Структурные и функциональные изменения важнейших биомолекул при воздействии ионизирующих излучений

В цепи радиационно-химических превращений в органических молекулах биосубстрата наибольшее значение для дальнейшей судьбы облученной клетки имеют процессы, происходя- щие в белках, ДНК и фосфолипидах. Показано, в частности, что в условиях доступа кислорода и воды свободные радикалы могут вызывать нарушения структуры белков — разрывы дисульфид- ных мостиков, водородных связей, пептидной цепи, образование сшивок между пептидными це- пями, окисление сульфгидрильных групп и ароматических аминокислот и т. д. Результатом этих радиационно-индуцированных процессов является изменение вторичной и третичной структуры белков, ведущее, в свою очередь, к нарушению их биологических свойств, в том числе фер- ментативной активности.

Радиационные повреждения ДНК, обусловленные ее радиолизом, проявляются, главным образом, в виде нарушений структуры азотистых оснований, появлений одно- и двунитевых раз- рывов ДНК, щелочно-лабильных сайтов, сшивок ДНК—ДНК и ДНК—белок, нарушений ком- плексов ДНК с другими молекулами. В косвенном действии радиации на ДНК основную роль иг- рает гидроксильный радикал ОН', вызывающий радиолиз азотистых оснований и дезоксирибозо- фосфатного фрагмента ДНК. Облучение вызывает деконденсацию хроматина, обусловленную лабилизацией связей ДНК-гистон и облегчающую доступность ДНК к действию агентов, фикси- рующих ее повреждение.

В пострадиационном повреждении ДНК особенно велика роль «кислородного эффекта». В присутствии кислорода число повреждений оснований ДНК увеличивается более чем в три раза, в несколько раз возрастает интенсивность образования щелочелабильных связей в тяжах ДНК, в 2—2,5 раза увеличивается количество однонитевых и двойных разрывов ДНК.

Кислород участвует в цепных радикальных реакциях перекисного окисления липидов (ПОЛ). В «нормальных» (физиологических) условиях удержание реакций ПОЛ на стационарном уровне обеспечивается различными механизмами антиоксидантной защиты. Несостоятельность или снижение эффективности антирадикальной и антиперекисной защиты, отмечающиеся после облучения, могут способствовать длительному протеканию процессов ПОЛ в липидном бислое клеточных мембран и последующему нарушению их структуры и функции. В определенных кон- центрациях продукты ПОЛ могут оказывать токсичный эффект на биомембраны, изменять отно- сительный химический состав фосфолипидов мембран, их вязкость, проницаемость, многие фи- зико-химические характеристики (электрокинетический потенциал, рецепция, мембраносвязан- ные тиогруппы и т. д.), что, в свою очередь, способствует конформационным изменениям мем- бран, нарушению их связи с ДНК.

Известно, что биомембраны выполняют целый ряд жизненно необходимых для клетки функций — барьерную, рецепторно-сигнальную, регуляторную, транспортную и др. В этой связи очевидно, что индуцируемая облучением активация процессов ПОЛ в мембранах митохондрий, микросом, лизосом, эндоплазматического ретикулума вызывает нарушения структуры и функции этих образований и клеток в целом.

Таким образом, на биохимическом уровне радиационно-химические процессы приводят к целому ряду структурно-функциональных изменений в субклеточных структурах. Вследствие пе-

роксидации ненасыщенных жирных кислот нарушается проницаемость мембран и ионного транспорта, повышается активность мембраносвязанных ферментов, снижается эффективность окислительного фосфорилирования, обеспечиваемого за счет упорядоченной локализации фер- ментов на мембранах митохондрий, увеличивается выход и активация гидролитических фермен- тов вследствие повреждения мембран лизосом. Дисбаланс между активностью нуклеаз и полиме- раз приводит к усилению катаболизма и деградации хроматина, недостаток макроэргов и тор- можение ДНК-полимеразы снижает эффективность пострадиационной репарации, конформаци- онные изменения белково-липидного комплекса способствуют угнетению синтеза ДНК и задерж- ке деления клеток. Все эти нарушения существенно влияют на жизнеспособность облученных клеток и тканей, на течение процессов их повреждения и репарации.