Биохимические основы канцерогенеза

Механизм действия радиоактивных излучений – способность ионизировать и возбуждать атомы и молекулы облучаемых тканей. Единицей измерения является рентген (р). Рентген - это доза гамма-излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха при температуре 0° и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08 · 109 пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда.

Стадии действия радиации:

1. Физическая стадия – изменения на субатомном и субмолекулярном уровнях;

поглощение энергии излучения, образование ионизированных и возбужденных атомов и молекул.

2. Физико-химическая стадия – субмолекулярный, молекулярный уровни;

перераспределение поглощенной энергии внутри и между молекулами, образование свободных радикалов (например, в результате радиолиза воды образуются АФК.

3. Химическая стадия (составляют тысячные и миллионные доли секунд) - реакции между свободными радикалами и неактивированными молекулами. Образуется широкий спектр молекул с измененной структурой и функциональными свойствами.

4. Биологическая стадия (реализация от секунд до нескольких лет) - функционально-

морфологические нарушения в клетках и физиологических системах, развитие поражений на всех уровнях биологической организации, активация процессов репарации повреждений.

Механизмы действия радиации:

1. Прямое повреждающее действие - повреждение молекулы-мишени в результате непосредственного взаимодействия с ней излучения.

•фотолиз воды

•денатурация белков

•повреждения ДНК (мутации) – тиминовые димеры, удаление аз.оснований

•разрывы нити ДНК за счет разрушения фосфодиэфирных связей

•деполимеризация нуклеопротеидов, нуклеиновых кислот

•необратимые сшивки ДНК с белком

2. Непрямое повреждение молекулы-мишени - 70 - 90% повреждений клеточных

структур, ДНК АФК: ОН-, НО2, Н2О2 и продуктами ПОЛ.

•образование первичных радиотоксинов (продукты ПОЛ - перекиси,

гидроперекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны, хиноны и семихиноны)

•окислительная модификация белков

•нарушения обмена белков и нуклеиновых кислот

•инактивация РНК-азы за счет ионизации (радиолиза) воды

•нарушение синтеза и репарации ДНК и РНК (накопление мутаций)

•распад комплекса ДНК-гистоны

•повреждения ядерных мембран

•повышение мембранной проницаемости, поступление натрия, набухание митохондриальных мембран

•нарушение окислительного фосфорилирования, дефицит АТФ

•повреждение лизосомальных мембран и выход в цитозоль лизосомальных протеолитических ферментов

•потеря микроэлементов, витаминов

Влияние радиации на клетки:

1. Репродуктивная гибель клетки. Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность ("радиационный блок митозов"). Может наблюдаться задержка перехода из фазы G1 в S и из фазы G2 в M.

Вследствие нарушений репликации из-за повреждений ДНК (двойные разрывы цепей и повреждения ДНК-мембранного комплекса), клетка, войдя в митоз, погибает.

2. Интерфазная гибель клетки. Более интенсивное облучение может привести к гибели как неделящейся клетки, так и делящейся, но вне фазы митоза.

Морфологически характерно наличие хромосомных аберраций в анаили метафазе митоза. Механизм интерфазной гибели клеток путем некроза и апоптоза,

реализуемый преимущественно по внутриклеточному сигнальному пути

(митохондриальному).

1.50% из них кодируют биосинтез тирозиновой протеинкиназы, которая ускоряет использование глюкозы в трансформированных клетках и поэтому стимулирует трансформацию клеток;

2.остальные 50% содержат информацию о различных функциональных регуляторных активных белках (увеличивают синтез факторов роста тромбоцитов,

эпидермального фактора роста и их рецепторов).

Механизм действия онкогеновых вирусов:

ДНК- и РНК-вирусы частично или полностью встраиваются в геном клетки,

вызывают мутации протоонкогенов в онкогены → синтез онкобелков → нарушение клеточного цикла → трансформация клетки → нарушение функций клетки.

Онковирусы инициируют трансформацию протоонкогенов в онкогены и обладают

общими свойствами:

1.усиливают генетическую нестабильность клеток и пролиферацию;

2.повышают риск трансформации инфицированной клетки - но для развития неоплазии необходимы дополнительные факторы (клетка может избежать, до момента перерождения имеет место продолжительный латентный период,

длящийся десятилетиями).

3.онковирусам (ретровирусам) не присущи исходно онкогены, но вирусы получают их из генома тех клеток, в которых они обитают (гены хозяина подвергаются мутациям и приобретают онкогенные свойства в вирусном геноме)

4.онковирусы могут не содержать онкогенов, но случайно внедряясь в геном человека, содержащего промоторы в регуляторных участках, могут менять экспрессию соседних хозяйских генов и вызывать трансформацию.

Молекулярные механизмы вирусной активации протоонкогенов при опухолевой

трансформации.

1. Инсерционный мутагенез - вызван внедрением вирусных генов в геном,

влиянием самих и их продуктов на экспрессию клеточных генов. Ретровирусы могут быть носителями как вирусного онкогена, так и энхансера, и промотора для протоонкогенов клетки. Вирусная РНК содержит «длинные концевые повторы»

(long termine repeats, LTR по 10 - 80 нуклеотидов), смежные с концевыми 5- и 3-

последовательностями ДНК, что обеспечивает присоединение к протоонкогену промотора или вставку в геном клетки энхансера.

2. Активация при транслокации участка хромосомы с протоонкогеном в

локус с функционирующим промотором. Транслокации – это один из видов реаранжировки генов, которые включают разрывы и воссоединение хромосом.

Перемещение гена или группы генов в другое место в пределах одной хромосомы или в другую часто ведёт к изменению экспрессии генов и нарушению их функций. Так транслокация между 8 и 14 хромосомой приводит к повышенной экспрессии c- myc при В-клеточной лимфоме.

3. Активация путем амплификации (умножении копий) протоонкогенов. В

норме гены, обладающие небольшой активностью, при увеличении числа их копий получают усиление суммарной активности, что формирует избыточный ответ клетки и инициирует трансформацию. Так ген c-myc амплифицирован 20-30-кратно в нейробластомах, в линии лейкозных клеток, в карциноме прямой кишки; c- abl амплифицирован 10-кратно в клетках миелоидного лейкоза; c-erbB - в 15-20 раз в клетках эпидермальной карциномы и других солидных раках. Амплификация связана с неблагоприятным прогнозом, химиорезистентностью (при лечении метотрексатом

– ингибитором дигидрофолатредуктазы (ДФР), выжившие клетки дают клон с амплицикацией гена ДФР).

4. Активация при точечных мутациях протоонкогенов - замена, вставка,

делеция кодона и различия в первичной структуре по одной аминокислоте меняют функцию онкопротеина. Например, ген с-h-ras, отличается от нормального гена одной аминокислотой, но обусловливает снижение гуанозин-трифосфатазной активности в клетке при раке мочевого пузыря.

8.Особые свойства опухолевых клеток и механизм их приобретения

Канцерогенез возможен из двух источников: из нормальной клетки ткани,

ставшей прежде стволовой клеткой или из стволовой клетки ткани. В составе клеток опухоли клетки неодинаковые:

основную массу клеток составляют нераковые клетки: они быстро делятся и после выполнения функций ткани сами погибают через апоптоз; именно эти клетки - мишени для лекарств стандартной химиотерапии;

значительно меньшую часть составляют раковые стволовые клетки, которые асимметричным делением копируют себя и генерируют нераковые клетки в составе клеток рака.

Раковые стволовые клетки делятся редко и медленно - это причина того, что лекарства стандартной химиотерапии оказываются неэффективными против раковых стволовых клеток

Раковая стволовая клетка возникает из нормальной или стволовой клетки ткани из-за дерепрессии в ней генов фетальных белков и одновременно репрессии генов-супрессоров метилированием CpG-динуклеотидов промотора этих генов или мутаций в генах.

Раковая клетка становится более живучей, чем нормальная клетка этого же типа,

она несёт в себе ряд уловок, делающих её неуязвимой и способной к самостоятельному существованию в организме пациента.

Эта дефектная клетка не просто клетка, а целый одноклеточный организм – паразит

Молекулярно-генетические особенности опухолевой клетки:

1.Самодостаточность в отношении сигналов пролиферации, связанная с аутопродукцией факторов роста, соответствующих рецепторов или других компонентов сигнального промитотического каскада

гликолиза (аэробного и анаэробного)

глюконеогенеза из аминокислот (за счет увеличения распада белков)

синтеза лактата (эффект Варбурга), интенсификация цикла Кори – синтез эндогенной глюкозы из лактата и аминокислот белков

значительным увеличением сродства гексокиназы к глюкозе, поэтому раковая клетка способна ассимилировать глюкозу, даже при очень низкой концентрации в крови

пентозофосфатного пути, поэтому в раковой клетке накапливаются пентозофосфаты - субстраты для биосинтеза измененных ДНК.

2) ослаблением:

биосинтеза гликогена, т.к. глюкоза для опухолевых клеток становится основным энергетическим субстратом

использования молочной кислоты для синтеза глюкозы, поэтому в раковых клетках увеличивается содержание молочной кислоты (тест для диагностики рака желудка).

Обмен липидов в опухолевой клетке практически не изменен, но наблюдается:

ускоренный метаболизм ТАГ, ФЛ и активация тканевого липолиза, увеличение свободных жирных кислот

дислипопротеинемия - дисбаланс синтеза жирных кислот и ТАГ

активация ПОЛ

дисбаланс антиоксидантной системы (повышение экспрессии СОД, снижение активности глутатионтрансферазы, дефицит восстановленных пиридиновых коферментов).

Обмен белков в опухолевой клетке характеризуется:

уменьшением биосинтеза специфических белков клетки и увеличением биосинтеза эмбриональных белков: α, β-фетопротеинов, канцеро-

эмбрионального антигена и др. фетальных форм, факторов роста

усилением распада собственных белков клетки и в дальнейшем - кахексией

деградацией белков и повышением в крови уровня аминокислот

активацией большого числа белков-ферментов: теломеразы, тирозин-

протеинкиназы, лактатдегидрогеназы, гепаразы, катепсина В и др.

Обмен нуклеиновых кислот в опухолевой клетке характеризуется:

усилением биосинтеза азотистых оснований, ДНК, РНК, за счет увеличения активности рибонуклеотидредуктазы, активности ДНК-полимеразы и РНК-

полимеразы

ослаблением катаболизма измененных нуклеиновых кислот и азотистых оснований за счет ингибирования ферментов распада: инозинфосфорилазы,

ксантиноксидазы, тимидинфосфорилазы, ДНК-азы, РНК-азы,

нарушением системы репарации ДНК

нарушением обмена НК, перестройкой генетического материала в опухолевой клетке.

Характерно системное влияние опухоли на организм при развитии раковой

кахексии. Метаболические основы - поглощение неоплазмой нуклеотидов и их предшественников, аминокислот для синтеза своих НК и белков, а также витаминов,

глюкозы, жирных кислот в ущерб здоровым тканям. При этом характерны нарушения эритро-, лимфо-, тромбопоэза и гемолиз; дисфункция иммунокомпетентных клеток

(дисбаланс между Т- и В-лимфоцитами); активация факторов ангиогенеза,

стимулирующих развитие сосудов, для снабжения раковых клеток питательными веществами.

Изменение состава и структуры гликопротеинов и гликосфинголипидов плазматической мембраны, её проницаемости и заряда

Снижение синтеза и изменение структуры адгезивных молекул (Е-кадгерина),

ослабление межклеточных связей

Секреция протеаз (катепсин L, плазмин, матриксные металлопротеиназы,

гепараза), коллагеназ и гликозидаз, которые разрушают коллаген, белки,