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,

g-лучи,

рентгеновские лучи,

b-лучи,

a-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 g-лучи).

Ультрафиолет способен индуцировать образование неспецифических двойных связей С=С. Рентгеновские и g-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 g-излучение приводит к образованию фотоаддуктов за счет комптоновских электронов. УФ-излучение, от отличие от g-излучения, не проникает ни через бумагу, ни через кожу.

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

1.   260-280 – зона поглощения для ДНК, РНК и белков (избирательное поглощение: 260 нм – ДНК, 280 нм – белки)

2.   280-330 – зона поглощения для липидов с ненасыщенными связями (С=С)

3.   330-400 – зона поглощения для стероидов

 

Законы фотохимии

1.   Действует лишь тот фотон, который поглощен.

2.   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), l – длина волны, n – 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.

g-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)

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

b-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.

g-частицы (нейтроны). Максимальная проникающая способность.

Нейтроны обладают очень высокой проникающей способностью. По мутационному ответу превосходят a- и b-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:

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

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

3.   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.