Основные этапы действия ионизирующих излучений на биологические объекты

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической актив­ностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соедине­ний биосубстратов, образование активных радикалов и этим инициировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Ионизирующее излучение вызывает в организме человека цепочку обратимых и необратимых изменений в клетках, тканях, органах и организме в целом. Результатом биологического действия радиации является нарушение нор­мальных биохимических процессов с последующими изменениями в клетках и тканях организма.

Воздействие ионизирующих излучений на биологические объекты подразделяют на 5 этапов:

1. Физический этап. Первичным моментом, инициирую­щим многообразные процессы, происходящие в организме, является иони­зация и возбуждение атомов и молекул. Это заключается в передаче энергии фотона или частицы одному из электронов атома. Ионам и возбуж­денным атомам свойственна повышенная химическая активность. Они способны вступать в такие реакции, которые невозможны для обычных атомов и длительность этапа составляет 10^–12 – 10^–8 с.

2. Физико–химический этап взаимодействия излучения с вещест­вом протекает в зависимости от состава и строения облучаемого вещества. Принципиальное значение имеет наличие в облучаемой ткани воды и ки­слорода. В основе первичных радиационно–химических изменений моле­кул лежат 2 механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие радиации.

Под прямым действием радиации понимают передачу энергии излу­чения непосредственно молекуле, которая испытывает превращения. Ио­низирующие излучения, а точнее – электроны, образовавшиеся в момент облучения, взаимодействуют непосредственно с биомолекулами, в резуль­тате чего происходит перенос части кинетической энергии на биомолеку­лы. Это приводит их в ионизованное или возбужденное состояние. Прямое воздействие радиации может вызвать расщепление молекулы белка, разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов и другие явления. В первую очередь разрушаются ферменты и гормоны.

Под косвенным действием понимают изменение молекул клеток и тканей, обусловленное продуктами радиационного разложения воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, погло­щенной самими молекулами. В организме косвенное действие осуществля­ется через продукты радиолиза воды, которая в живой клетке составляет 60–70 и даже до 90% ее массы. Именно в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно важные вещества, яв­ляющиеся основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощённая водой.

При радиолизе воды под дейст­вием излучения из молекулы воды выбивается электрон и образуется по­ложительно заряженный ион воды. При этом электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды и образует отрица­тельный ион воды: ,которые, в свою очередь, распадаются с образованием свободных радикалов водорода и гидроксида (Н⁰ ОН^0·):

.

Свободные радикалы обладают большой химической активностью и взаимодействуют друг с другом:

(происходит рекомбинация, восстановление воды); (образуется молекула водорода);

(образуются молекулы воды, и выделяется атомарный кисло­род, являющийся сильным окислителем);

(образуется пероксид водорода).

При наличии в среде растворенного кислорода возможна реакция образования гидропероксидного радикала .

Эта реак­ция указывает на роль кислорода в повреждающем эффекте ионизирующе­го излучения при воздействии на организм человека.

Ионизированная молекула воды может реагировать с другой ней­тральной молекулой воды, с образованием высокоактивного радикала гидроксида по схеме

.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пе–роксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой ток­сичностью, но они быстро разлагаются в организме на воду и кислород.

Указанные реакции протекают по следующим схемам:

(атомарный кислород),

(пероксид водорода),

(высший пероксид).

Пероксидные вещества обладают сильными окислительными и ток­сическими свойствами. Они вступают в химические реакции с органическими вещества­ми и прежде всего с молекулами, которые получили высокую химическую ак­тивность в результате ионизации или возбуждения, они вызывают значи­тельные химические изменения в клетках и тканях, такие как деполимеризации нук­леиновых кислот, нарушение проницаемости клеточных мембран, повышение проницаемости стенок кровеносных сосудов, сопровождающиеся кровотечениями и кровоизлияниями.

Свободные радикалы вступают также в реакции с органи­ческими молекулами по следующим схемам:

RH + ОН⁰ →R⁰+ Н₂О;

RH + Н⁰ → R⁰+ Н₂,

Это приводит к образованию новых радикалов, которые могут вступать в реакцию с биологическими молекулами и приводить впоследствии к ра­диобиологическому поражению клеточных структур.

Свободные радикалы и окислители обладают высокой химической активностью и вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, окисляют и разрушают их, что приводит к изменению биохимических процес­сов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляет­ся активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тка­ней, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, так называемые токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма человека в целом.

Второй этап радиационного воздействия длится от 10^–7 с до несколь­ких часов. Время жизни свободных радикалов не более 10^–5с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с рас­творенным субстратом.

3. Этап бимолекулярных повреждений. В результате прямого и косвенного действия излучений происходят изменения белков, липидов и углеводов. При этом поражаются липиды клеточных мембран и нарушается их проницае­мость. Кроме того, повреждаются микромолекулы ферментов, нарушается синтез РНК, тормозится синтез ДНК, наблюдаются однонитчатые и двунитчатые разрывы, приводящие к хромосомным изменениям. Имеют место генные мутации, а их появление в клетках означает, что клетка содержит генетиче­ский материал, отличный от генетического материала, содержащегося в исходных клетках. Поражение ядра клетки приводит к синтезу изменён­ных белков в результате нарушения РНК, что впоследствии даёт предпосылки к образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих старение и лучевую болезнь.

4. Этап ранних биологических и физиологических эффектов. На процесс радиационного поражения влияет ряд факторов: доза и вид облу­чения, время экспозиции, мощность поглощенной дозы и др. Очень боль­шие дозы вызывают гибель клеток в результате огромных нарушений всех субклеточных структур и невозможности их восстановления. При малень­ких дозах разрушение клеток не происходит, но снижается репродуктивная способ­ность.

Различные клетки обладают разной радиочувствительностью. Наи­большей радиочувствительностью обладают делящиеся клетки. Это крове­творные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников и яични­ков, клетки тонкого кишечника. Сюда же относят и лимфоциты, которые, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению, об­ладают высокой радиочувствительностью. Средней радиочувствительно­стью обладают клетки зародышевого слоя кожи и слизистых оболочек, сальных желез, волосяных фолликулов, потовых желез, хруста­лика глаза, сосудов, хрящевые клетки. Третью группу составляют клетки, обладающие высокой устойчивостью к облучению. Это клетки печени, почек, нервные клетки, мышечные клетки, клетки соедини­тельной ткани. На клеточном уровне её восста­новление длится до нескольких часов, но могут наблюдаться оста­новки деления, приводящие к гибели клеток, трансформации клеток в зло­качественные.

Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и систе­мы органов. Ткань – это не просто сумма клеток, а система, имею­щая свои функции. Более под­вержены радиации ткани, клетки которых активно делятся. Поэтому быст­рее повреждается красный костный мозг, желудочно–кишечный тракт. Характерно, что нервная ткань принадлежит к достаточно устойчивым структурам, хотя в функциональном отношении центральная нервная система радиочувствительна, так как самые ран­ние реакции организма на общее облучение проявляются в расстройстве подвижности и уравновешенности процессов возбуждения и торможения нервной системы.

Гибель отдельных органов может наступить в результате развития злокачественных новообразований в виде опухолей щитовидной железы, молочной железы, лёгких и т.д.

5. Этап отдаленных биологических эффектов. К ним относятся стойкие нарушения функций отдельных органов и систем, сокращение продолжительности жизни, соматические эффекты, такие как лейкозы, злокачественные новообразования, катаракта и др. Особенно опасно накопление мутаций в генофонде, в результате чего генофонд будет не в состоянии обеспечить воспроизводство нации.

Радиационное повреждение биологической системы может проходить на следующих уровнях:

– на молекулярном уровне повреждаются микромолекулы фер­ментов, нарушается синтез РНК, тормозится синтез ДНК, возникают одно–нитчатые и двунитчатые разрывы нитей ДНК, нарушение обмена веществ;

– на субклеточном уровне повреждаются клеточные мембраны, что приводит к нарушению функционирования клеток; повреждаются все структурные элементы клеток – ядра, хромосомы, лизосомы, митохондрии, нарушается синтез АТФ, что ведет к нарушению энергетики клетки;

– на клеточном уровне происходит остановка деления и гибель клеток, трансформация клеток в злокачественные;

– на тканевом и органном уровне происходит повреждение красного костного мозга, желудочно–кишечного тракта, центральной нервной системы. В ре­зультате нарушения образования лейкоцитов снижается иммунная защита, падает сопротивляемость организма к раз­личным инфекциям. Возникают анемии различного типа, атрофические эффекты и гипопластические состояния ЖКТ, стерильность. Усиливаются некротические процессы – циррозы печени, нефросклерозы, пневмосклерозы, атеросклероз и т.д. Возникают различные дисгормональные состояния.

– на организменном и популяционном уровнях происходит сокращение про­должительности жизни или смерть; изменение генетической характери­стики в результате мутаций. Сюда же можно отнести и лейкозы. Эта бо­лезнь характеризуется избыточным содержанием в крови неполноценных белых кровяных клеток. Белые клетки сами по себе не делятся. Они образуются в результате активного деления стволовых клеток костного мозга и лимфатических узлов. Изменение в одной или бо­лее стволовых клетках буквально наводняет неполноценными белыми клетками весь организм, что, собственно, и представляет собой лейкоз (бе­локровие), или рак крови.

Дата добавления: 2014-11-29