Молекулярном и клеточном уровне

Лек.5 ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА

Перелік літератури

1. Бугаєнко Г. О. Методи математичної фізики. – К.: Вища школа, 1970. – 310 с.
2. Будак Б. М., Самарский А. А., Тихонов А. Н. Сборник задач по математической физике. – М.: Наука, 1980. – 688 с.
3. Мэтьюз Дж., Уокер Р. Математические методы физики. – М.: Атомиздат, 1972. – 392 с.

Воздействие на клетку ионизирующих излучений, условно разделяют на четыре последовательные стадии:

- в течение очень короткого промежутка времени в пределах 10-13 секунд происходит поглощение энергии ионизирующих излучений биомолекулами и компонентами окружающей их среды (молекулами воды и других веществ). В результате этого возникают возбужденные, сверхвозбужденные и ионизированные атомы и молекулы. Эта стадия развития радиационного биоэффекта - физическая;

- вслед за этим также весьма быстро (в пределах 10 сек) происходят внутренние перестройки в облученных молекулах за счет миграции энергии и заряда внутри молекулы или между молекулами. В результате избыточная энергия концентрируется в определенном «слабом звене», где и происходят конформационные изменения. Возникают первично поврежденные биомолекулы и продукты их деградации – ионы и химические радикалы. Радикалы имеют, как правило, неспаренные электроны и обладают поэтому высокой химической активностью. Примерно 50% всех возникающих радикалов образуется из молекул воды, составляющих около 70% массы живых организмов.

Рассмотрим процесс радиолиза воды:

Под действием излучения в воде образуется положительно заряженный ион воды (Н2О):

Н2О ® Н2О+ + е –

Освободившийся электрон может соединяться с другой молекулой воды, которая приобретает в этом случае отрицательный заряд:

Н2О + е – ® Н2О - + Н.

Расположение положительного иона воды можно записать так:

Н2О+ Н + ОН.

Водород (Н) и гидроксильная группа ОН, обладая большой химической активностью, взаимодействуют с биологическими веществами и вызывают их изменение. При наличии кислорода в воде могут образовываться радикалы НО2 и перекись водорода Н2О2, которые также являются сильными окислителями.

Данная стадия развития радиационного биоэффекта названа физико-химической;

- Затем, ионы и химически активные радикалы по месту их образования и на некотором удалении от него (в среднем 300-350 нм) атакуют биомолекулы, повреждая их. Это происходит также в течение короткого промежутка времени (6-10 сек), в результате возникают вторично (химически) поврежденные биомолекулы. Эта стадия характеризуется как химическая.

- вслед за химической стадией начинается стадия биологических реакций. Сроки формирования ее находятся в широких пределах -от 6-10 сек. до многих лет. В основе развивающихся в этот период процессов лежат изменения внутриклеточного обмена веществ. В зависимости от силы лучевого воздействия внутриклеточный обмен веществ нарушается в различной степени – от небольших сдвигов с последующим восстановлением до полного и стойкого срыва, приводящего к гибели клетки.

При высоких дозах облучения из-за расстройства метаболизма гибнет большое число клеток. Возникают морфологические и функциональные изменения в тканях, органах и системах. Это приводит к развитию общего заболевания организма.

Завершением стадии биологических реакций (у людей, перенесших общую стадию заболевания) являются отдаленные последствия (соматические и генетические) и раннее старение организма, также выраженные в различной степени в зависимости от дозы облучения (тяжести поражения).

Формирование общего лучевого поражения начинается с молекулярного уровня, проходит клеточный, тканевой, органный и системный уровни и заканчивается уровнем целостного организма.

Молекулярный уровень.

Небольшие по массе органические и неорганические молекулы обладают примерно одинаковой и сравнительно низкой радиопоражаемостью.

Радиопоражаемость больших по массе молекул всегда

выше, чем небольших, и зависит от их молекулярной массы и конформационных особенностей. При облучении больших молекул повреждается большее число составляющих их элементов. Макромолекулы, как правило, имеют еще вторичную, третичную или даже четвертичную структуры, которые поддерживаются значительно более слабыми связями, чем ковалентная, -

водородными, ионными, Ван-дер-Ваальса. Установлено, что сообщаемая молекуле энергия может мигрировать по ней в сторону наиболее слабых связей, где и реализуется, разрывая эти связи. За счет этих механизмов макромолекулы повреждаются в большей степени.

По механизму передачи энергии биомолекулам различают прямое и непрямое действие ионизирующих излучений.

Прямое действие – это действие излучения непосредственно на биомолекулы, сопровождающееся передачей им кинетической энергии. Энергия ионизирующего излучения превышает энергию внутримолекулярных и внутриатомных связей. Под

действием этой кинетической энергии происходят местный (точечный) нагрев, ионизация, возбуждение и сверхвозбуждение молекул. Молекулы переходят в метастабильное состояние. В результате дальнейших процессов внутримолекулярного и межмолекулярного переноса энергии и электронной перестройки они переходят в стабильное состояние, но с другой конформацией, а, соответственно, и с иными свойствами. Это характеризуется как первичное поражениемолекул.

Первичной мишенью могут стать высокомолекулярные

соединения (белки, липиды, ферменты, нуклеиновые кислоты, молекулы сложных белков — нуклеопротеидные комплексы, липопротеиды). Если мишенью оказывается молекула ДНК, то генетический код может быть нарушен.

Образующееся в ходе первичных реакций ультрафиолетовое излучение оказывает фотохимическое действие на окружающие биомолекулы. Это действие является достаточно сильным, если учесть, что ультрафиолетовое излучение образуется во внутренней среде (непосредственно в ткани) и действует на совершенно не защищенные биомолекулы с минимальных расстояний.

Эффект от точечного нагревания биоструктур выражен значительно только при очень больших поглощенных дозах (сотни Грей).

Непрямое действие – это действие на биомолекулы излучения при посредстве образующихся свободных радикалов, а также перекисных соединений (гидроперекисей). Эти химические вещества являются сильными окислителями и восстановителями, способными вызывать деполимеризацию молекул, на которые они воздействуют. Главную роль в непрямом действии ионизирующих излучений на биомолекулы играют супероксидные анион-радикалы – О2-, радикалы ОН и перекисные соединения НО2 и Н2О2 (обладающие окислительной способностью), а также радикалы Н и гидратированные электроны (обладающие восстановительной способностью).

Химически активные радикалы и перекисные соединения особенно сильно действуют на молекулы белков и ненасыщенных жирных кислот. Действие на ДНК выражено меньше в связи с тем, что эти молекулы окутаны белком поэтому менее доступны для химически активных веществ. Молекулы ДНК сильно повреждаются в результате прямого действия излучения.

Помимо повреждения биомолекул, химически активные радикалы и перекисные соединения способны вызывать множество необычных химических реакций, препятствующих нормальному течению внутриклеточного обмена.

Доказательством значимости непрямого (опосредованного) действия ионизирующих излучений на биомолекулы является повышение эффективности облучения по мере уменьшения концентрации биомолекул в растворе (эффект разбавления) и повышения содержания кислорода в окружающей биомолекулы среде (кислородный эффект).

Деструктивные изменения в биомолекулах в результате прямого и опосредованного действия ионизирующих излучений сводятся к разрушению вторичной структуры молекул, разрыву молекулярных цепей, образованию

внутри- и межмолекулярных сшивок, разрушению отдельных аминокислот в белках и оснований в нуклеиновых кислотах. Таким образом, первичные

радиохимические реакции заключаются в прямом и опосредованном (через продукты радиолиза воды и радиотоксины) повреждении важнейших биохимических компонентов клетки — нуклеиновых кислот, белков, ферментов.

Некоторые продукты деградации биомолекул, происходящей под влиянием

сильных окислителей и восстановителей, обладают выраженными токсическими

свойствами и усиливают повреждающее действие ионизирующих излучений. Их

называют первичными радиотоксинами

Помимо повреждения биомолекул, химически активные радикалы и перекисные соединения способны вызывать множество необычных химических реакций, препятствующих нормальному течению внутриклеточного обмена. Доказательством значимости опосредованного действия ионизирующих излучений на биомолекулы является повышение эффективности облучения по мере уменьшения концентрации биомолекул в растворе (эффект разбавления) и повышения содержания кислорода в окружающей биомолекулы среде (кислородный эффект).

Деструктивные изменения в биомолекулах в результате прямого и опосредованного действия ионизирующих излучений сводятся к разрушению вторичной структуры молекул, разрыву молекулярных цепей, образованию внутри- и межмолекулярных сшивок, разрушению отдельных аминокислот в белках и оснований в нуклеиновых кислотах. Таким образом, первичные радиохимические реакции заключаются в прямом и опосредов (через
продукты радиолиза воды и радиотоксины) повреждении важнейших биохимических компонентов клетки — нуклеиновых кислот, белков, ферментов.

В дальнейшем бурно изменяются ферментативные реакции — усиливается

ферментативный распад белков и нуклеиновых кислот, снижается синтез ДНК,

нарушается биосинтез белков и ферментов.

Соотношение прямого и опосредованного действий зависит от конкретного облучаемого субстрата. В «плотноупакованных» биологических структурах, таких, как клеточные ядра, вклад прямого действия излучения должен быть выше, а в структурах, содержащих больше воды (например, в цитоплазме) – ниже. В общем же опосредованное действие ионизирующих излучений на биомолекулы выражено сильнее, чем прямое. Молекул воды в биологических объектах всегда значительно больше, чем всех других молекул и для их радиолиза требуется всего 12,6 эВ энергии. Поэтому при воздействии ионизирующих излучений число поврежденных молекул воды всегда значительно превосходит число других поврежденных молекул. С этим и можно связать преимущественно опосредованное (через химически агрессивные продукты радиолиза воды) действие ионизирующих излучений на биообъекты. Вода является как бы катализатором поражающего действия ионизирующих излучений на биообъекты. Важно отметить, что прямое и опосредованное действия ионизирующих

излучений на биомолекулы не суммируются, а усиливают одно другое.

В биомолекулах при облучении одновременно протекают два разнонаправленных процесса – накопление повреждений и их репарация. При небольших дозах излучения репарационные системы успешно и быстро (в течение минут – одного часа) ликвидируют возникшие повреждения. При больших дозах излучения этого не происходит, и тогда развертываются последующие события лучевого поражения. Реальность репарации повреждений биомолекул видна даже из следующего положения: установлено, что в жиддкой среде с высокой концентрацией молекул возникшие в результате воздействия ионизирующих излучений их фрагменты далеко не расходятся (остаются почти на месте), поэтому вероятность их воссоединения близка к 1. Раскрыт механизм

энзиматической репарации молекул нуклеиновых кислот.

Восстановление одноцепочечных разрывов происходит благодаря тому, что образовавшиеся фрагменты молекулы имеют 5РО4 и 3ОН концевые группировки, которые хорошо поддаются действию репараз. Репаразы (в частности ДНК-лигазы) катализируют восстановление фосфордиэфирной связи между 5РО4 и 3ОН концами разрыва полинуклеотидной цепи. Однако при больших дозах облучения, когда появляется большое количество одноцепочечных разрывов, эффективность репараз недостаточна, и начинают проявлять свое действие ферменты, закрепляющие разрывы - эндонуклеазы. При этом наблюдается так

называемая вторая волна одноцепочечных разрывов. Эндонуклеазы делают концы фрагментов нуклеиновых кислот неспособными к воссоединению.

Возникают нерепарируемые «бреши» в полинуклеотидных цепях.

Клеточный уровень. Известно несколько гипотез о первопричинах (пусковых механизмах) поражения клеток в результате облучения.

Ф. Дессауэр (1922), А.А. Кроузер (1926), Д. Ли (1963), Н.В. Тимофеев-Рессовский (1968) и К.Г. Циммер (1962) высказали предположение, что в клетке существуют жизненно важные центры («мишени» или «чувствительные объемы»), поражение которых ведет к нарушению жизнедеятельности клетки. Эта гипотеза получила наименование «принципа попаданий».

З. Бак и П. Александер (1963) связывали поражение клеток с повреждением клеточных мембран и выходом ферментов из мест их обычной локализации (например, из лизосом). Это представление получило наименование гипотезы выхода ферментов.

В соответствии с концепцией Б.Н. Тарусова (гипотеза цепных реакций с разветвляющими цепями, 1963) основную роль в поражении клеток при воздействии радиации играют молекулярные изменения, вызываемые первичными радиотоксинами (низкомолекулярными веществами с токсическими свойствами). По данным автора, особенно сильные молекулярные изменения вызывают липидные радиотоксины – продукты цепного радикального окисления высших ненасыщенных жирных кислот.

И.И. Иванов (1956) выдвинул предположение, что при облучении основной причиной всех расстройств в клетке является повреждение ферментных систем, катализирующих обмен нуклеопротеидов (гипотеза поражения биокаталитических систем).

Однако все приведенные гипотезы не дают ответа на три основных вопроса:

1) почему после облучения в клетках развивается вторичная реакция, которая идет с ускорением и усиливает первичное действие радиации;

2) почему в реакции клетки на облучение наблюдается латентный период;

3) почему малая доза поглощенной энергии оказывает неадекватно сильное биологическое действие.

В настоящее время наиболее обоснованной является структурно-метаболическая гипотеза радиационного поражения клетки, автором которой является А.М. Кузин (1970).

По этой гипотезе радиационное поражение клетки бусловлено многими факторами: радиационно-химическими реакциями, приводящими к изменению макромолекул и надмолекулярных структур; нарушением обмена веществ; ослаблением внутриклеточных процессов репарации, в норме обеспечивающих поддержание структуры и функции клеток; вторичным (в том числе и дистанционным) действием на клетки токсических веществ, в частности перекисных соединений, образующихся в результате радиационно-химических процессов в момент облучения и в ближайший период времени после него; вторичными влияниями со стороны регулирующих систем организма (нервной и гуморальной).

По структурно-метаболической гипотезе основными этапами поражения клетки являются следующие:

1) радиационные повреждения на молекулярном уровне;

2) нарушение основных процессов клеточного обмена - синтеза ДНК (репликации), РНК (транскрипции), белков (трансляции), процессов транспорта веществ через биомембраны, выработки энергии (окислительного фосфорилирования) и др. – вследствие повреждения ферментных систем;

3) нарушение жизнедеятельности клетки вследствие возникновения ошибок в системе функциональной взаимосвязи межу цитоплазмой и ядром (изменяется постоянно идущий из цитоплазмы в ядро поток эффекторов- триггеров, при недостатке которых осуществляются репрессия и депрессия генов в процессах развития, дифференцировки и жизни клетки).

Центральное место в изменениях внутриклеточного обмена занимают нарушения обмена нуклеопротеидов. А.М. Кузин и А.А. Шабадаш (1959)

подчеркивают, что ионизирующие излучения как бы избирательно действует на органоиды клетки, содержащие нуклеопротеиды.

По мнению Л.Ф. Ларионова (1953), нуклеопротеиды являются «основным субстратом действия ионизирующего излучения на биологические объекты».

Гибель клетки наступает при высоких дозах ионизирующего излучения.

При меньших дозах облучения обменные нарушения носят обратимый характер.

Через некоторое время внутриклеточный обмен восстанавливается и клетка продолжает свой жизненный цикл. Однако часто в таких клетках сохраняются поломки генетического аппарата, передающиеся последующим поколениям клеток (мутации). Подобные изменения в соматических клетках могут явиться причиной их опухолевого перерождения, а в половых клетках – рождения потомства с различными уродствами (тератогенный эффект).

. Удвоение числа хромосомных аббераций по сравнению с их «естественным» числом наблюдается уже при дозе 0,1–0,12 Гр. Это считается «пороговым» состоянием для возникновения опухолевых процессов.

Дата добавления: 2014-01-13