Роль биохимических нарушений обмена веществ в опосредованном действии ионизирующих излучений
Министерство здравоохранения и социального развития РФ
Волгоградский государственный медицинский университет
Кафедра патологической физиологии, клинической патофизиологии
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
«Роль биохимических нарушений
обмена веществ в опосредованном действии
ионизирующих излучений»
Выполнила студентка
Медико-биологического факультета
Группы 401
Затямина Мария
Волгоград 2014 г.
Содержание
Введение
. Нарушение внутриклеточного обмена белков
. Нарушение внутриклеточного обмена жиров
. Нарушение внутриклеточного обмена углеводов
. Нарушение внутриклеточного обмена воды и солей
. Изменение внутриклеточного энергетического баланса
Заключение
Введение
Радиационные изменения, происходящие под влиянием облучения по существу во всех тканях, не могут не сказаться на обмене веществ. Радиационная биохимия - это самостоятельная область знаний, которая и занимается данными вопросами. Обсуждая биохимические процессы в подвергнутом облучению организме, следует всегда иметь ввиду их деление на две категории: биохимический этап в механизме первичного действия ионизирующих излучений и биохимические изменения, происходящие в организме при развитии лучевой болезни и её отдалённых последствий.
1. Нарушение внутриклеточного обмена белков
По современным данным, биосинтез белков осуществляется в клетках на рибосомах, которые в большом числе находятся главным образом в цитоплазме и митохондриях. Синтезированные белковые молекулы частично используются для собственных нужд клетки, а частично идут «на экспорт». Гистоновые и негистоновые белки поступают в ядро и включаются там в состав хромосом. Структурные белки используются для строительства рибосом, митохондрий и других образований. Ферментные белки поступают в лизосомы и компартменты, где протекают реакции расщепления и синтеза органических веществ. Резервные, регуляторные и защитные белки через систему Гольджи путем экзоцитоза покидают клетку, после чего используются в интересах всего организма.
Все виды клеточных и «экспортных» белков после выполнения своих функций попадают в лизосомы клеток и расщепляются там до аминокислот.
При воздействии на клетку ионизирующих излучений в поражающих дозах обмен белков в ней нарушается очень сильно. Снижается интенсивность производства белка. В процессе его производства продуцируются в значительном числе атипичные (лишенные специфической функциональной активности) молекулы. Это связано в первую очередь с радиационно-химическими повреждениями молекул ДНК и уменьшением числа образующихся иРНК, а также со следующими процессами: поступлением к рибосомам иРНК с ошибками в цепях нуклеотидов; повреждением рибосом и клеточных мембран, на которых функционируют рибосомы; изменением активности ферментов ацетилирования аминокислот; нарушением высвобождения синтезированных белковых молекул из системы рибосома - иРНК - белок, а также механизма самосборки и конформации синтезируемых белковых молекул и, наконец, расстройством саморегуляции и центральной регуляции производства белка.
Особенно большие изменения после облучения клетки наблюдаются в обмене сложных белков - нуклеопротеидов. Все компоненты молекул сложных белков и их молекулы в целом, как известно, синтезируются внутри клеток. Это сложный энзиматический процесс, в котором участвует большой комплекс ферментов. Ионизирующие излучения повреждают ферменты, и это приводит к расстройству процесса синтеза белков.
Нарушение ката- и анаболизма белковой части нуклеопротеидов сходно с вышеописанными нарушениями белковых молекул. Нарушения же после облучения в обмене нуклеиновых кислот выражаются в том, что общее содержание полноценных в функциональном отношении молекул нуклеиновых кислот в клетке значительно уменьшается. Причинами этого являются их первичное радиационно-химическое повреждение, нарушение репарации (в результате активизации эндонуклеаз стабилизируются образовавшиеся «бреши» в молекулах ДНК и РНК, что создает условия для дальнейшей их деградации), нарушение процессов их биосинтеза в ядрах клеток и митохондриях. Нарушение биосинтеза молекул нуклеиновых кислот связано с недопродукцией строительных материалов (вследствие нарушения других видов обмена веществ), одновременно возникающими помехами в доставке их к местам биосинтеза (из-за повреждения эндоплазматического ретикулума) и нехваткой энергетического материала.
Нарушение обмена нуклеопротеидов приводит к тяжелым последствиям. Расстройство процессов репликации молекул ДНК вызывает срыв клеточного деления, расстройство процессов производства молекул РНК - снижение продукции белка.
В целом нарушение внутриклеточного обмена белков, простых и сложных, после облучения обусловливает многие расстройства не только в клетке, но и во всем организме. Это связано с широким спектром функций, выполняемых белками: сохранения и передачи наследственных свойств, воспроизводства белка, каталитической (ферментной), структурно-опорной (пластической), защитной (антитела), транспортной (мембраны), регуляторной (гормоны), энергетической (пополнение запасов АТФ). Нарушение обмена белков приводит к расстройству динамического обновления различных внутриклеточных структур. Это имеет особенно большое значение для дальнейшей судьбы неделящихся клеток, так как в настоящее время установлено, что микроструктуры неделящейся клетки, за некоторым исключением, непрерывно обновляются. Определены даже «периоды полураспада» и «продолжительность жизни» самых различных внутриклеточных микроструктур. Нарушение этого важного процесса приводит к более быстрому общему старению клетки и ее преждевременному отмиранию. Нарушение белкового обмена делящихся клеток ведет к угнетению их митотической активности и срыву физиологической регенерации обновляющихся тканей.
Снижение продукции ферментных белков, производимых «для себя» и «на экспорт», приводит к срыву таких важнейших жизненных процессов, как переваривание и всасывание питательных веществ в желудочно-кишечном тракте, промежуточный обмен всех видов веществ, дальнейшее развитие организма, его размножение, и в целом - к тяжелым нарушениям во всем организме.
. Нарушение внутриклеточного обмена жиров
Центром синтеза липидов и мембранных стероидов является гладкий эндоретикулум. Любые изменения в нем сказываются на обмене липидов.
Нарушение внутриклеточного обмена жиров при воздействии ионизирующих излучений обусловлено экзогенными и эндогенными факторами. К экзогенным факторам относятся: нарушение процессов переваривания жиров вследствие снижения биосинтеза соответствующих ферментов; нарушение всасывания продуктов деградации жира (из-за повреждения кишечного эпителия); нарушение процессов ресинтеза специфических для организма жировых молекул (также в связи с повреждением кишечного эпителия); расстройство гуморальной и нервной регуляции жирового обмена. К эндогенным факторам относятся: усиление процессов биологического окисления жировых молекул (их свободнорадикальное перекисное окисление с образованием токсичных продуктов), нарушение окисления продуктов деградации молекул жира, в ходе которого создается энергетический материал (АТФ); расстройство
динамического обновления липидных структур (главным образом биологических мембран); расстройство саморегуляции промежуточного обмена жиров продуктами деградации жировых молекул.
Расстройства жирового обмена связаны с большими первичными радиационно-химическими изменениями в молекулах липидов (особенно ненасыщенных жирных кислот). В обычных условиях молекулы жира «активно сопротивляются окислению», после же облучения их сопротивляемость значительно снижается. Можно предполагать, что это связано с угнетением биосинтеза ингибиторов окислительных процессов - лецитинов, кефалинов и сфингомиелинов.
Жиры используются в клетках в пластических целях и как энергетический резерв («для себя» и «на экспорт»). Поэтому основными следствиями нарушения внутриклеточного обмена жиров являются расстройство динамического обновления липидных структур (биологических мембран и др.) и уменьшение энергетических запасов клеток и организма в целом. Кроме того, появление в жирных кислотах фосфолипидов перекисных группировок, приводящее к разрыхлению мембран и повышению их проницаемости, нарушает течение всех обменных процессов в клетке. Поэтому свободнорадикальное перекисное окисление липидов биомембран рассматривается как важный фактор радиационной гибели клеток. Фосфолипиды являются также источником простагландинов. При их перекисном окислении снижается образование этих очень важных биологически активных веществ.
3. Нарушение внутриклеточного обмена углеводов
В цитоплазме клеток углеводы находятся в основном в форме глюкозофосфата. Большая часть углеводов идет на производство энергетического материала, который частично используется клеткой, а частично идет на удовлетворение потребностей организма в целом. Из глюкозы и других моносахаридов синтезируются полисахариды, которые, соединяясь с белками и частично с жирами, образуют молекулы глюкопротеидов и гликолипидов. Из этих молекул формируется составная часть внешней мембраны (плазмолеммы) - гликокаликс.
Некоторая часть синтезируемых полисахаридов клетки «экспортируется».
Неиспользуемая для «насущных» нужд организма часть углеводов откладывается в запас в виде гликогена (особенно в клетках печени). Гликогенообразование - это активный ферментативный процесс, требующий
расхода энергии.
Для нормального течения реакций обмена углеводов необходимы, прежде всего, наличие в клетке достаточного количества глюкозофосфата и исправная работа ферментных систем: биологического окисления углеводов, обновления полисахаридных структур и синтеза гликогена.
После воздействия ионизирующих излучений все эти условия нарушаются. Уменьшается содержание в клетках моносахаридов. Связано это со снижением всасывания сахаров в кишечнике из-за повреждения его слизистой оболочки и снижением их поступления в клетку из-за повреждения мембран. После облучения нарушается деятельность и сложных ферментных систем углеводного обмена. Основная причина этого - нарушение белкового обмена.
Доказательством нарушения внутриклеточного обмена углеводов при воздействии ионизирующих излучений является значительное снижение в клетках запасов гликогена.
Нарушение внутриклеточного обмена углеводов, кроме потери запасов гликогена (резервов энергии), имеет и другие последствия: нарушение функции гликокаликса в связи с радиационно-химическим и обменным повреждением («отрывом») полисахаридных цепочек (ворсинок) от аминных концов молекул протеидов, встроенных в плазмолемму. Ослабление барьерной функции «основного вещества» соединительной ткани в связи с нарушением продукции гиалуроновой кислоты (а, по некоторым данным, и активизацией фермента гиалуронидазы).
.Изменение внутриклеточного обмена воды и солей
После воздействия ионизирующих излучений наблюдается увеличение содержания воды в клетках (явление отека тканей). Это связано с понижением онкотического давления плазмы крови, увеличением продукции воды в клетке в ходе измененных реакций обмена веществ и накоплением натрия в цитоплазме клеток (из-за повреждения белковых Nа-насосов плазмолеммы вследствие инактивации Nа+ - К+ - АТФ-азы и дефицита АТФ).
На более поздних стадиях развития лучевого поражения, наоборот, наблюдается снижение содержания воды к клетках (их обезвоживание). Это является следствием потери значительного количества электролитов (из-за деструктивных изменений в тонком кишечнике).
При облучении нарушается также внутриклеточный обмен минеральных веществ.
. Изменение внутриклеточного энергетического баланса
Энергетический материал (АТФ) получается в клетке при распаде органических веществ (углеводов, белков, жиров) путем превращения (фосфорилирования) АДФ в АТФ. Процесс передачи энергии молекулам АДФ является ферментативным, в нем участвует АТФ-аза - фермент, находящийся на внутренних сторонах внутренних мембран митохондрий.
При воздействии ионизирующих излучений в результате расстройства белкового обмена нарушается процесс биологического окисления поступающих в клетку питательных веществ, а, следовательно, уменьшается и количество образующихся макроэргов.
Дефицит макроэргических соединений является одним из наиболее ранних проявлений лучевого поражения. Уменьшение макроэргообразования в клетках после облучения также связано с перекисным окислением липидов и повреждением клеточных мембран, в том числе мембран митохондрий. Это
приводит к выключению части АТФ-аз из процессов фосфорилирования и нарушению сопряжения дыхания и фосфорилирования. При той же или возрастающей интенсивности дыхания количество образующихся макроэргов резко падает. В результате клетка и ее внутренний аппарат оказываются частично или полностью неспособными к выполнению своих функций. обмен вещество внутриклеточный
Повреждение механизма образования АТФ приводит также к нарушению энергетического сопряжения процессов в клетке (баланса между экзергоническими и эндергоническими реакциями), которое поддерживается с помощью системы АТФ. Количество производимой энергии перестает соответствовать количеству расходуемой. Возникают «ножницы»: потребности клетки в энергии увеличиваются (в связи с необходимостью репарации повреждений, подготовки к очередному делению и др.), а производство ее уменьшается.
Заключение
Нельзя не отметить, что облучение организма в летальных дозах вызывает очень незначительные изменения в общем обмене, развивающиеся в основном незадолго до гибели. Несмотря на структурные повреждения кишечника, всасывание продолжается без особых нарушений, а наблюдающиеся изменения во многом объясняются диспепсическими расстройствами и потерей электролитов. Важно, однако, что наиболее твёрдо установленные факты, например серьёзные нарушения нуклеинового обмена и антиокислительной активности, выражены более отчётливо в критических тканях.
Список используемой литературы
Храмченкова О.М. Х 898 Основы радиобиологии: Учебное пособие для студентов биологических специальностей высших учебных заведений. Гомель: УО «ГГУ им. Ф. Скорины», 2003г. с 238.
Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. Радиобиология человека и животных. - М., Высшая школа, 2004 -549с.
Баюров Л.И. Радиобиология; Учебное пособие. - Краснодар: КубГАУ, 2008. - 331 с.
Кулиев С.И., Радевич А.Г. Радиобиология; Учебно-методический комплекс. - Витебск: Издательство УО «ВГУ им П.М. Машерова», 2006. - 196 с.
Практическое пособие по общей радиобиологии для студентов медико-биологического факультета: Учебно-методическое пособие / Сост.: Л.Н. Рогова,Е.И. Губанова, Р.К. Агаева и др. Под ред. Проф. Л.Н. Роговой. -Волгоград: Изд-во ВолГМУ, 2010. - 124 с.