Лекция 4. Биологическое действие ионизирующих излучений

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

Воздействие ионизирующих излучений на биологическую ткань

При облучении биологической ткани ионизирующими излучениями схематично все процессы можно выразить следующим образом: физический этап (поглощение энергии), физико-химический этап (возбуждение атомов или их ионизация), химический этап (образование свободных радикалов), биомолекулярные повреждения (изменения молекул белков, нуклеиновых кислот), биологические и физиологические изменения в организме. Схематично эти процессы отражены на рис.13.

Вслед за поглощением энергии ионизирующего излучения, сопровождаемым физическими изменениями клеток, происходят процессы химического и биологического характера, которые закономерно приводят, прежде всего, к повреждению жизненно важных биомолекул в клетке.

Эффекты воздействия ионизирующего излучения могут длиться от долей секунды до столетий (табл. 7).

В результате действия излучений на организм наблюдаются изменения на всех уровнях организации живой материи (табл. 8).

От чего же зависит действие радиоактивных веществ на организм?

Так называемая биологическая эффективность зависит от многих факторов:

· вида радиоактивного вещества;

· энергии излучения;

· периода полураспада;

· величины всасывания (накопления);

· скорости выведения из организма.

 

Физический этап (поглощение энергии)

Физико-химический этап (возбуждение атомов или их ионизация)

Химический этап (образование свободных радикалов)

Биологические повреждения (первичное действие излучений)

Непосредственное (прямое)

Косвенное (непрямое)

Рис.13. Основные этапы воздействия радиации на биологическую ткань

 

Механизм воздействия радиации на молекулы и клетки

Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. Реакции вовлекают в химические превращения сотни и тысячи молекул. Первичное действие излучений на организм может быть непосредственным и косвенным.

Прямое действие ионизирующих излучений вызывает ионизацию атомов и молекул, образование ионов, возникновение возбужденных атомов, появление радикалов. Активные молекулы и обломки молекул индуцируют различные химические реакции, повреждая комплексы клеток.

Косвенное действие излучений заключается в том, что образованные радикалы воды и пероксиды вступают в химические реакции с молекулами белка, с липидами и т.д. и приводят к структурным изменениям тканей и клеток.

 

Таблица 7

Биологическое действие ионизирующих излучений

Время	Эффект воздействия
10^–24 – 10^–4с 10^–15 – 10^–8 с	Поглощение энергии (рентгеновское, гамма, нейтронное излучения). Поглощение энергии (электроны, протоны, альфа-частицы).
10^–12 – 10^–-8 с	Физический и химический этапы. Перенос энергии в виде ионизации на первичной траектории. Ионизация и электронное возбуждение молекул.
10^–7 – 10^–5 с, несколько часов	Химические повреждения. Прямое действие Косвенное действие. Образование свободных радикалов из воды. Возбуждение молекул до теплового равновесия.
Микросекунды, секунды, минуты, несколько часов	Биомолекулярные повреждения. Изменения молекул белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена.
Минуты, часы, недели	Ранние биологические и физиологические эффекты. Биохимические повреждения. Гибель клеток, гибель отдельных животных.
Годы, столетия	Отдаленные биологические эффекты. Стойкое нарушение функций. Генетические мутации, действие на потомство. Соматические эффекты: рак, лейкоз, сокращение продолжительности жизни, гибель организма.

 

Таблица 8

Радиационные повреждения

Уровень биологической организации	Радиационные повреждения
Молекулярный	Повреждение ферментов, ДНК, РНК, нарушение обмена веществ
Субклеточный	Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом, митохондрий, лизосом
Клеточный	Остановка деления и гибель клеток, трансформация в злокачественные клетки
Тканевой, органный	Повреждение центральной нервной системы, костного мозга, желудочно-кишечного тракта
Организменный	Смерть или сокращение продолжительности жизни
Популяционный	Изменение генетических характеристик в результате мутаций

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.

В организме человека имеются «гигантские молекулы» – это нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Основу жизни на Земле составляет молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Она входит в состав клеток.

Молекула ДНК

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 генетическим 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).

По мере накопления дозы облучения растет и количество хромосомных аберраций по линейно-квадратичному закону (рис.15) и зависит от вида облучения (рис.14).

Рис.15. Зависимость хромосомных аберраций от дозы облучения

Рис.14. Механизм поражения биологической молекулы при прохождении ионизирующих излучений

Доза

Альфа-частица

● ●   ● ● ● ●     ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Хромосома

Гамма-квант

Бета-частица

Положительно заряженный ион

Электрон

 

 

 

 

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.

Белки в организме разнообразны. Свыше 10 миллионов белков выполняют разные функции: структурные, регуляторные (гормоны), каталитические (ферменты), защитные (антитела), транспортные (гемоглобин), энергетические и др.

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.

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.

Липиды

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).

Углеводы

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.

Клетка

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.

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 фрагменты) показана на рис.16. 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.

 

 

мРНК

рРНК

тРНК

Ядро (46 хромосом)

Мембрана

Рибосомы

Рибосомы

Цитоплазма

Митохондрия

Бета-частица

Рис.16. Модель соматической клетки (фрагмент синтеза белка)

тРНК

мРНК

рРНК

 

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 органов. 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. Если учесть воздействие ионизирующего излучения и на другие основные органеллы клетки, то можно выделить следующие последствия облучения:

· при облучении ядра клетки возможны: подавление клеточного деления (если клетка делится), двунитчатые разрывы нуклеотидов и хромосомные аберрации, однонитчатые разрывы нуклеотидов и репарация (восстановление) связей, нарушение синтеза ДНК и остановка деления (для делящихся клеток), генные мутации, нарушение транспортной функции и репарация, нарушение синтеза клеточных белков, запуск механизма бесконтрольного деления (в соматических клетках);

· нарушение проницаемости цитоплазматической мембраны;

· цитолиз лизосом (лизосомы – цитоплазматические включения, с которыми связано накопление некоторых ферментов и процессы внутриклеточного пищеварения);

· нарушение энергетического обмена за счет разрушения (повреждения) митохондрий и молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

· нарушение синтеза белков в рибосомах;

· радиационный автолиз эндоплазматической сети (специальная структура цитоплазмы).

Если обобщить реакцию клетки на облучение (биологическая стадия), то можно выделить три возможные типа реакции на облучение:

1. Радиационный блок митозов (временная задержка деления);

2. Митотическая (репродуктивная) гибель клетки;

3. Интерфазная гибель клетки.

· Наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений – временная задержка деления (радиационный блок митозов). Длительность его зависит от дозы: на каждый Грей дозы облучения клетка отвечает задержкой митоза в
1 час. Проявляется этот эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем. Причем с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время деления каждой клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение: увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК.

При увеличении дозы облучения, развивается митотическая гибель клетки. Это относится к клеткам, которые не делятся или делятся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы.