Физический мутагенез

Физический мутагенез



Физическими мутагенами называются любые физические воздействия на живые организмы, которые оказывают либо прямое влияние на ДНК или вирусную РНК, либо опосредованное влияние через системы репликации, репарации, рекомбинации.

В случае прямого влияния на ДНК основную роль играют два таких параметра, как величина энергии воздействующей частицы и способность биологического материала поглощать эту энергию.

Величина энергии убывает в ряду: 

космические лучи, 

-лучи, 

рентгеновские лучи, 

-лучи, 

-лучу, 

УФ-лучи, 

видимый свет, 

инфракрасные лучи, 

микроволны,                           ДНК прямо не повреждают

радиоволны. 

Повреждения ДНК могут быть двух типов: двунитевые и однонитевые разрывы (при очень высокой энергии фотона – космическоие лучи, рентгеновские и -лучи).

Ультрафиолет способен индуцировать образование неспецифических двойных связей С=С. Рентгеновские и -лучи способны разрывать С–N, C–C, C–H, C=O (образуются перекиси). Они проникают через живые ткани, ионизируют вещества в живых тканях (ионизирующая радиация). УФ и -излучение приводит к образованию фотоаддуктов за счет комптоновских электронов. УФ-излучение, от отличие от -излучения, не проникает ни через бумагу, ни через кожу. 



––––260–––––––––––––––280––––––––––––––330–––––––––––––––400–––– нм



260-280 – зона поглощения для ДНК, РНК и белков (избирательное поглощение:  260 нм – ДНК, 280 нм – белки)

280-330 – зона поглощения для липидов с ненасыщенными связями (С=С)

330-400 – зона поглощения для стероидов

 

Законы фотохимии

		Действует лишь тот фотон, который поглощен.

		Повреждение – результат действия одного фотона.

Для оценки повреждения необходимо подсчитать количество моль образующихся фотопродуктов на один Эйнштейн поглощенной энергии.

Для нахождения повреждения необходимо подсчитать квантовый выход.

   (*)



 



Nа – число Авогадро,

– постоянная Планка, 6,62*10–27 эрг/с,

с – скорость света (3*108 м/с),

 – длина волны,

 – частота.



(*) – не пригодна для ДНК, которая содержит пурины, которые поглощая энергию не дают фотопродуктов.

На клеточном уровне законы фотохимии имеют ограничения:



С точки зрения фотохимии доза одна и та же, но при первой дозе клетки выживают, при второй нет, так как за одну секунду не успевают включиться системы репарации. Высокие дозы не вызывают перекисного окисления жирных кислот. 

У высших живых существ вещества, ослабляющие действие излучения – фотопротекторы. Многие растения содержат алкалоиды и кумарины, они усиливают процессы, вызванные радиацией. Эти вещества опастны для животных.

Источники излучения – солнечный свет, ртутные лампы, рентгеновское излучение, радиоактивные элементы.

Проникая в кожу, квант излучения оставляет шлейф ионизированного вещества.

Для оценки радиационного поражения используют две величины:

ЛПЭ – линейная передача энергии – энергия, переданная веществу (в электронвольтах) на 1 нм пробега частицы.

ЛПИ – линейная плотность ионизации – количество возникающих пар ионов на 1 нм пробега частицы.

-излучение может разрывать сахарофосфатный остов, кольца пуринов и пиримидинов. 

Фактор изменения дозы: 

Модификаторы



Протекторы –

усиливают действие излучения.

(вещества и тиоловой группой, гистамин и др.)

Сенсибилизаторы –

ослабляют действие излучения.

(новокаин, резерпин, морфий)



Теория одной мишени – чем проще органическое существо, тем большие дозы облучения оно может выдерживать. (Пример: бактерии прособны выдержать 600 крад, мыши – 100 рад). ДНК – основной поглотитель мутагена.

1958 г. Альперт сформулировал теорию двух мишеней, в которой показал, что различие в чуствительности E. coli в атмосфере азота и кислорода зависит от того, что существуют две мишени (в азоте мишень – ДНК, 260 нм УФ; в кислороде – мембрана, 360 нм проявление кислородного эффекта). При проведении острых опытов, наблюдали мгновенную гибель, при проведении хронических опытов – гибель через несколько дней. Энергия воздействия лучей мала, но клетка усиливает дозу облучения. При малых дозах гибель клеток через несколько недель связана с активацией нуклеаз, нарушением ДНК-мембранного комплекса. Исследование семян и бактерий высокогорья показало, что при низких дозах облучения у них образуются фотопродукты иной структуры, чем те, что образуются при сильном облучении. (6,4-пиримидин-2-ОН – продукт высокогорных растений, в их спорах содержится продукт другой структуры). У дрожжей фотопродукты не образуются при облучении, а при вегетативном размножении в момент митоаз  происходит образование обыкновенных димеров. Бактерии, обитающие на голодной среде и имеющие один геном обречены на смерть при воздействии физического мутагена, тогда как содержащие несколько геномов способны выжить. 

Действие инфракрасного излучения и шумов на клетки не изучено. Физические мутгены и их действие сильно зависит от предварительной эволюции организма. К постоянно действующим мутагенам виды выработали устойчивость. Физический мутагенез может не регистрироваться из-за быстрой гибели мутантных организмов.

Мутагенный ответ могут вызывать любые частицы, вызывающие ионизирующую радиацию (нейтроны, протоны, электроны).

Ионизирующие частицы

(образуются при распаде радиоактивного элемента)





-частицы

(ядра атома He: 2 протона, 2 нейтрона). Задерживаются даже одеждой, но роговица глаза, эпителиальные клетки и сперма могут давать мутагенный ответ.

-частицы

(быстрые электроны от U 238 или Ra). Обладают высокой проникающей способностью, проходят через кожу, оставляя шлейф возбужденных атомов, вторичная ионизация  привотит к мутагенному ответу. 

-частицы

(нейтроны). Максимальная проникающая способность.



Нейтроны обладают очень высокой проникающей способностью. По мутационному ответу превосходят - и -частицы. Измеряются в следующих единицах: Кюри слишком крупные единицы, их заменили на Беккерель. БЭР (единица поглощения) – биологический эквивалент рада. Сейчас измеряют в зиветрах. Одна доза разного излучения имеет разный биологический ответ.

1 грей рентгеновского излучения равено одному зиверту.

1 грей нейтрино равен 10 зивертам.

Последствия облучения : смерть, мутация соматических клеток → рак, мутация половых клеток → уродство потомства.

Смерть может наступать трех типов:

Через несколько часов в результате поражения сосудов мозга и нервов (цереброваскуляция).

Через 1–2 недели – кишечный синдром в результате гибели клеток кишечника.

Гибель организма через 2–3 месяца. Гематоэнцефалический синдром. Кроветворные клетки костного мозга умирают.

Все уродства при облучении затрагивали только костную систему (16 млн. мышей).  Млекопитающие устойчивы к малым дозам радиации, но к большим – нет. В географический зонах с высоким уровнем радиации популяции адаптируются (Дельта Нила, Денвре, Рио–де–Жанейро). 

Существуют два способа радиации: облучение снаружи и через внутренности (через легкие и пищеварительную систему). Радиация проникает через порезы, не защищенные эпителием. Дейтерий и тритий радиоактивны. Входя в состав молекул воды, способны вызывать мутагенез. Живая вода является антиоксидантом, вызывает усиленную регенерацию. Грибы способны накапливать радионуклеиды в плодовых телах.