Вопрос 50. Источники ионизирующих излучений в народном хозяйстве

За счет хозяйственной и социальной деятельности люди дополнительно получают облучения от антропогенных источников. В одних случаях отдельные категории населения, в других – значительная часть населения. В ряде случаев могут возникнуть чрезвычайные ситуации, вызванные выбросом радиоактивных веществ. В Республике Беларусь более 1000 объектов, на которых применяются радиоактивные вещества в значительных количествах (более 55 тысяч устройств и установок), которые приносят пользу людям. Назовем только некоторые источники:

· тепловые электростанции;

· склады минеральных (фосфорных) удобрений, имеющих повышенное содержание радионуклидов уранового и ториевого рядов;

· часы, компасы со светящимся циферблатом;

· телефонные диски, указатели входа-выхода;

· цветные телевизоры и дисплеи компьютеров;

· установки для снятия статического электричества;

· пожарные дымовые детекторы;

· краски, содержащие повышенное количество урана;

· рентгеновские установки для проверки пассажиров и их багажа в аэропортах;

· установки для контроля качества и структуры сплавов;

· установки для исследования смазочных материалов;

· установки для холодной стерилизации перевязочного материала и медицинского инструмента;

· рентгеновские аппараты и установки для диагностики заболеваний человека;

· радиоизотопные материалы для исследования в медицине;

· радиационная терапия для лечения онкологических заболеваний;

· установки для облучения автомобильных шин с целью увеличения срока их пробега и др.

Вопрос 51. Механизм воздействия радиации на молекулы и клетки

Знание механизма воздействия радиации на человека, возможнос­тей органов и систем человека противостоять радиации позволяет при­нять дополнительные меры по выживанию в условиях радиоактивного за­ражения или загрязнения среды.

Известно, что тело человека состоит: из воды примерно на 65%, белков, человеческих клеток на 18%, жиров на ­10%, углеводов на 5%, других органических и неорганических веществ на ­2%. Если из рассмотрения исключить воду, то белки составят 51,5%, липиды – 47,7%, клетки – 3%.

Воздействие радиации происходит как на молекулярном уровне, так и на уровне клеток, органов и систем человека.

 

Молекула воды

Наиболее многочисленными в организме человека являются молекулы воды. При облучении молекул воды ионизирующими излучениями образуются различные радикалы:

 

Н₂О Н₂О⁺ + е^– Н₂О^* Н^* + ОН^*

Н₂О Н⁺ + ОН^* Н^* + ОН^* Н₂О^*

Н₂О + е^– Н₂О^* ОН^* + ОН^* Н₂О₂

Н₂О⁺ + Н₂О Н₃О⁺ + ОН^*

 

Свободные радикалы Н^*, ОН^* особенно химически активны. Время их жизни 10^–15с. За это время они либо реагируют между собой с образованием молекулы воды, пероксидов водорода, либо с растворенным субстратом.

Продукты радиолиза воды (пероксид водорода) вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), происходит разрыв углеродных связей, нарушения ферментативных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные процессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энергии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель клеток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

М о л е к у л а Д Н К

Из основ биологии известно, что молекула ДНК – это хранитель генетической информации и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. Она явля­ется составной частью всех живых организмов, входит в состав хромо­сом, которые имеются в ядре клетки. При облучении молекулы ДНК она возбуждается в целом, но из-за миграции энергии в молекуле происходит разрыв в самом слабом месте, а именно рвутся водородные связи между отдельными участками молекулы.

Если между нуклеотидами происходят однонитчатые разрывы, то работает механизм репарации (восстановления) под генетическиским контролем.

Установлено, что в молекуле может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитиевых разрывах и при этом поражения генов молекулы не наблюдается. Но если количество однонитиевых разрывов больше 7 или имеются двухнитиевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации (разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем "склеиваются" в новых сочетаниях, и закодированная в генах информация искажается или теряется совсем.

 

Таким образом, в результате аберраций искажаются гены, возможна и гибель молекулы ДНК. Находясь в составе хромосом соматической клетки, молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление, приводящее к раку.

Молекула белка

Ученые считают, что именно белок, как одна из молекул жизни по­явилась первой на Земле.

Постоянное обновление белка лежит в основе обмена веществ и он играет важную роль в жизнедеятельности организма. До 20% поглощенной энергии облучения связано с повреждением белка. При облучении молекул белка ионизирующими излучениями она воз­буждается в целом и за счет миграции энергии (как в молекуле ДНК) разрыв происходит в наиболее слабых местах, а именно в связях между аминокислотами. В отличие от молекулы ДНК, молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций. Но большое количество молекул белка в организме, их постоянное обнов­ление позволяет на биологическом уровне противостоять радиации с учетом степени их облучения.

Большая разновидность белков, разные размеры, количество, раз­ные функции вызывают при облучении и разные последствия. Например, только ферментов, ускоряющих химические реакции более 1000. Разруше­ние отдельных из них приводит к угнетению функций отдельных систем. Последствия облучения во многом зависят от структуры белка.

Л и п и д ы

Липиды – жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде. Они входят в состав клеточных перегородок (мембран). В связи с плохой проводимостью тепла, они выполняют защит­ную функцию, а также играют и роль запасных питательных веществ в организме человека.

При облучении липидов ионизирующими излучениями последствия во многом зависят от того, какие именно липиды облучаются. Если липи­ды не активно участвуют в процессах обмена веществ, то они мало влияют на здоровье человека.

Действие ионизирующих излучений на липиды следующее. Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Так как липиды – основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение целостности наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия (в клетке – повышенное количество калия, в межклеточном пространстве – натрия).

У г л е в о д ы

Общая формула углеводов может быть представлена в виде С_n(H₂O)_m. Учитывая, что молекула углерода более устойчива к облучению, чем молекула воды, то при облучении возникают радикалы воды, о свойствах которых уже говорилось ранее. Поскольку углеводы – источник энергии в организме, то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем ор­ганизма.

К л е т к а

Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи, ее элементарная живая сис­тема. В 1г человеческой ткани примерно 600 миллионов клеток, у ново­рожденного человека число клеток составляет 2·10¹², которое еще больше воз­растает по мере роста организма.

Клетка имеет достаточно сложное строение и изучается в биологии.

В организме человека можно выделить много видов клеток, выполняющих разные функции. Различают клетки: половые, соматические, жировые, лейкоциты, лимфоциты и др. Радиобиологический закон выделяет два типа клеток. Делящиеся клетки (и малодифференцированные ткани) относятся к радиочувствительным. Такими являются кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий.

Справка. У детей все клетки делятся до окончания роста, а у взрослых делятся только клетки кожи, желудочно-кишечного тракта, глаз и крови. Остальные клетки периодически обновляются.

Неделящиеся клетки (и дифференцированные ткани) относят к радиоустойчивым. К ним относят мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение в этом списке составляют лимфоциты, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению.

Наибольший вред организму приносит облучение соматических клеток и клеток крови. Рассмотрим в качестве примера вначале соматическую клетку, так как их в организме много. Выделим в клетке только те элементы, которые больше всего подвержены воздействию радиации и вызывают наиболее тяжелые последс­твия. Поняв механизм воздействия радиации на клетку можно предпринимать меры защиты, которые снизят результаты этого воздействия.

Модель клетки (ее фрагметы) показана на рис.2.4. Клетка состоит из мембраны, цитоплаз­мы, ядра, рибосом, митохондрий, транспортных молекул тРНК (рибонукле­иновой кислоты), матричных мРНК, молекул АТФ (аденозинтрифосфата), рибосомных рРНК и др. В ядре клетки находится 46 хромосом.

Примечание: в клетке 80% рРНК, 5% – мРНК, 15% – тРНК. Рибосомы – клеточные органеллы, в которых синтезируются молекулы белка. Матричные (информационные) мРНК «снимают копию» с участков молекул ДНК и доставляют в рибосомы информацию о типах белка, которые необходимо синтезировать. Транспортные тРНК из тока кровеносных сосудов забирают аминокислоты и транспортируют в рибосомы, где рибосомные рРНК строят белок. Иногда для синтеза белка несколько рибосом объединяются по «команде» мРНК. Обычно в данный момент времени задачу синтеза белка решают только около 10% рибосом, остальные «отдыхают».

 

 

 

Рис.2.4. Модель соматической клетки (фрагмент cинтеза белка)

 

При облучении клетки, например, бета-частицами, прежде всего, повреждается мембрана. Если учесть, что давление внутри клетки больше, чем в межклеточном пространстве, то через образовавшиеся «бреши» будет вытекать цитоплазма. В этом случае ядро вырабатывает ферменты, которые тРНК транспортируют к местам повреждений мембраны и «зашивают» бреши. Та­ким образом, тРНК вместо того, чтобы заниматься своим делом – транс­портировать аминокислоты в рибосомы для синтеза белка, занимаются «ремонтом» мембраны. Если интенсивность облучения превышает некоторый предел, то тРНК задачу «ремонта» мембраны решить не могут и клетка погибает. Дальнейшее проникновение бета-частиц в клетку может вызвать разрушения любых органел. При облучении бета-частицами самих молекул тРНК они повреждаются и не могут выполнять свои функции.

При облучении рибосом, за счет разрушений рибосомной РНК и белка, в рибосоме может быть построен другой белок, который ведет себя как инородное тело. Такое облучение не всегда представляет большую опасность, так как в последующих циклах может быть сформирован и «свой» белок. Повреждение матричных мРНК также может привести к формированию «чужого» белка. Если в последующих циклах облучение отсутствует или не приведет к разрушению мРНК, то информация для строительства белка будет достоверной.

Наиболее драматичная ситуация возникает, если поражаются хромосомы и их главная часть – молекулы ДНК. В этом случае клетка или погибает или начинает бесконтрольно делиться (рак).