетке человекавозникает около тысячи одиноч­ных иста-двухсот двойных разрывов.

Каждоеиз этих событий могло бы иметь фатальныепоследствия, если бы не существовалоупоминавшихся ранее систем, способныхликвидировать большинство возникшихповреж­дений ДНК. Клетки, успевшиерепарировать повреждения ДНК довступления в фазу митоза, способны кнормальному делению.

Вызываемоеоблучением торможение про­цессовподготовки к делению объективно можетблагоприятно сказаться на судь­беклетки, поскольку в результатеувеличивается время, необходимое длярепарации лучевого повреждения.

Сейчасбольшинство исследователей считает,что непосредс­твенной причинойрепродуктивной гибели клеток являютсянерепа­рированные повреждения ДНК,прежде всего, двойные разрывы це­пейи повреждения ДНК-мембранного комплекса.Морфологически клетки, погибающие порепродуктивному типу, можно выявить вана- или метафазе митоза, обнаружив вних хромосомные аберрации.

Интерфазная форма гибели клеток

Поинтерфазному типу могут погибать какнеделящиеся клетки, так и делящиеся, нонаходящиеся вне фазы митоза. Чаще всегодля возникновения интерфазной гибелитребуется облучение в достаточно высокойдозе.

Для некоторых типов клеток (миоциты,нейроциты) это десятки и даже сотнигрей.

В то же время такие клетки, каклимфоциты, тимоциты, ооциты могутпогибнуть уже после воздействия в дозахпорядка десятых и даже сотых долей грея.

Механизмамиинтерфазной гибели клеток могут бытьнекроз и апоптоз. Исходным событием длянекроза клеток, подвергшихся облучению,является чаще всего вызванное активациейперекисного окисления липидов повреждениевнутриклеточных мембран.

Повреждениемембран нарушает работу связанных смембранами ферментов, подавляет процессокислительного фосфорилирования;повышение проницаемости мембран приводитк нарушению градиентов концентрацийнизкомолекулярных веществ в клетке,выходу лизосомальных протеаз и нуклеазв цитоплазму и проникновению их в ядро.Угнетается клеточное дыхание.

В результатевсех этих процессов развиваетсядеградация нуклеопротеидных комплексовв ядре, происходит расплавление или(реже) пикноз ядра, цитолиз с выходомсодержимого клетки за пределы клеточноймембраны.

Вслучае апоптоза происходит межнуклеосомнаядеградация хроматина, проявляющаясяпозднее фрагментацией ядра. Распадаетсяи цитоплазма, участки которой, окружающиеосколки ядра получили наименование”апоптотических телец”. Посуществующим представлениям процессапоптоза запускается включениемпрограммы самоуничтожения клетки.

Происходит активация участков генома,которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина.Эту активацию могут вызывать стимулы, возникающие под влиянием разныхфакторов, в том числе и вызванныхоблучением повреждений мембранныхструктур, ядерного хроматина. Такимобразом, апоптоз- это генетическиопосредуемая прог­раммированнаяформа клеточной гибели.

Механизм апоптозаособенно характерен для интерфазнойгибели лимфоидных клеток, клетоккроветворной ткани.

Какпри репродуктивной, так и при интерфазнойформах гибели клетки наблюдаетсяразрушение генетического материала.

Однако, в первом случае это разрушениепроисходит в результате прямого илинепрямого действия радиации на уникальныеструктуры ядерной ДНК.

В инициированииинтерфазной гибели существенная рольпринадлежит повреждениям иных структур- внутрик­леточных мембран, ферментов,нарушениюклеточногометаболизма, и лишь на конечных этапахпоражается геном.

Источник: https://studfile.net/preview/6439472/page:72/

Лекции по радиобиологии – файл 1.doc

Репродуктивная форма гибели клеток:  Как указывалось ранее, радиационное повреждение уникальных молекул
Лекции по радиобиологии
скачать (1327.5 kb.)

1.doc1328kb.24.11.2011 22:42скачать

содержание
1   …

  5   6   7   8   9   10   11   12   13 Реклама MarketGid:
Предполагаемые причины инактивации ферментов облученных в водных растворах ( Окада, 1974)

Фермент Причина инактивации при облучении
Рибонуклеаза Дезоксиробинуклеаза Фосфоглюкомутаза Каталаза Фософоглицеридаль-дегиддегидрогеназа АТФ-аза, сукцинат- оксидаза, глутамат- дегидрогеназа, лактат- дегидрогеназа, алка- гольдегидрогеназа разрушение остатков метионина разрушение остатков триптофана разрушение остатков гистидина разрушение гемопорфириновой группы в ак- тивном центре фермента деструкция SH -групп цистеина и окисление SH -групп окисление и деструкция SH -групп

Анализ экспериментов с облучением белковых препаратов позволило выявить следующие типы повреждений этих молекул.

  • Изменение аминокислотного состава.
  • Нарушение высших ( четвертичной, третичной и вторичной) структур молекул
  • Возникновение разрывов полипептидной цепи.
  • Появление агрегатов молекул с высокими молекулярными массами.
  • Разрыв SH-связей и возникновение свободных SH- групп
  • Разрушение аминокислотных остатков.

Большое число исследований посвящено выяснению механизмов поражения молекул нуклеиновых кислот в водных растворах. При помощи методов седиментации, хроматографии, электрофореза зарегистрированы появление поперечных сшивок и одиночных разрывов полинуклеотидных цепей в растворах ДНК после облучения.

Показано, что возникновение однонитевых разрывов связано с повреждением азотистых оснований вследствие их взаимодействия с радикалами ОН Потеря инфекционной активности ДНК фага j 29 происходит в результате двухнитевых разрывов цепи. Вероятность появления двухнитевых разрывов пропорционально дозе облучения.

Двухнитевые разрывы в молекуле ДНК появляются в результате накопления одиночных разрывов, т.е. при совпадении близкорасположенных разрывов в каждой цепи.

Расчеты показывают, что уже при поглощенной дозе 1 Гр в каждой клетке человеческого организма повреждается до 5000, что приводит к возникновению около 1000 одиночных и до 100 двойных разрывов нуклеотидов в молекулах ДНК.

Схематично представить процессы, происходящие в облученных клетках и живых организмах можно следующим образом:

Молекулы, атомы ® ионы, свободные радикалы ® изменения в органических молекулах ® радиобиологический эффект ( например, мутация, болезнь, гибель ).

Конечный (радиобиологический) эффект зависит от типа и дозы, от условий облучения и от свойств облучаемого ионизирующего излучения, объекта.

Вопросы и задания.

  1. За счет какого механизма ( прямого или косвенного) происходит инактивация рибулозадифосфаткарбоксилазы листьев при облучении растений γ- излучением.
  2. Опишите, какие повреждения структуры молекул могут возникать при облучении рентгеновскими лучами: а) лиофильного высушенного препарата ДНК б) водного раствора ДНК.

  3. При облучении тканей происходит нарушение специфических свойств и функций биологических мембран, в частности нарушается избирательная проницаемость клеточной мембраны.

    Какие изменения в структуре мембран приводят нарушению функций мембран?

  4. Чем Вы объсните неодинаковую радиочувствительность различных ферментов? Дайте объяснения данным, приведенным на рис.3.

  5. Какие методы можно использовать для определения радиочувствительности молекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов?
  6. Почему при растворении кристаллов трипсина в буфере, радиочувствительность молекул повышается в десятки и сотни раз?
  7. Опишите физико-химические процессы, происходящие при облучении дистиллированной воды.
  8. Какие типы реакций могут иметь место при облучении а) раствора уксусной кислоты; б) раствора олеиновой кислоты; в) раствора глицина; г) раствора белка; д) раствора ДНК.
  9. Будут ли одинаковы велечины LD50, для молекул фермента в растворенном состоянии, в среде с кислородом и в среде без свободного кислорода.
  10. Опишите схематично процессы, происходящие при облучении живых организмов ионизирующими излучениями.

Задачи.

  1. Рассчитайте величину поглощенной дозы при инактивации 50 % молекул, если число мишеней равно 1.
  2. Постройте дозовую кривую инактивации фермента по следующим данным: LD100 = 500 Гр, LD75 = 450, LD50 =300 Гр, LD37 = 180 Гр.
  3. При облучении раствора ДНК было повреждено 300 азотистых оснований, что составило 10 % от количества азотистых оснований в одиночной цепи ДНК. Рассчитайте молекулярную массу облучаемой молекулы ДНК.
  4. При какой дозе облучения инактивруется 80 % молекул РНК-азы (по данным рис. 3)
  5. Во сколько раз снижается активность химотрипсина при повышении поглощенной дозы от 100 до 1000 Гр ( по данным рис. 3).

Лекция 7. Действие ионизирующих излучений на клетку . Радиочувствительность клеток.

Любой радиобиологическийх эффект, проявляющийся на уровне органа и целого организма, возникает на клеточном уровне. Экспериментально показано, что облучение может повреждать все внутриклеточные структуры. Реакции на облучение на клеточном уровне могут проявляться в разнообразной форме: от незначительного повреждения отдельной структуры клетки до полной деградации и лизиса клетки. Степень выраженности клеточных реакций на облучение зависит, в большей степени, от количества поглощенной энергии (дозыионизирующего излучения), в меньшей степени, от генетической конституции и физиологического состояния клетки. Как известно, жизнь клетки между двумя последовательными делениями (от деления до деления) называют интерфазой. Условно интерфаза подразделяется на три периода: синтетический или S-период, в течение которого происходит синтез (удвоение) ДНК, предсинтетический G1- период и постсинтетический G2 –период. Митоз (деление соматических клеток) обозначают символом М. Продолжительность различных периодов клеточного цикла у разных клеток неодинакова. Как правило, для большинства типов клеток, по продолжительности различные клеточные фазы, располагаются следующим образом: М 45Ca > 89,90Sr > 65Zr > 60Co > 59Fe> 54Mn >140Ba >106Ru >95Zr 144Ce >90Y > 239Pu. Как видно из таблицы 3, галогены, щелочные и щелочноземельные металлы всасываются очень хорошо, в кровь поступает до 100 % попавших в желудочно-кишечный тракт элементов. Тяжелые и редькоземельные элементы в кишечнике образуют трудно растворимые соединения с фосфатами и жирными кислотами и поэтому всасываются очень слабо ( до 2 % поступивших радионуклидов).

Таблица 3 Всасываемость некоторых химических элементов в желудочно-кишечном тракте животных (Белов и др., 1999)

Элемент Всасывание, % Элемент Всасывание, % Элемент Всасывание, %
Натрий 100 Стронций 9 – 60 Барий 15
Рубидий 100 Кобальт 30 Уран 3-6
Цезий 100 Магний 10 Иттрий 0,01
Йод 100 Свинец 8 Цирконий 0,01
Цинк 10 Полоний 6 Плутоний 0,01

1   …   5   6   7   8   9   10   11   12   13 Скачать файл (1327.5 kb.)
Нажми чтобы узнать.

Источник: http://gendocs.ru/v16602/%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8_%D0%BF%D0%BE_%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8?page=8

Medic-studio
Добавить комментарий