PDF (1123296), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Теория мишени (принцип попаданияи принцип мишени).Дозовые зависимости гибели и выживаемости многоклеточных организмов, как мы это уже рассматривали на примеремлекопитающих, принято изображать соответственно в координатах "% погибших организмов — доза облучения" и "%выживших организмов — доза облучения": (24.3.1)В отличие от этого в клеточной радиобиологии применяют обычно только кривые выживаемости. В обычных (т.е. линейных)координатахкриваявыживаемостиклетоквыглядит: (24.3.2)Можно заметить, что кривыевыживаемости клеток послевоздействияизлученияотличаются от кривых выживаемости клеток после воздействия каких-либо токсических агентов химической природы,например ядов. (24.3.3)Кривые выживаемости клеток, получаемые при действии химических агентов,характеризуются:1.
пороговой концентрации, ниже которой все клетки выживают, а послепревышения которой происходит резкое снижение доли выживших2. S-образной формой кривой выживаемости клеток после действия агентовхимической природы. Ее объясняют обычно с так называемых "биологических" позиций,а именно исходя из наличия индивидуальных различий клеток в клеточной популяции.Чем меньше выражены индивидуальные различия, тем круче наклон кривойвыживаемости.На кривых выживаемости клеток, подвергнутых облучению:1.
отсутствует четкий порог: гибель части клеток наблюдается даже приочень низких дозах облучения, а гибель другой части клеток той же популяции — лишьпри значительно более высоких дозах.2. Объяснение формы кривой с биофизической позиции. Объяснениеподобной формы кривой выживаемости облученных клеток с "биологических" позицийзвучало весьма неубедительно - внутри генетически однородной популяции не могутнаходиться клетки, различающиеся по устойчивости к облучению в сотни и тысячи раз. Поэтомусформировался "физический" (или "биофизический") подход к объяснению и интерпретации кривыхвыживаемости клеток, подвергнутых действию ионизирующего излучения.
В основе это направления лежала«теория точечного тепла»: несмотря на то, что плотность поглощенной энергии в облучаемом объекте всреднем очень низкая, энергия самих актов поглощения весьма велика и поэтому в микрообъемах вещества, вкоторых произошли акты поглощения энергии, происходит его локальное нагревание (появление "точечноготепла"), в результате чего вещество претерпевает значительные локальные изменения, обусловленныеразрывом химических связей или активацией химических реакций; клетка гетерогенна по своему объему вотношении чувствительности к облучению и имеет как исключительно важные для жизни области,повреждение которых приводит клетку к гибели, так и области, относительно несущественные для выживанияклетки; пространственное распределение появления "точечного тепла" внутри облученной клетки имеетслучайный характер, т.е.
является чисто вероятностной функцией. Т.о. конечный эффект в клетке (например,гибель) определяется вероятностью осуществления акта поглощения энергии (т.е. появления "точечноготепла") в жизненно важных микрообъемах клетки. При увеличении дозы облучения вероятностьосуществления акта поглощения энергии в этих клеточных областях возрастает, при снижении дозы —уменьшается.
Но даже при очень высокой дозе облучения существует определенная вероятность того, что вкаком-то количестве клеток не произошло актов поглощения энергии в жизненно важных клеточных областяхи поэтому эти клетки останутся неповрежденными облучением. И наоборот — даже при очень низкой дозесуществует вероятность того, что в части клеток произойдут акты поглощения энергии в жизненно важныхклеточных областях. В дальнейших работах Дж. Кроутера и Н.В. Тимофеева-Ресовского основные идеи теорииточечного тепла получили дальнейшее развитие в результате чего были сформулированы 2 фундаментальныеположения в радиобиологии.
Первое положение, получившее название «принцип попадания»: поглощениеэнергии в облучаемом объеме происходит в результате дискретных актов взаимодействия квантов излучения свеществом —"попаданий", пространственное распределение которых в облучаемом объекте имеет случайныйхарактер. Этот принцип отмечает дискретность и случайный характер актов взаимодействия излучения свеществом. Попадание - акт ионизации каких-либо молекул в облучаемом объеме. Второе положение "теория мишени": клетка имеет в своем составе как исключительно важные для выживания области —"мишени", радиационное повреждение которых приводит клетку к гибели, так и области, относительнонесущественные для выживания клетки.
Теория отмечает биологическую гетерогенность различныхмикрообъемов внутри клетки в отношении чувствительности к облучению. Поражение клеточных мишенейможет происходить как при одном единственном попадании в нее — одноударные мишени, так и принескольких попаданиях —многоударные мишени. Более того, в клетке возможно наличие нескольких мишенейи гибель клетки может наступить лишь после того, как все они получили определенное число попаданий. Вреальности анализ многомишенных кривых выживаемости требует слишком много допущений и исследованиявлияния многих параметров и поэтому в большинстве случаев оказывается очень ненадежным. Кроме того,принцип попадания и теория мишени не учитывают наличия в клетке репарационных процессов, которыесущественно затрудняют интерпретацию кривых выживаемости.Билет 26Модельные мембранные системы.
Полиморфизм липидов. Бислойные липидныемембраны и липосомы.Модели биологических мембранВ 1935 г. модель Даниэля Доусона унитарная модель био мембран. Липидный бислой – структурная основа. Наружный ивнутренний слои – глобулярные белки. Симметричная модель.Модель Робертсона (середина 60х г). Мембрана представляет собой 3х слойную структуру, средний слой из липидов.Белковые молекулы развернуты на поверхности двойного липидного слоя вследствие электростатических взаимодействийзаряженными головками фосфолипидов.
Модель Робертсона ассимметрична, так как на наружной поверхности мембраны –гликопротеиды.В группе моделей предполагается наличие белков матрицы. Модель Лючи (середина 60х г.) – белково-кристаллическаямодель. Модель(1970) сохраняется концепция липидного бислоя, однако этот слой прирастается участками симметричнорасположенных белков, они жестко фиксированны пространственно за счет дальнодействующих белок-белковых свойств.Модель Сенгера и Николсона.
60-70 г. Основа – липидный бислой, в который включены молекулы интегральных ипериферическихбелков.Жидкомозаичнаямодель(естественно, тожеассиметричная)..С еепомощьюобъясняетсяпроницаемость мембран.ПОЛИМОРФИЗММодельные липидные мембраны:Липосомы (фосфолипидные везикулы) получаются при набухании сухих фосфолипидов в воде или при впрыскивании растворалипидов в воду.
При этом бислой собирается сам, а минимуму энергии Гиббса соотвествует моноламеллярная формамембраны. Собираются они, естественно, как нормальная мембрана: гидрофобными незаряженными хвостами внутрь.Моноламеллярные липосомы используют в исследованиях биологического и медико-биологического характера. Тем не менее,малый внутренний объем и осмотическая неактивность липосом существенно сужают круг этих исследований. В последнеевремя разработаны методики получения больших (100 нм в диаметре и более) моноламеллярных липосом, которые лишеныэтих недостатков.Однако на практике при простых механических воздействиях образуются в основном многослойные частицы (диаметром внесколько микрометров) с концентрической организацией слоев - мультиламеллярные липосомы или везикулы (мешочки).
Вэтих частицах липидные бислои отделяют внутреннюю водную фазу от внешнего раствора. Такая организация по-зволяетиспользовать мультиламеллярные липосомы для исследования барьерных свойств липидного слоя. Мультиламеллярныелипосомы осмотически активны: они изменяются в объеме при изменении осмотических свойств внешней среды.Протеолипосомы. Многие мембранные белки и мелкие фрагменты биологических мембран сравнительно легко могут быть включены в состав искусственных везикулярных мембран. Такие комбинированные системы называются протеолипосомами. Эффективность встраивания большинства белков компонентов в искусственные мембранные системы резко зависит от липидного состава мембран, pH, солевого состава, температуры и т. д. Как правило, эффективность встраивания белков или липопротеиновых фрагментов мембраны возрастает в присутствии небольших количеств детергентов. Полагают, что мелкие молекулы детергентов заполняют дефекты на границе белковой молекулы в мембране, экранируя гидрофобные участки мембраны от воды. Другой тип модельных мембран ‐ плоские бислойные липидные мембраны (БЛМ). Получаюься на маленьких отверстиях диаметром околого 1 нм в пластинке из пластика, погруженной в водную среду. На отверсие капают липидов растворителе (спирт, хлороформ), которыц потом диффундирует в воду, а липиды истончаются до тех пор, пока не образуется бимолекулярный липидный слой. Их ипользуют для изучения электрических св‐в мембраны, проницаемости, функции (барьерную, например), транспорт и т.д. Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Эффект Дейла Эффект разведения. Теория непрямого действия излучения возникла в связи с тем, что некоторые радиационные эффекты, известные в то время, не находили объяснения с позиций прямого действия излучения. Одним из этих эффектов был т.н. «эффект разведения» (или как его стали позже называть – «эффект Дейла»). Суть этого эффекта заключается в следующем: при облучении водных растворов различных молекул (например, молекул простых органических соединений или ферментов) число пораженных молекул (абсолютное число) не зависит от их исходной концентрации в определенном концентрационном диапазоне. Впервые подобные эксперименты были проведены в 30‑е годы прошлого столетия Г. Фрикке с использованием растворов простых органических соединений и У. Дейлом в 40‑е годы с использованием растворов ферментов (карбоксипептидазы и др.). Так, Г. Фрикке обнаружил, что облучение рентгеновским излучением водных растворов муравьиной кислоты с концентрацией 10‑4 и 10‑1 М приводит к образованию одного и того же количества газообразного водорода независимо от исходной концентрации муравьиной кислоты (т.е. к распаду одного и того же количества молекул муравьиной кислоты). С позиций прямого действия излучения этот эффект объяснить было невозможно, т.к. при прямом действии излучения с ростом концентрации растворенных молекул (т.е. с увеличением количества мишеней) число пораженных молекул (мишеней) должно возрастать (как это представлено на рис. 3, А) вследствие повышения вероятности попадания в них кванта излучения. При этом доля пораженных молекул должна оставаться неизменной (рис. 3, Б). Именно поэтому и было сделано заключение, что повреждение растворенных в воде молекул может осуществляться не только в результате прямого взаимодействия с ними излучения, но и в результате непрямого (косвенного) действия, а именно через активные продукты радиолиза воды. Исходя из предположения о наличии непрямого действия излучения, отсутствие зависимости радиационного эффекта от концентрации растворенных молекул объясняется тем, что, начиная с какой‐то концентрации, не всем растворенным молекулам «достаются» активные продукты радиолиза воды, образующиеся в определенном количестве при данной дозе облучения. Т.е. лимитирующим параметром становится не концентрация молекул растворенного вещества, а количество образовавшихся при данной дозе облучения активных продуктов радиолиза воды. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации растворенных молекул не приводит к росту числа пораженных молекул (рис. 4, А). Повышение же числа поврежденных молекул при больших исходных концентрациях растворенных молекул (изображено пунктиром) связано с тем, что здесь заметный вклад в их повреждение начинает вносить прямое действие излучения. Это означает, что непрямое действие излучения преобладает только в сильно разбавленных растворах. Очевидно, что доля пораженных молекул при непрямом действии излучения снижается с увеличением исходной концентрации этих молекул (рис. 4, Б). Таким образом, эффект Дейла можно использовать в качестве одного из критериев наличия прямого и непрямого действия излучения на радиационные повреждения макромолекул в простых модельных системах (т.е. в водных растворах). Однако, в отношении клеток этот критерий неприменим, т.к. при разбавлении клеточной суспензии увеличивается расстояние только между клетками, тогда как содержимое самих клеток не разбавляется. В качестве других критериев оценки вклада прямого и непрямого действия излучения на какие‐либо органические соединения и макромолекулы используют сравнение эффективности облучения этих объектов в растворенном и сухом (или замороженном) состоянии. В сухом (или замороженном) состоянии эффект поражающего действия радиации происходит в основном в результате прямого действия излучения. Поэтому, если в растворенном состоянии эти объекты становятся значительно более чувствительными к облучению, то считают, что существенный вклад в их повреждение вносят продукты радиолиза воды. Обычно в растворенном в воде состоянии макромолекулы на несколько порядков более чувствительны к облучению, чем в сухом состоянии. Например, при облучении РНК‐азы γ‑излучением 60Со доза D37 составляет 42 Мрад в сухом состоянии и 0,42 Мрад в водном растворе, т.е. различается в 100 раз. Это говорит о том, что в водном растворе только 1% молекул РНК‐азы инактивируется непосредственно за счет поглощения энергии излучения, тогда как 99% инактивируются продуктами радиолиза воды. В настоящее время считают, что на уровне клетки непрямое действие ионизирующего излучения обеспечивает 70‑90% лучевых повреждений критических клеточных структур, в том числе молекул ДНК. Реакции радиолиза воды Ионизация Н2O→H2O*→H2O++е‐ Образование радикалов Н2O++H2O→H3O++OH• e‐+H2O→H2O‐→H•+OH‐ Рекомбинация 2Н•→Н2 ОН•+Н•→Н2О 2ОН•→Н2О2 Остаточные радикальные процессы Н2О2+Н•→Н2О+ОН• Н2+ОН•→Н2О+Н• Н2О2+ОН•→Н2О+НО2• 2НО2•→Н2О2+О2 НО2•+Н2О2→Н2О+ОН•+О2 Билет 27 Физико‐химические механизмы стабилизации мембран. Фазовые переходы в мембранных системах. Подвижность мембранных белков. Мембрана находится в жидкокристаллическом состоянии, то есть в физическом состоянии, при котором есть дальний поток во взаимной ориентации и расположении молекул, но агрегатное состояние остается жидким. Жидкокристаллическое состояние: ● только для молекул, у которых продольные размеры больше поперечных (“длинные молекулы”) ● спектр как у жидкости ● чувствительны к изменению температуры, давления, химического состава, электрического поля, что обуславливает динамичность бислоя (фазовые переходы) Фазовый переход липидов первого рода (данные методов рентгеноструктурного анализа, радиоспектроскопии и т.д.): понижение температуры ‐ переход в гель‐состояние (“твердокристаллическое”, еще более упорядоченное). При плавлении углеводородная цепь частично искривляется с образованием петли, или кинка. Увеличение числа кинков способствует разупорядоченности углеводородной зоны. Чтобы обеспечить постоянство жидкокристаллического состояния, существует адаптивное изменение химического составамембраны, обеспечивающее изменение температуры фазового перехода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
