Радиационная биохимия нуклеиновых кислот. Основные типы репарации ДНК
На ядерную ДНК приходится около 7% поглощенной дозы.
Механизм повреждения нуклеиновых кислот:
а) при прямом действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: выбивание электрона и последующая миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи (несколько сотен азотистых оснований) до участка с повышенными электрон-донорными свойствами (чаще всего до участка локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований).
б) при косвенном действии ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты: взаимодействие с продуктами радиолиза воды приводит к образованию свободных радикалов, что ведет к нарушению структуры ДНК, в основе которого лежат следующие механизмы:
- одно- и двунитевые разрывы;
- модификация азотистых оснований;
- образование тиминовых димеров;
- сшивки ДНК–ДНК, ДНК-белок.
При дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждаются около 5000 азотистых оснований, возникают примерно 1000 одиночных и от 10 до 100 двойных разрывов. Определенное число одиночных разрывов образуется даже при малых дозах излучения, но они не приводят к поломкам молекулы ДНК, т.к. куски поврежденной молекулы прочно удерживаются на месте водородными связями с комплементарной нитью ДНК и хорошо поддаются восстановлению.
Репарация повреждений в ДНК.
Все механизмы репарации в клетке многократно продублированы и могут идти разными путями, находящимися под генетическим контролем. Репарация может быть как практически безошибочной (фотореактивация и эксцизионная репарация коротких участков), так и зачастую ошибочной (SOS-репарация, т.к. она является попыткой восстановить структуру ДНК любой ценой при серьезных массивных повреждениях).
Репарация генетических повреждений обеспечивается десятками ферментов, многие из которых участвуют также в процессах репликации и рекомбинации.
Основные группы ферментов репарации:
1. нуклеозидазы - производят выщепление оснований по N-гликозидной связи с образованием АП-сайтов - апуриновых или апиримидиновых участков;
2. инсертазы - производят встраивание оснований в АП-сайты;
3. лиазы - производят расщепление пиримидиновых димеров;
4. эндонуклеазы - проводят инцизию - разрез ДНК возле повреждения;
5. экзонуклеазы - проводят эксцизию - удаление поврежденного участка;
6. ДНК-полимеразы - проводят синтез ДНК по комплементарной матрице;
7. ДНК-лигазы - производят сшивку нуклеотидов.
Основные типы репарации ДНК:
I. Прямая репарация:
а) фотореверсия - происходит за счет работы фотолиаз, причем начальный этап - образование фермент-субстратного комплекса - может идти и в темноте: E + S « ES + hn ® E + P , где Е – фермент (энзим), S – субстрат, P - продукт реакции. Для работы фотолиазы требуется свет с длиной волны » 350 нм.
Этапы фотореверсии:
1. Повреждение ДНК с образованием димера под действием УФ-излучения
2. Образование фермент-субстратного комплекса с фотолиазой:
3. Восстановление структуры ДНК:
б) восстановление одиночных разрывов - происходит с участием ДНК-лигаз, характерна при действии ионизирующих излучений, вызывающих образование большого числа однонитевых разрывов ДНК.
Этапы восстановления одиночных разрывов:
1. Повреждение ДНК с образованием одиночного разрыва:
2. Образование фермент-субстратного комплекса с ДНК-лигазой:
3. Восстановление структуры ДНК:
в) восстановление структуры азотистых оснований- удаление лишних метильных групп, восстановление разрывов циклических структур;
г) замена азотистых оснований - протекает с участием ДНК-гликозидаз.
II. Репарация с использованием комплементарной цепи (эксцизионная репарация).
Наиболее изученный вид эксцизионной репарации - “темновая репарация”. Ее основные этапы:
1. Incisio (разрезание) - эндонуклеаза "узнает" поврежденный участок и производит разрез:
2. Excisio (вычленение) - экзонуклеаза удаляет поврежденный участок:
3. Sintesis - репаративный синтез с помощью ДНК-полимеразы:
4. Сшивка восстановленных участков ДНК-лигазой:
III. Репарация с использованием межмолекулярной информации:
а) восстановление двойных разрывов - возможно в том случае, когда имеется копия генетической информации (например, при диплоидном наборе хромосом). В основе данной репарации - сложный процесс рекомбинации с реципрокным обменом нитей ДНК и последующим восстановлением повреждений. При этом образуются так называемые "структуры Холидея", которые в дальнейшем подвергаются разделению с образованием 2 нормальных нитей ДНК.
б) репарация поперечных сшивок внутри ДНК - происходит по схеме “выщепление-рекомбинация-синтез”. Ее основные этапы:
