Статья: Биологическое действие ионизирующих излучений

Биологическое действие ионизирующих излучений

1.Этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты

Чтобы яснее представлять последовательность этапов воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты, приведем табл. 1.

Таблица 1. Этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты

В главе 2 мы рассмотрели физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Эти процессы происходят как в живой, так и в неживой материи и протекают за очень короткое время (10-24 - 10-14 с). Что происходит дальше и какие события приводят к биологическому эффекту? Чтобы ответить на этот вопрос, вначале будем рассматривать живую материю как огромное число молекул разной величины, каждая из которых состоит из атомов.

Наименее изучены химические и биомолекулярные процессы, а также взаимосвязь 2-й - 4-й стадий с 5-й. Пока не представляется возможным полностью описать всю цепочку процессов, связывающих физическое поглощение энергии с конечными биологическими эффектами, поэтому рассмотрим лишь некоторые наиболее изученные процессы, происходящие на 3-й стадии.

Свободнорадикальные процессы при облучении воды и водных растворов мы рассмотрели ранее.

2.Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений на органические вещества и биологические макромолекулы

Рассмотренные химические реакции -- основа так называемого «косвенного действия» излучения, когда свободные радикалы, окруженные молекулами воды, выступают в качестве посредников при переносе энергии излучения биологическим молекулам. Прямое действие излучения -- это непосредственное взаимодействие ионизирующего излучения с критическими молекулами, которые превращаются в свободные радикалы:

На рис.8 условно показано различие между прямым и косвенным действием ионизирующего излучения. Как правило, считают, что вклад косвенного действия более существен, так как клетки большинства тканей состоят приблизительно на 70-90 % из воды, хотя биологически не важно, как происходит повреждение.

Рис. 8. Прямое (а) и косвенное (б) действие ионизирующего излучения: 1 - ионизирующее излучение Е, 2 - критическая молекула; 3 - ионизирующее излучение ; 4 - диффузия свободных радикалов к критической молекуле

Свободные радикалы могут также взаимодействовать с молекулами растворенного кислорода, приводя к появлению перекисных радикалов водорода. Повышенная эффективность воздействия излучения на живые клетки в присутствии кислорода известна как кислородный эффект. Он связан с увеличением количества свободных радикалов, образующихся в присутствии кислорода под действием ионизирующего излучения. Взаимодействие кислорода с гидратированными свободными радикалами, например, , приводит к появлению относительно стабильных гидроперекисных радикалов и перекиси водорода:

Однако не важно, прямым или косвенным образом биомолекула стала радикалом, в любом случае она может взаимодействовать с растворенным кислородом следующим образом:

(органический перекисный радикал). И этот момент является уже существенным потому, что при большом количестве RН можно получить цепную реакцию:

.

Две последние реакции равноценны с точки зрения нанесения биологического повреждения. Они происходят примерно в 30 раз быстрее, чем конкурирующие реакции, например: R + цистеин или другой донор водорода, где образуется стабильная молекула RН, т.е. происходит восстановление. Процессы взаимодействия свободных радикалов и механизмы их возникновения изучает радиационная химия. Для нас важно понять, что одни из этих процессов приводят к появлению биологически повреждающих продуктов, другие -- к образованию непосредственно биологически опасных продуктов, третьи -- к цепным реакциям. Большинство из этих реакций активизируется в присутствии растворенного кислорода. Например, существуют прямые доказательства того, что радикал ОН участвует в процессах образования одиночных разрывов нитей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), хромосомных аберраций (отклонений от нормы), гибели клеток бактерий и млекопитающих.

Схема процесса радиолиза воды

При поглощении высоких доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как и после воздействия высокой температуры или сильного яда. Нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. После поглощения меньших доз радиации, когда клетка остается еще живой, в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, особенно в клеточном ядре.

Сначала рассмотрим действие радиации на белки. Особенности того или иного белка определяются последовательностью и природой аминокислот в цепи (первичная структура) и сложной конфигурацией цепей 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: уменьшение молекулярной массы вследствие разрыва полипептидных цепей (цепей аминокислот), 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. Для повреждения известных ферментов требуется облучение гораздо в более высоких дозах, чем для возникновения серьезных изменений в клетке, приводящих ее к гибели. Этот факт объясняют малой чувствительностью биохимических методов или тем, что в клетке есть более чувствительные к облучению мишени, чем ферменты.

Повреждение хромосом и внутриклеточная репарация

Рис. 10. Схема расположения азотистых оснований в молекуле ДНК

Ионизация вызывает три основных типа повреждения: одиночные и двойные разрывы нитей ДНК и повреждения азотистых оснований (рис.12). ДНК также подвержены постоянным повреждениям, которые обусловлены не только ионизирующим излучением, но и ультрафиолетовым излучением, химическими агентами и т.д. Значительная часть энергии клетки как раз и расходуется для репарации, т.е. восстановления и поддержания постоянства последовательности оснований в ДНК (т.е. генетического кода). Однако не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям, к которым они приводят.

Рис. 11. Относительное распределение событий ионизации для излучений с высокой и низкой ЛПЭ: 1 - 35,2·10-9 Дж/м; 2 -1,6·10-8 Дж/м; 3 -

Число одиночных 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 мала была доза облучения, должно возникать определенное число разрывов одной из нитей ДНК.

Рис. 12. Три основных типа радиационных повреждений в молекуле ДНК: 1 - одиночные разрывы; 2 -- двойные разрывы; 3 - повреждение оснований; 4 -- исходная нормальная ДНК

Эффективность образования таких одиночных разрывов нитей может меняться в зависимости от многих биохимических факторов. При этом средняя энергия на один разрыв для излучения с низкой ЛПЭ составляет 1,6·10-183,2·10-18 Дж (вспомним, что потенциал ионизации для кремния -- порядка 5,76·10-19 Дж, а для воздуха -- порядка 56·10-19 Дж). Обычно значительная часть одиночных разрывов нитей происходит с участием ОН -- радикалов воды. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК в клетках млекопитающих происходит достаточно эффективно. Считают, что оно протекает по механизму эксцизионной репарации, который состоит в эксцизии (вырезании) части цепи, содержащей поврежденные звенья ДНК, и использовании комплементарной (неповрежденной) цепи в качестве матрицы для повторного синтеза нового отрезка ДНК взамен поврежденного. Процесс является ферментативным и зависит от температуры, а при 0°С значительно замедляется. В клетках млекопитающих скорость репарации такова, что при нормальной температуре половина радиационных одиночных разрывов восстанавливается в течение примерно 15 минут. Поскольку одиночные разрывы репарируются даже в летально облученных клетках, можно предположить, что они не являются причиной гибели клеток, в отличие от двойных разрывов или поврежденных оснований.

Но такие нерепарированные одиночные разрывы вносят свой вклад в образование двойных разрывов, потому что двойные разрывы ДНК могут быть или 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.

Повреждения азотистых оснований в клетках млекопитающих встречаются чаще, чем одиночные разрывы нитей ДНК, однако уже рассмотренный нами механизм эксцизионной репарации обеспечивает удаление поврежденных оснований. Нерепарированные повреждения оснований могут играть важную роль для клеток высших животных, а для простейших они являются значимыми факторами гибели.

В силу множества различных повреждающих факторов, репарация ДНК -- основа нормального функционирования клетки, но полная репарация происходит не всегда. Установлено, что уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных и 10--100 двойных разрывов, каждый из которых может привести к неприятным последствиям.

Описываются, как правило, три вида репараций. Во-первых, безошибочные репарации, главным образом эксцизионные, не вызывающие в дальнейшем летального исхода или мутаций. Репарации этого типа основаны на удалении поврежденного участка ДНК и замене его неповрежденными нуклеотидами, что приводит к восстановлению нормальной функции ДНК.

Во-вторых, ошибочные репарации, которые могут повлечь за собой нелетальные или летальные мутации. Это имеет место тогда, когда не происходит немедленной репарации повреждений. Они обходятся во время репликации ДНК, приводя к образованию пробелов в дочерних нитях. Затем эти пробелы заполняются отрезками материнской нити ДНК в процессе рекомбинации, а возникшая таким образом брешь материнской нити ДНК заполняется путем репаративного синтеза. В этом случае поврежденный участок фактически не репарируется, а обходится, и потерянная генетическая информация восполняется из дублированных запасов информации, содержащейся в клетке.

Пострепликативная репарация не играет какой-либо существенной роли в устранении радиационных повреждений ДНК в клетках млекопитающих.

В-третьих, существуют неполные репарации, когда непрерывность нитей ДНК не восстанавливается, и эта нерепарация может быть не только мутагенной, но даже летальной.

3.Восстановление после облучения на клеточном уровне

Восстановление после облучения происходит и на клеточном уровне. Это связано с тем, что повреждения, которые могут привести клетку к гибели, при определенных условиях имеют вероятность быть восстановлены системами ферментативной репарации. Такие повреждения часто называют потенциальными. В дальнейшем они либо репарируются, и тогда клетка выживает, либо не реализуются, и тогда она гибнет.

Однако термин «потенциальное повреждение» -- чисто формальный, так как не определяет какой-либо конкретный вид или механизм молекулярного повреждения. Он может применяться к любому виду радиационных поражений. Для характеристики репродуктивной гибели клеток используют два понятия -- сублетальные и потенциально летальные повреждения, различающиеся по способу их обнаружения. Первые выявляются родом фракционированного облучения, а вторые -- по изменению выживаемости клеток под влиянием изменения условий, в которых они находятся в первые часы после облучения. Однако и эти понятия являются также довольно условными. Например, не исключено, что часть двойных разрывов ДНК, образовавшихся при облучении клеток до начала синтетического периода, может быть восстановлена за оставшееся до репликации ДНК время. Но те из них, что клетка не успела «залечить» до момента синтеза ДНК, становятся уже летальными и вызывают ее гибель, проявляясь а виде хромосомных нарушений. Очевидно, что эффективность репарации, которая характеризуется в данном случае долей выживших клеток, можно увеличить, если искусственно удлинить период перед синтезом.