Действие гамма- и рентгеновского излучения на изолированные препараты ДНК в растворе и в сухом состоянии

Размещено на http://www.allbest.ru/

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Реферат по радиационной безопасности

«Действие гамма- и рентгеновского излучения на изолированные препараты ДНК в растворе и в сухом состоянии»

г. Минск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Действие радиоактивного излучения на ДНК

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Радиоактивностью называют неустойчивость ядер некоторых атомов, которая проявляется в их способности к самопроизвольному превращению (по научному -- распаду), что сопровождается выходом ионизирующего излучения (радиации). Энергия такого излучения достаточно велика, поэтому она способна воздействовать на вещество, создавая новые ионы разных знаков. Вызывать радиацию с помощью химических реакций нельзя, это полностью физический процесс[1].

Различают несколько видов радиации:

1)Альфа-частицы -- это относительно тяжелые частицы, заряженные положительно, представляют собой ядра гелия.

2)Бета-частицы -- обычные электроны.

3)Гамма-излучение -- имеет ту же природу, что и видимый свет, однако гораздо большую проникающую способность.

4)Нейтроны -- это электрически нейтральные частицы, возникающие в основном рядом с работающим атомным реактором, доступ туда должен быть ограничен.

5)Рентгеновские лучи -- похожи на гамма-излучение, но имеют меньшую энергию. Кстати, Солнце -- один из естественных источников таких лучей, но защиту от солнечной радиации обеспечивает атмосфера Земли[2].

Наиболее опасно для человека Альфа, Бета и Гамма излучение[3], которое может привести к серьезным заболеваниям, генетическим нарушения и даже смерти. Степень влияния радиации на здоровье человека зависит от вида излучения, времени и частоты. Таким образом, последствия радиации, которые могут привести к фатальным случаям, бывают как при однократном пребывании у сильнейшего источника излучения (естественного или искусственного), так и при хранении слаборадиоактивных предметов у себя дома (антиквариата, обработанных радиацией драгоценных камней, изделий из радиоактивного пластика). Заряженные частицы очень активны и сильно взаимодействуют с веществом, поэтому даже одной альфа-частицы может хватить, чтобы уничтожить живой организм или повредить огромное количество клеток.

Воздействие радиации на организм человека называют облучением. Во время этого процесса энергия радиация передается клеткам, разрушая их. Облучение может вызывать всевозможные заболевания: инфекционные осложнения, нарушения обмена веществ, злокачественные опухоли и лейкоз, бесплодие, катаракту и многое другое. Особенно остро радиация воздействует на делящиеся клетки, поэтому она особенно опасна для детей.

Организм реагирует на саму радиацию, а не на её источник. Радиоактивные вещества могут проникать в организм через кишечник (с пищей и водой), через лёгкие (при дыхании) и даже через кожу при медицинской диагностике радиоизотопами. В этом случае имеет место внутреннее облучение. Кроме того, значительное влияние радиации на организм человека оказывает внешнее облучение, т.е. источник радиации находится вне тела. Наиболее опасно, безусловно, внутреннее облучение.

1. Действие радиоактивного излучения на ДНК

Сначала рассмотрим действие радиации на белки. Особенности того или иного белка определяются последовательностью и природой аминокислот в цепи (первичная структура) и сложной конфигурацией цепи аминокислот (вторичная и третичная структуры). Одни белки выполняют роль структурных компонентов клетки, другие (ферменты) - органических катализаторов клеточных биохимических реакций. Радиобиологи исследуют как физико-химическое, так и биологическое действие ионизирующих излучений на ферменты. К физико-химическим критериям повреждения относятся: уменьшения молекулярной массы, изменение растворимости, нарушение вторичной и третичной структур, образование сшивок и агрегатов(соединений друг с другом различных частей белков), а также разрушение аминокислот в цепи. Биохимическим критерием повреждения является потеря ферментами способности осуществлять свои реакции[4].

Наиболее опасны повреждения ядра, так как именно ядро несёт наследственную информацию о самой клетке, всём организме и даже биологическом виде. Ядро передаёт эту информацию от клетки к клетке, от организма к организму. Наследственная информация хранится в специальных структурах, напоминающих по виду под микроскопом палочки, которые отчётливо видны при делении клетки благодаря способности хорошо накапливать специальные красители. Данному свойству они и обязаны своим названием - хромосомы, (хромосома - по-гречески «окрашенная» клетка). Вещество хромосом - хроматин - состоит из нуклеиновых кислот, которые являются хранителями наследственной информации и специальных белков.

Кодирующими элементами в ДНК служат всего четыре азотистых основания, расположенных попарно между двумя сахаро-фосфатными нитями вдоль всей её двуспиральной молекулы: аденин, гуанин-пурины, цитозин, тимин-пиримидины.

Ионизация вызывает три основных типа повреждения: одиночные и двойные разрывы нитей ДНК, и повреждения азотистых оснований. ДНК также подвержены постоянным повреждениям, которые обусловлены не только ионизирующим свойством, но и ультрафиолетовым излучением, химическими агрегатами и т.д. Значительная часть энергии клетки как раз и расходуется для репарации, т.е. для восстановления и поддержания постоянства последовательности оснований в ДНК (т.е. генетического кода).

Число однозначных разрывов линейно зависит от дозы облучения в очень широком диапазоне (от менее чем 0,2 Гр до 60 000 Гр). Другими словами, как бы ни была мала доза облучения, должно возникать определённое число разрывов одной из нитей ДНК. Эффективность образования таких одиночных разрывов нитей может меняться в зависимости от многих биохимических факторов. Также происходит достаточно эффективное восстановление одиночных разрывов нитей ДНК. Считают, что оно протекает по механизму эксцизионной реперации, которая состоит в эксцизии (вырезании) части цепи, содержащей повреждённые звенья ДНК, и использовании комплементарной (неповреждённой) цепи в качестве матрицы для повторного синтеза нового отрезка ДНК взамен повреждённого. Процесс является ферментативным и зависит от температуры, а при 0 градусам цельсия значительно замедляется. В клетках млекопитающих скорость репарации такова, что при нормальной температуре половина радикальных одиночных разрывов восстанавливается в течение примерно 15 минут. Поскольку одиночные разрывы репарируются даже в летально облучённых клетках, можно предположить, что они не являются причиной гибели клеток, в отличие от двойных разрывов или повреждённых оснований. Но такие нерепарированные одиночные разрывы вносят свой вклад в образование двойных разрывов, потому, что двойные разрывы ДНК могут бытьили результатом единичного события ионизации, или следствием совпадения одиночных разрывов в комплементарных цепях. Есть экспериментальные доказательства того, что и двойные разрывы могут репарироваться. Пока есть только теоретическая модель для объяснения возможного механизма репарации двойных разрывов ДНК, вызванных облучением.

Число повреждений азотистых оснований ДНК линейно зависит от дозы. Скорее всего, они возникают в результате взаимодействия со свободными радикалами воды ОН.

В силу множества различных повреждающих факторов, репарация ДНК - основа нормального функционирования клетки, но полная репарация происходит не всегда. Установлено, что уже при дозе 1Гр в каждой клетке человека повреждается 5 тыс. оснований молекул ДНК, возникает 1 тыс. одиночных и 10 - 100 двойных разрывов, каждый из которых может привести к неприятным последствиям.

Каковы же причины гибели клеток? Считается, что основной причиной гибели клеток (репродуктивной) являются структурные повреждения ДНК, возникающие под влиянием облучения, в частности, вследствие образования двойных и одиночных разрывов в цепи ДНК[5]. Внешние структурные повреждения ДНК легко обнаруживаются, например, методами цитологии, в виде так называемых хромосомных перестроек, или аберраций хромосом. Эти аберрации разнообразны. Часть из них препятствует делению клетки, приводит к неравномерному разделению хромосом и утрате генетического материала, вызывающей гибель клетки из-за нехватки метаболитов (метаболиты - вещества, участвующие в метаболизме, т.е. в обменных процессах ), синтез которых кодируется ДНК утраченной части хромосомы. На рис. 1 показана пространственная организация хромосомы. Хромосомы животных и высших растений представляют собой структуры, состоящие из ДНК и основных белков - гистонов. Считают, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль, однако в последнее время Сазисехаран предложил другую модель (рис. 2), которая удовлетворяет данным кристаллографии и имеет то преимущество, что не требует раскручивания молекулы, чтобы разделить нити. Энергетическая проблема раскручивания спирали не была решена в модели Уотсона-Крика.

Рисунок 1. Пространственная организация молекул ДНК в хромосомах: 1 - двойная спираль ДНК; 2 - нуклеосома; 3 - волокно; 4 - спирализованное волокно; 5 - хромосома

Рисунок 2. Схема сравнения молекулы ДНК Сазисехарана (а) и модели Уотсона - Крика двойной спирали (б)

В процессе репарации повреждённых при облучении хромосом возможны три варианта: первый - восстановление первоначальной конфигурации (реституция); второй - соединение разных («незаконных») концов с образованием обменных аберраций (незаконная репарация ); третий - утрата части хромосомы вследствие того, что разрыв остаётся открытым (терминальная делеция ). Незаконные репарации, при которых сохраняется внешняя структурная форма хромосомы, не препятствуют дальнейшему делению клетки и, как правило, «стабильны». Однако они являются потенциально более опасными, чем нестабильные аберрации, поскольку могут пройти через последующие циклы деления и привести к появлению мутантных особей. Их можно определить, только используя новейшие методики выявления структуры хромосом.

Естественно, что повреждения, в последствии облучения гамма- и рентгеновского излучения, ДНК тесно связаны с мутациями. Известно, что все клетки того либо иного растения или животного имеют одинаковую генетическую информацию. Но под воздействием различных причин, в том числе и радиации, могут происходить изменения генетического материала. Появления мутаций означает, что клетка содержит генетический материал, отличный от генетического материала, содержащихся в других клетках. Мутации могут усиливать, уменьшать или качественно изменять признак, определяемый геном. Ген - единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака, обычно представляющая собой часть молекулы ДНК, несущую код определённого белка. Биологи делят мутации на две категории: 1) генные (точечные ) мутации, которые невидимы (под микроскопом ) и представляют собой изменение одного гена; 2) хромосомные мутации (аберрации ) - изменения, затрагивающие крупные участки хромосомы, или даже добавления и потерю целых хромосом. Хромосомные мутации можно обнаружить методами цитогенетической техники. Последствия возникновения мутаций не так велики в соматических клетках организма в отличие то мутаций половых клеток. Мутация в соматической клетке может привести к нарушению функций или даже гибели этой клетки либо её потомков, но, поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, влияние одной или двух мутаций на жизнедеятельность всего организма не будет значимым. Однако соматические мутации могут явиться причиной возникновения раковых заболеваний и старения, поэтому пренебрегать их влиянием на судьбу всего организма после облучения не следует[6].

Мутации[7,8], происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие непосредственно на потомство. Обнаружено, что мутации, происходящие на любой стадии развития яйцеклетки или сперматозоидов, или в оплодотворённой яйцеклетке, с большей вероятностью ведут к гибели потомства или по крайней мере вызывают появление потомства с серьёзными аномалиями.

Для оценки радиационной опасности Научный комитет по действию атомной радиации ООН принял метод удваивающей дозы, т.е. дозы, вызывающей такое же количество мутаций, которое происходит в естественных условиях. Выполненные по этому методу расчёты согласуются со статистическими данными о гибели детей, рождённых людьми, пережившими взрывы атомных бомб в Японии. Это свидетельствует об опасности ионизирующего излучения по отношению к естественной встречаемости генетических заболеваний человека. Согласно расчётам, риск рождения детей с серьёзными наследственными дефектами (уродством, умственной недостаточностью, болезнью Дауна и др. ) в ближайших двух поколениях, т.е. у детей и внуков облучённой достаточно большой популяции людей, был определён как 0,004 обратных Зв. Это значит, что при облучении большой популяции людей в дозе 0,2 - 0,1 Зв можно ожидать на 1000 родившихся младенцев в двух поколениях появления не более 1 генетически неполноценного ребёнка. Если принять во внимание, что в норме таких детей родится 4%, т.е. на 1000 человек их будет около 40, то станет ясно, что риск от дополнительного облучения в малых дозах практически не выявляем. И действительно, тщательное обследование детей у жителей Хиросимы и Нагасаки, перенёсших атомную бомбардировку, пока что не выявлено достоверного повышения наследственных заболеваний у развившегося потомства даже в группах, получивших более 1 Зв, и тем более при меньших дозах. У жителей районов с повышенным радиационным фоном в Чехословакии, Индии, Бразилии не выявлено увеличения генетических аномалий.

радиоактивность белок излучение хромосома

Заключение

Для ионизирующего излучения нет барьеров в организме, поэтому любая молекула может подвергнуться радиоактивному воздействию, последствия которого могут быть самыми разнообразными. Возбуждение отдельных атомов может привести к перерождению одних веществ в другие, вызвать биохимические сдвиги, генетические нарушения и т.п. Пораженными могут оказаться белки или жиры, жизненно необходимые для нормальной клеточной деятельности. Таким образом, радиация воздействует на организм на микроуровне, вызывая повреждения, которые заметны не сразу, а проявляют себя через долгие годы. Поражение отдельных групп белков, находящихся в клетке, может вызвать рак, а также генетические мутации, передающиеся через несколько поколений. Воздействие малых доз облучения обнаружить очень сложно, ведь эффект от этого проявляется через десятки лет.

В настоящее время среди ученых нет единой точки зрения по вопросу о биологических последствиях малых доз облучения. Некоторые считают, что зависимость доза -- эффект имеет линейный вид, другие полагают, что вредные эффекты облучения выявляются, начиная с какого-то определенного порога. Третьи полагают, что небольшие дозы даже полезны. По-видимому, существуют как положительные, так и отрицательные радиационные эффекты малых доз. Науке еще только предстоит выяснить, какие -- полезные или вредные для человека - эффекты будут преобладать в каждой конкретной ситуации и определить границу доз, за которой отрицательные эффекты доминируют.

Список использованной литературы

1. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. - М.: Высшая школа, 1988.

2. Радиация. Дозы, эффект, риск. - М.: Мир, 1990.

3. Люцко А.М. Фон Чернобыля. - Мн.: Белорусская советская энциклопедия, 1990.

4. Барабой В.А. Популярная радиобиология. - Киев: Наукова думка, 1988.

5. Аверьянова А.В., Луговский В.П., Русак И.М. Что нужно знать о радиации. - Мн., 1992.

6. Кузин А.М. Проблемы современной радиобиологии. - М., 1987.

7. Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д.. Острая лучевая болезнь человека. - М.,1970.

8. Кузин А.М. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. - М.: Наука, 1986.

Размещено на Allbest.ru