Радиационно-химические превращения нуклеиновых кислот. Радиолиз азотистых оснований, моносахаридов, нуклеозидов, нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Повреждение биологически важных молекул обуславливается радиа­ционно-химическими превращениями (повреждениями) мономерных единиц, из которых они состоят. Степень нарушения функций макромолекулы зависит от выполняемой ею роли в клетке, степени уникальности, возможности ее замены из "резервных" молекул или синтеза новой идентичной макромолекулы.

К основным радиационно-химичес­ким реакциям оснований относят дезаминирование пуриновых основа­ний (аденина и гуанина) и цитозина, образование пиримидиновых и пуриновых ра­дикалов при разрыве пиримидинового или имидазольного кольца, образование гидроперикисных радикалов, образование в водных растворах кетильных ра­дикалов при участии радикалов Нo и ОНo.

Углеводы представлены в природе моносахаридами (4–8 атомов угле­рода) и полисахаридами (более 8 атомов углерода). Радиолиз моносахаридов сопровождается образованием дезоксисахаридов, дезоксикетосоединений, мло­идиаль­дегида (МДА). Облучение полисахаридов вызывает разрыв углеродных связей и нару­шение структуры, изменение физико-химических свойств, деполиме­риза­цию, т.е. образование более простых молекул.

Разрыв связей в сахаро-фосфатном скелете нарушает непрерывность нити ДНК. Если разорвана одна нить – одиночный разрыв, если две нити – двойной разрыв. Одиночные разрывы вызваны разрывами фосфодиэфирных связей. Число этих разрывов пропорционально дозе облучения в диапазоне от 0,5 до 1 Гр.

Если в молекуле дезоксирибозы разорвана одна из связей, не участвующих в построение скелета ДНК, то принято говорить о повреждении нуклеотида, а если в нуклеотиде повреждена одна из связей в пуриновом или пиримидиновом основании, то говорится о повреждении основания. Поврежденные основания и нуклеотиды подвергаются дальнейшим химическим изменениям (гуанин до 8-оксогуанина). Атака ДНК высокоактивными радикалами воды приводит к модификации основания (присоединение радикала ОН к тимину).

Образование внутримолекулярных и межмолекулярных сшивок. Действие излучений на аминокислоты и белки.

Действие ионизации на ДНК приводит не только к разрывам полинуклеотидных нитей, но и к их сшивкам. При облучении сухой ДНК и ДНК, содержащей небольшое количество воды, было обнаружено увеличение ее молекулярного веса и зафиксировано образо­вание разветвленных структур. Облученная в вакууме ДНК теряет раствори­мость. Эти факты объясняются образованием ковалентных сшивок (слипание нитей) в молекуле ДНК при облучении. Присутствие воды увеличивает образо­вание сшивок, а наличие кислорода препятствует этому процессу. Известны сшивки нескольких типов: продольные (между поврежденными основаниями), поперечные (между двумя нитями ДНК) и сшивки между нитями ДНК и молекулами белка (межмолекулярные). Возникновение сшивок является результатом образования ковалентных связей 3-х типов: между двумя реакционно–способными концами полимерной цепи, между поврежденными основаниями и между поврежденными основа­ниями и сахарофосфатными остатками. Однако механизм образования и мо­лекуляр­ная природа сшивок не выяснены до конца. Есть теория о том, что о внутримолекулярных ковалентных сшивках между двумя комплементарными нитями ДНК в растворе может свидетельствовать тот факт, что облученная ДНК неспособна расплетаться на нити при денатурационных воздействиях — разрыве водородных и других наковаленных связей.

Изучение действия излучения на белки позволяет выделить основные ре­акции повреждения белковой молекулы: отщепление водорода по связи С–Н от углеродного атома с образова­нием белкового радикала; расщепление белка с образованием амида и карбонильного соедине­ния; нарушение и разрыв первичной структуры, сопровождающиеся обра­зованием низкомолекулярных фрагментов и полимеризацией молекулы белка; денатурация — специфическая реакция белков на облучение, при кото­рой белок переходит в нерастворимую форму без изменения химического со­става; радиационно–химические нарушения аминокислот; инактивация ферментов, т.е. потеря способности ферментов регули­ровать процессы обме­на веществ. В состав белков входят также наиболее радиочувствительные серосодержащие и ароматические аминокис­лоты. В водных растворах существенную роль в радиационных превращениях белковых молекул играют продукты радиолиза воды – радикал ОНо и гидрати­рованный электрон e-aq. Свободно радикальные образования могут локали­зовы­ваться в определенных местах молекулы. Через промежуточные соединения, возникающие по центрам локализа­ции свободнорадикальных соединений, белки расщепляются с образованием фраг­ментов белковых молекул. С участием свободных радикалов, локализо­ванных в разных участках белковой молекулы, могут происходить процессы поли­мери­зации и возникать ковалент­ные сшивки белков с молекулой ДНК. Облучение вызывает нарушение конформационного состояния, что при­водит к ослаблению способности белка регулировать самосборку надмолеку­ляр­­ных структур. Хорошо изучена реакция на облучение водных растворов ферментов, катализирующих разложение нуклеиновых кислот и белков. Причинами инактивации могут быть изменения пространственной кон­фи­гурации фермента, развертывание белковой глобулы, а также изменение ами­но­кислотного состава в результате повреждения поверхностных участков фермента. Образование продуктов радиолиза белковых молекул в живых клетках, облученных дозами, близкими к полулетальным, обычно невелико. Прямое повреждение белковых молекул, по-видимому, не имеет решаю­щего значения для жизнеспособности клеток, так как в клетке много одинаковых молекул и возможен синтез новой идентичной белковой молекулы.

Радиационно-химические превращения жирных кислот и фосфолипидов. Образование липидных перекисей.

Фосфолипиды формируют клеточные мембраны. Они могут служить мишенью, так как повреждение их даже в небольших количествах может изменить проницаемость мембран и нарушить обменные процессы в клетке. В состав фосфолипидов входят две жирные кислоты, одна из которых, как правило, насыщенная, а другая – ненасыщенная. Они составляют гидрофобный «хвост» фосфолипида. В состав гидрофильной головки входят фосфат-ион и положительно заряженная группа. Радиационно-химические превращения фосфолипидов начинаются с разрушения двойной связи в ненасыщенной жирной кислоте. В присутствии кислорода за этим следует образование гидроперекиси и распад последней с образованием различных карбонильных соединений и гидроперекисей. Еще одним превращением фосфолипидов является отщепление неорганического фосфата.

Радиолиз липидов сопровождается накоплением продуктов радиационно-химического превращения ненасыщенных жирных кислот, которые входят в состав липидов. Среди этих продуктов имеются перекиси и гидроперекиси — липидные перекиси. Выходы липидных перекисей могут составлять несколько сотен молекул на 100 эВ поглощенной энергии. Возникающие при этом нестабильные радикалы претерпевают ряд превращений, взаимодействуя с неповрежденными молекулами, друг с другом и c кислородом. В последней реакции образуется активный перекисный радикал, который, реагируя с исходной карбоновой кислотой, приводит к образованию гидроперекиси и нового перекисного радикала. Этой реакцией начинается цепной процесс окисления липидов. Конечными продуктами радиолиза жирных кислот являются карбонильные соединения, альдегиды, кетоны, спирты, углекислый газ.