Лекция 3. Закон радиоактивного распада. Механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с облучаемым веществом.

Типы ионизирующих излучений

 

Ионизирующими называют различные типы излучений, обладающие способностью вызывать ионизацию атомов, молекул облучаемого вещества. Ионизация обусловлена взаимодействием излучения с электронными оболочками и ядрами атомов, вследствие чего энергия квантов или частиц излучения поглощается электронами. В процессе ионизации нейтральных молекул возникают положительно и отрицательно заряженные ионы. Ионизация обычно происходит путем отрыва электронов внешних орбиталей. Количество энергии, достаточное для отрыва электрона от атома называется ионизационным потенциалом.

Энергия ионизирующих частиц и квантов измеряется в электронвольтах (1 эВ = 1,6 ×10^-19 Дж; 1 Дж = 6,24 ×10¹⁸ эВ). 1 электронвольт - эта энергия электрона, которую он приобретает при пролете его между пластинами конденсатора с разностью потенциалов 1 В и расстоянием между ними 1м. В радиобиологии широко используется производные единицы от электронвольта: 1 килоэлектронвольт (кэВ) = 1000 эВ; 1 мегаэлектронвольт (МэВ) = 1000 кэВ). Для ионизации атомов, входящих в состав биологических молекул, достаточно поглощения атомами минимальной энергии 10 –12 эВ.

По физической природе ионизирующие излучения разделяются на два типа: электромагнитные и корпускулярные излучения. Электромагнитные ионизирующие излучения представляют собой электромагнитные волны с определенной частотой и длиной волны, от которых зависит энергия квантов. Электромагнитные ионизирующие излучения могут иметь различное происхождение. Экспериментально показано, что ионизирующим эффектом обладают все электромагнитные излучения с длиной волны меньше 100 нм. Корпускулярные излучения являются потоком элементарных частиц или ядер атомов, обладающих высокими скоростями. Основными физическими характеристиками ионизирующей частицы являются масса покоя, ее электрический заряд и начальная энергия. Рассмотрим подробно электромагнитные и корпускулярные типы излучений.

Электромагнитные ионизирующие излучения, можно разделить на три типа, различающихся по происхождению: рентгеновское излучение, g - излучение, синхротронное (тормозное) излучение.

Рентгеновское излучение представлено электромагнитными волнами с длиной волны в интервале 10^-3 - 10 нм, что соответствует энергии квантов от 1237 кэВ до 0,12 эВ. Длинноволновая часть спектра рентгеновского излучения перекрывается коротким ультрафиолетовым излучением, коротковолновая часть - длинноволновым g-излучением. Рентгеновское излучение образуется при торможении получаемых в вакууме быстрых электронов. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка (рис.1). Основными частями трубки являются электроды, которые располагаются в вакуумной камере. Подогреваемый катод испускает поток электронов, который тормозится на аноде. Анод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена) и имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить рентгеновское излучение под углом к оси прибора.

 

Рис. 1. Схематичное изображение рентгеновской трубки.

 

 

В результате торможения электронов в электростатическом поле атомных ядер анода возникает тормозное рентгеновское излучение. При торможении электрона только часть ее энергии расходуется на образование кванта рентгеновского излучения. Остальное количество энергии электрона превращается в тепловую энергию и расходуется на нагревание анода. Соотношение между распределением энергии на нагревание и образование кванта является случайным. Поэтому при торможении на аноде большого количества электронов, появляются кванты с различной энергией, и соответственно, спектр тормозного рентгеновского излучения носит непрерывный (сплошной) характер. Сплошной рентгеновский спектр не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардируемых анод электронов. На рис. 2 показана типичная зависимость энергии квантов от длины волны рентгеновского излучения при разных значениях напряжения между электродами.

В каждом спектре наиболее коротковолновое излучение возникает, когда энергия, приобретенная электроном в электрическом поле, полностью переходит в энергию кванта.

l_min = hc/(eU)

Для практических целей используется более удобная формула

l_min = 12,37 /U

где l_min – длина волны, нм; U – напряжение между электродами, кВ; h – постоянная Планка (4,13 ×10^-15 эВ× с^-1); с – скорость света в ваккуме (3 ×10¹⁰ см×с^-1); е – масса электрона.

 

 

Рис.2. Тормозные спектры рентгеновского излучения при различных значениях напряжения между электродами

 

 

Коротковолновое (жесткое) рентгеновское излучение обладает более высокой энергией квантов и большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое) излучение. Регулируя напряжение между электродами, можно изменять спектральный состав рентгеновского излучения, увеличивать или снижать его жесткость.

При изменении температуры накала катода, изменяется интенсивность эмиссии электронов. Так, повышение температуры катода приводит к увеличению количества испускаемых с него электронов в единицу времени, и соответственно, повышению силы тока. На рисунке 3 показан спектр рентгеновского излучения при разных значениях силы тока накала катода (I₁ < I₂).

Когда энергия бомбардирующих анод электронов оказывается достаточной для выбивания электронов с внутренних оболочек атомов анода, то на фоне сплошного спектра появляются отдельные пики. Возникает так называемый линейчатый, дискретный спектр (рис. 3). Линейчатый спектр рентгеновского излучения определяется составом атомов, входящих в материал анода и поэтому называется характеристическим рентгеновским спектром. Характеристический спектр атома не зависит от химического его окружения, т.е. от состава молекулы. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков и для O, O₂, H₂O. Таким образом, спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских спектров.

 

Рис.3. Спектр рентгеновского излучения при различных значениях силы тока на катоде энергии

 

Гамма- излучение - электромагнитное излучение при радиоактивном распаде ядер радиоактивных элементов. Оно сопровождает a- и b-распады, а также возника­ет при ядерных реакциях, при торможении заряженных ча­стиц, их распаде. Гамма- излучение не отклоняется электрическим и магнит­ным полями, обладает очень высокой проникающей способностью в веществе; при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Это излучение облада­ет чрезвычайно малой длиной волны (l = 10^-3 - 10^-6 нм) и вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – (гамма- квантов) с энергией

E₀ = hn = hc/l

где n - частота волны, Гц; l - длина волны, нм; h –постоянная Планка.

Спектры g - излучения являются дискретными (линейчатыми), т.е. излучению с определенной длиной волны соответствует кванты с соответствующей энергией (Рис.4). Излучение испускается не материнским, а дочерним ядром в момент ее образования. При радиоактивных распадах естественных радионуклидов g-кванты обладают энергией от 10 кэВ до 6 Мэв. При g-излучении масса и заряд дочернего ядра не изменяются. Гамма-излучение редко характеризуется монохроматическим (моноэнергетическим) спектром. В большинстве случаев, g-излучение конкретного радионуклида состоит из нескольких квантов различной длины волны, и сооответственно, различной энергии. Так, линейчатый спектр излучения обнаруживается при распаде изотопа I¹³¹, когда излучаются 5 типов квантов с энергиями 80, 163, 364, 722 кэВ. Радиоактивный бром Br⁸² излучает 11 типов квантов с энергиями от 0,248 до 1,453 МэВ, а кадмий Cd¹¹⁵ излучает 13 типов квантов с энергиями от 0,335 до 1,280 МэВ. Примером монохроматического излучения является гамма-излучение с энергией квантов 611 Кэв, которое обнаруживается при распаде Cs¹³⁷.

Гамма излучение характеризуется слабым ионизирующим эффектом, но обладает высокой проникающей способностью. Длина пути пробега гамма-квантов в воздухе может достигать до 150 м (более подробно см на стр.).

 

Рис. 4. Спектр g - излучения при распаде ядер атомов

 

Синхротронное (тормозное) излучение представлено электромагнитными волнами, возникающими при торможении электронов и других заряженных частиц в веществе. Характеризуется непрерывным спектром излучения с длинами волн от 10^-3 до 100 нм. Впервые этот тип излучения был обнаружен при ускорении ядер и элементарных частиц в искусственных условиях (в синхрофазотронах), и поэтому получил название синхротронного излучения. Впоследствии такое излучение было обнаружено и при других условиях: при работе рентгеновских и электронно-лучевых трубок, при торможении b-частиц радиоактивных элементов и т.д. Тормозное излучение обладает теми физическими характеристиками, что и рентгеновское и гамма излучение.

Корпускулярные излучения

 

Как уже отмечалось, корпускулярные ионизирующие излучения возникают при радиоактивном распаде ядер неустойчивых изотопов. Различают естественную радиоактивность (самопроизвольный распад ядер неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную радиоактивность (наблюдается у изотопов, синтезированных посредством ядерных реакций в лабораторных условиях). Принципиального различия между ними нет, поскольку способ образования изотопа не влияет на его свойства и законы радиоактивного распада. Характер радиоактивного распада не зависит от вида химического соединения, агрегатного состояния вещества, температуры, давления, напряженности электрического и магнитного полей, т.е. от всех воздействий, которые могли бы привести к изменению состояния электронной оболочки атома. Следовательно, радиоактивные свойства элементов обусловлены лишь структурой их ядер. Радиоактивный распад- это естественное радиоактивное превращение ядер элементов, происходящее самопроизвольно. Атомное ядро, претерпевающее радиоактивный распад, называют материнским, возникающее ядро - дочерним. Существует несколько типов реакций распада ядер: a -распад, b -распад, g - излучение ядер, спонтанное деление тяжелых ядер, протонная радиоактивность. Соответственно, при протекании этих ядерных реакций возникают a -излучение, b-излучение, g -излучение, протонное излучение, нейтронное излучение.

Альфа – излучение возникает при распаде атомных ядер и сопровождается испусканием α – частицы. Заряд α - частицы равен +2, масса равна 4 а.е.м. и со­впадает с массой ядра гелия ₂⁴Не. Соответственно, α – частица состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Таким образом, α -излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, обладающих высокой скоростью. Начальная энергия α – частиц, возникающих при распаде различных радиоактивных элементов, составляет от 2 до 11 МэВ. Так, при распаде изотопа радия ²²⁶Ra, вылетают α – частицы со скоростью 17 000 км/час и энергией 4,5 МэВ. Для каждого радиоактивного изотопа энергия α – частиц постоянна. Поэтому спектр α – излучения является монэнергетическим (монохроматическим). Альфа- излучение отклоняется электрическим и магнитным полями (Рис 5), обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью. Вследствие относительно большой массы и высокой начальной энергиии, траектория движения α – частицы в веществе прямолинейна. Длина пробега этих частиц в воздухе не превышает 10 см, в воде и биологических тканях - нескольких десятков микрометров. В воздухе на 1 см пути пробега, α – частица образует 100 - 250 тысяч пар ионов. Вследствие высокой ионизирующей способности, α – излучение характеризуется высоким коэфициентом относительной биологической эффективности и оказывает, соответственно, очень сильное деструктивное действие на клетки и ткани живых организмов (более подробно см. на стр.).

Схематично реакции α-распада можно представить в таком виде:

^AX →_Z-2^A-4 Y +⁴He, Внимание сделать

где X - материнское ядро, Y – дочернее ядро, ⁴He – ядро атома гелия (α –частица). Как видно, при α- распаде массовое число дочернего элемента уменьшается на 4, а зарядовое число — на 2 единицы. В качестве примеров α- распада можно привести реакции:

²³⁸U → ²³⁴Th + ⁴He

²¹⁰Po → ²⁰⁶ Pb + ⁴He

Необходимое условие для протекания α-распада: масса материнского ядра должна быть больше суммы масс дочернего ядра и α –частицы. Этот тип ядерных реакций характерен для тяжелых ядер с массовыми числами А > 200 и зарядовыми числами Z > 82, так как только для таких ядер испускание α-частиц является энергетически выгодным. При радиоактивном распаде, α -частица образуется при столкновении движущихся внутри ядра двух протонов и двух нейтронов.

b-излучение возникает при b - распаде ядер радиоактивных изотопов. b-частицы представляют собой электроны (или позитроны), обладающие высокой скоростью. По своей физической природе эти электроны (позитроны) не отличаются от обычных электронов, входящих в состав атомов, т.е. имеют массу m_e = 9,11× 10^{-31 кг и заряд равный} - 1. b-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизиру­ющая способность значительно меньше, а проникающая способ­ность гораздо больше, чем у a-частиц; оно сильно рассеивается веществом. b-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различной скоростью и неодинаковой энергией. Это обьясняется тем, что при b - распаде из ядра атома одновременно вылетают электроны (позитроны) и нейтрино.

Нейтрино - электрически нейтральная элементарная частица с нулевой массой покоя со спином ½. Ионизирующая его способность очень мала: в воздухе один акт ионизации приходится на 500 км пробега. Проникающая способность огромна: пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет 10¹⁸ м. Антинейтрино – античастица по отношению к нейтрино.

Энергия, освобождаемая при каждом акте радиоактивного распада, распределяется между b-частицей и нейтрино. Распределение энергии между этими частицами носит случайный характер и подчиняется статистическим законам. Поэтому энергетический спектр бета-излучения является неперерывным, т.е. в потоке b-излучения определенного изотопа, есть частицы с различными значениями энергии - от нуля до некоторого максимального значения.

Различные радионуклиды отличаются друг от друга по уровню энергии испускаемых b-частиц. Начальная энергия этих частиц может составлять от 15 – 50 кЭв (мягкое b- излучение) до 3- 12 МэВ (жесткое b- излучение). Скорость движения b-частиц в вакууме составляет от 1×10¹⁰ до 3×10¹⁰ см/с. Длина пути пробега b-частиц в веществе зависит от начальной энергии частицы и от плотности облучаемого обьекта. Длина пути пробега этих частиц в воздухе может доходить до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. Траектория движения их в веществе не прямолинейная, т.к. электроны и позитроны легко изменяют направление движения под действием электрических и магнитных полей атомов. Бета-излучение, по сравнению с α-лучами, обладает небольшим ионизирующим эффектом. Так, в воздухе оно образует 50-100 пар ионов в расчете на 1 см пути пробега.

Как отмечалось выше, этот тип излучениявозникает при b - распаде радиоактивных ядер. Бета –распад - произвольный процесс превращения ра­диоактивного ядра в другое ядро (массовое число его не изменяется, а зарядовое число изменяется на DZ = ± I) с испусканием электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино).

Различают три вида b -распада:

1. b^- -распад протекает согласно схеме:

^AX →_Z+1^A- Y + ⁰e +⁰n

 

где,°е — символическое обозначение электрона, ⁰n — электронное антиней­трино (антинейтрино, сопутствующее ипусканию электрона). При b^- -распа­де массовое число дочернего вещества не изменяется, а зарядовое число увеличивается на единицу.

Примеры b^- - распада:

¹⁴C ® ¹⁴N + ⁰e +⁰n

²¹⁴Pb ® ²¹⁴Bi + ⁰e +⁰n

2. b⁺ - распад протекает по следующей схеме:

^AX →_Z-1^A- Y + ⁰e +⁰n,

где ⁰e - позитрон (античастица по отношению к электрону), ⁰n - позитронное нейтрино (нейтрино, сопутствующее испусканию позитрона).

Примеры b⁺ - распада:

Na → Ne + ⁰e +⁰n,

P→ Si + ⁰e +⁰n,

3. Электронный захват (e- захват или К – захват) протекает по следующей схеме;

^AX + ⁰e →_Z-1^A- Y +⁰n,

Ядро спонтанно захватывает электрон с одной из внутренних оболочек атома и одновременно испускает электронное нейтрино. Примеры электронного захвата:

⁷Be + ⁰e → ⁷Li + ⁰n,

¹³¹Cs + ⁰e → ¹³¹Xe +⁰n

Электронный захват обнаруживают по сопровождающемуся его характеристическому рентгеновскому излучению.

Протонно-нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра. Оказалось, что при распаде ядер нейтроны могут превращаться в протон с испусканием b^- электрона и антинейтрино:

¹n → ¹p + ⁰e + ⁰n,

 

При b⁺ - распаде происходит превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и электронного нейтрино по следующей схеме:

¹p → ¹n + ⁰e + ⁰n,

Таким образом, при распаде возникают протонное и нейтронное излучения.

 

Спонтанное деление тяжелых ядер. Данный процесс протекает по следующей схеме:

^AX →^A Y₁ + ^AY₂ ,

где X – исходное тяжелое материнское ядро, Y₁ и Y_{2 -} дочерние ядра.

Механизм спонтанного деления подобен механизму a-распада. Вероятность спон­танного деления обычно мала, но с ростом Z²/A она возрастает.

Протонная радиоактивность. Протонное излучение представляет собой поток протонов, возникающих при радиоактивном распаде некоторых элементов. Небольшое число легких ядер с относительно короткими временами жизни, обладая избытком протонов, могут претерпевать превращения, испуская один или два (двупротонная радиоактивность) протона. Кроме того, протонное излучение возникает и при b-распаде.

Нейтронное излучение возникает также при радиоактивном распаде ядер элементов. Нейтрон ¹n является незаряженной элементарной частицей с массой равной массе протона. Реакции деления тяжелых ядер сопровождаются испусканием избыточных нейтронов, так называемых нейтронов деления. Под действием нейтронов деления возникают самоподдерживающаяся цепочка процессов деления, что делает возможной осуществление цепной реакции деления – ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Энергия нейтрона также зависит от его скорости. Соответственно, нейтроны по скорости и энергии подразделяются на быстрые, медленные и тепловые нейтроны. Ионизирующая способность нейтронов, и соответственно, радиобиологический эффект нейтронного облучения зависят от энергии нейтронов в потоке (см. табл. 1 на стр.).

 

 

Контрольные вопросы и задания:

 

1. Назовите виды корпускулярного и электромагнитного ионизирующих излучений.

2. Что означают термины «естественная радиоактивность», «искусственная радиоактивность»?

3. Какие единицы используются для измерения энергии ионизирующих излучений?

4. Каково происхождение характеристического, «линейчатого» спектра рентгеновского излучения?

5. В чем сходства и различия рентгеновской трубки и электронно-лучевой трубки?

6. Существует ли рентгеновское излучение естественного происхождения? Ответ обоснуйте.

7. Объясните сходства и различия в понятиях «источник ионизирующих излучений» и «радионуклидный источник».

8. Как Вы понимаете словосочетание «стохастические эффекты облучения». Приведите примеры стохастических эффектов.

9. Относится ли отработавший свой ресурс рентгеновский аппарат к радиоактивным отходам?

10. Приведите примеры реакций a- распада.

11. В процессе радиоактивного распада образовалось новое ядро с тем же массовым числом, но с другим значением заряда. По какому типу распада произошла ядерная реакция?

12. В ядерной реакции появились дочерние ядра со значением заряда меньшим на 2, чем у материнских ядер. Какое излучение сопровождает эту реакцию?

13.Какие типы ионизирующих излучений могут возникать при работе телевизора, монитора персонального компьютера?

14.Может ли один и тот же радионуклид испускать одновременно: а) a- и b - излучения;

б) a- и g - излучения; в) g -и b - излучения.

15.Будут ли идентичны спектры излучения двух рентгеновских трубок, если анод одного из них сделан из вольфрама, другого – из ванадия? Ответ обоснуйте.

16.Как изменится спектр излучения рентгеновской трубки при повышении напряжения между катодом и анодом?

17. Дайте объяснения терминам «радионуклид», «радиоактивный изотоп». Приведите примеры естественных радионуклидов.

18. Как вы понимаете термины «жесткое ионизирующее излучение», «мягкое ионизирующее излучение»? Как можно регулировать жесткость излучения рентгеновского аппарата?

 

 

Задачи

 

1. Какой наименьшей длиной волны будет обладать излучение рентгеновского аппарата, если напряжение между анодом и катодом составляет 100 кВ?

2. Каково напряжение между электродами в рентгеновской трубке, если минимальная длина волны в спектре излучения 0,1 нм?

3. Чему равна начальная энергия квантов рентгеновского излучения с частотой n = 10¹² МГц?

4. Рассчитайте энергию квантов g - излучения с длиной волны λ = 3·10^-3 нм.

5. Начальная энергия квантов g - излучения Е₀ = 8,26 МэВ. Какая длина волны у этого излучения?

 

 

Таблица 2

Предполагаемые причины инактивации ферментов облученных в водных растворах

(Окада, 1974)

 

Фермент	Причина инактивации при облучении
Рибонуклеаза Дезоксиробинуклеаза Фосфоглюкомутаза Каталаза   Фософоглицеридаль-дегиддегидрогеназа   АТФ-аза, сукцинат- оксидаза, глутамат- дегидрогеназа, лактат- дегидрогеназа, алка- гольдегидрогеназа	разрушение остатков метионина разрушение остатков триптофана разрушение остатков гистидина разрушение гемопорфириновой группы в ак- тивном центре фермента деструкция SH -групп цистеина и окисление SH -групп окисление и деструкция SH -групп

 

Анализ экспериментов с облучением белковых препаратов позволило выявить следующие типы повреждений этих молекул.

* Изменение аминокислотного состава.

* Нарушение высших (четвертичной, третичной и вторичной) структур молекул

* Возникновение разрывов полипептидной цепи.

* Появление агрегатов молекул с высокими молекулярными массами.

* Разрыв SH-связей и возникновение свободных SH- групп

* Разрушение аминокислотных остатков.

 

Большое число исследований посвящено выяснению механизмов поражения молекул нуклеиновых кислот в водных растворах. При помощи методов седиментации, хроматографии, электрофореза зарегистрированы появление поперечных сшивок и одиночных разрывов полинуклеотидных цепей в растворах ДНК после облучения. Показано, что возникновение однонитевых разрывов связано с повреждением азотистых оснований вследствие их взаимодействия с радикалами ОН^· Потеря инфекционной активности ДНК фага j 29 происходит в результате двухнитевых разрывов цепи. Вероятность появления двухнитевых разрывов пропорционально дозе облучения. Двухнитевые разрывы в молекуле ДНК появляются в результате накопления одиночных разрывов, т.е. при совпадении близкорасположенных разрывов в каждой цепи.

Расчеты показывают, что уже при поглощенной дозе 1 Гр в каждой клетке человеческого организма повреждается до 5000, что приводит к возникновению около 1000 одиночных и до 100 двойных разрывов нуклеотидов в молекулах ДНК.

Схематично представить процессы, происходящие в облученных клетках и живых организмах можно следующим образом:

Молекулы, атомы ® ионы, свободные радикалы ® изменения в органических молекулах ® радиобиологический эффект (например, мутация, болезнь, гибель).

Конечный (радиобиологический) эффект зависит от типа и дозы, от условий облучения и от свойств облучаемого ионизирующего излучения, объекта.

 

 

Вопросы и задания.

1. За счет какого механизма (прямого или косвенного) происходит инактивация рибулозадифосфаткарбоксилазы листьев при облучении растений γ- излучением.

2. Опишите, какие повреждения структуры молекул могут возникать при облучении рентгеновскими лучами: а) лиофильного высушенного препарата ДНК б) водного раствора ДНК.

3. При облучении тканей происходит нарушение специфических свойств и функций биологических мембран, в частности нарушается избирательная проницаемость клеточной мембраны. Какие изменения в структуре мембран приводят нарушению функций мембран?

4. Чем Вы объсните неодинаковую радиочувствительность различных ферментов? Дайте объяснения данным, приведенным на рис.3.

5. Какие методы можно использовать для определения радиочувствительности молекул белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов?

6. Почему при растворении кристаллов трипсина в буфере, радиочувствительность молекул повышается в десятки и сотни раз?

7. Опишите физико-химические процессы, происходящие при облучении дистиллированной воды.

8. Какие типы реакций могут иметь место при облучении а) раствора уксусной кислоты; б) раствора олеиновой кислоты; в) раствора глицина; г) раствора белка; д) раствора ДНК.

9. Будут ли одинаковы велечины LD_50, для молекул фермента в растворенном состоянии, в среде с кислородом и в среде без свободного кислорода.

10. Опишите схематично процессы, происходящие при облучении живых организмов ионизирующими излучениями.

 

 

Задачи.

1. Рассчитайте величину поглощенной дозы при инактивации 50 % молекул, если число мишеней равно 1.

2. Постройте дозовую кривую инактивации фермента по следующим данным: LD₁₀₀ = 500 Гр, LD₇₅ = 450, LD₅₀ =300 Гр, LD₃₇ = 180 Гр.

3. При облучении раствора ДНК было повреждено 300 азотистых оснований, что составило 10 % от количества азотистых оснований в одиночной цепи ДНК. Рассчитайте молекулярную массу облучаемой молекулы ДНК.

4. При какой дозе облучения инактивруется 80 % молекул РНК-азы (по данным рис. 3)

5. Во сколько раз снижается активность химотрипсина при повышении поглощенной дозы от 100 до 1000 Гр (по данным рис. 3).

 

 

Лекция 7. Действие ионизирующих излучений на клетку. Радиочувствительность клеток.

 

Любой радиобиологическийх эффект, проявляющийся на уровне органа и целого организма, возникает на клеточном уровне. Экспериментально показано, что облучение может повреждать все внутриклеточные структуры. Реакции на облучение на клеточном уровне могут проявляться в разнообразной форме: от незначительного повреждения отдельной структуры клетки до полной деградации и лизиса клетки. Степень выраженности клеточных реакций на облучение зависит, в большей степени, от количества поглощенной энергии (дозыионизирующего излучения), в меньшей степени, от генетической конституции и физиологического состояния клетки. Как известно, жизнь клетки между двумя последовательными делениями (от деления до деления) называют интерфазой. Условно интерфаза подразделяется на три периода: синтетический или S-период, в течение которого происходит синтез (удвоение) ДНК, предсинтетический G₁- период и постсинтетический G₂ –период. Митоз (деление соматических клеток) обозначают символом М. Продолжительность различных периодов клеточного цикла у разных клеток неодинакова. Как правило, для большинства типов клеток, по продолжительности различные клеточные фазы, располагаются следующим образом: М < G₂ < S < G_1. Абсолютная продолжительность периодов зависит от типа клеток. В малообновляющихся тканях млекопитающих (например, в нервной ткани) большинство клеток находится в G₁- периоде в течение длительного промежутка времени, от нескольких месяцев до нескольких десятков лет. Тогда как клетки регенерирующих тканей, например, клетки крипт кишечного эпителия человека делятся в среднем через каждые 20 часов (G₁-период занимает 10 ч, S-период - 8 ч, G₂ -период и митоз - 2 ч).

Часть лучевых повреждений могут легко переноситься клеткой, так как они являются повреждениями множественных структур, утрата которых быстро восстанавливается. Легко переносимые и быстро восстанавливающиеся повреждения клетки, проявляются в виде физиологических или кумулятивных эффектов (реакций). К таким повреждениям относятся, например, нарушения структуры отдельных макромолекул, отдельных органоидов, незначительные нарушения в структуре плазмалеммы. Такие структурные изменения могут выхзвать нарушения отдельных стадий метаболизма клетки, например, инактивацию ферментов, нарушения окислительного фосфорилирования в митохондриях, нарушения обмена белков, НК, углеводов и т. д. Как правило, эти реакции проявляются сразу после облучения и с течением определенного промежутка времени исчезают. Наиболее универсальной физиологической хорошо изученной реакцией клетки на облучение является временная задержка процесса клеточного деления (радиационное блокирование митоза). Суть ее состоит в том, что интерфазная клетка, облученная в определенной дозе, не начинает делиться в ожидаемый момент, а приступает к делению через определенный промежуток времени.Эта реакция является универсальной, т.е. проявляется у различных типов клеток всех живых организмов. Задержка клеточного деления хорошо изучена и в количественном отношении на клетках различных групп живых организмов. Выраженность и продолжительность времени задержки клеточного деления зависит от дозы ионизирующего излучения, от типа клетки и от того, на какой стадии клеточного цикла произошло облучение. Наибольший эффект наблюдается при облучении клеток находящихся в S-периоде и G₂ –периоде. Судьба облученных клеток после задержки деления может быть различной, она также зависит от величины поглощенной дозы. Большая часть облученных клеток после задержки деления проходит митоз и делится. Часть из них после этого гибнет, еще больше клеток гибнут после второго, третьего и последующих делений. Часть облученных клеток и их потомков, вступив в митоз, не способны разделиться. В результате возникают так называемые гигантские клетки, по своим размерам в десятки и сотни раз больше нормальных клеток.

Длительность задержки клеточного деления зависит от поглощенной дозы излучения: чем выше доза, тем больше время задержки деления. В результате проведения многочисленных экспериментов установлено, что для большинства изученных типов клеток, время задержки деления составляет примерно 1 час на каждый 1 Зиверт эквивалентной дозы. Таким образом, универсальность этой реакции клеток на облучение проявляется и в количественном отношении. Необходимо отметить, что с увеличением дозы излучения возрастает не доля прореагировавших клеток, а продолжительность времени задержки деления каждой клетки. В этом состоит принципиальное различие физиологических эффектов облучения от летальных поражений клеток. Продолжительность задержки клеточного деления зависит и от стадии клеточного цикла, на которой находилась облученная клетка. Наиболее длительно время задержки при облучении клеток в S-периоде и G₂ –периоде, самое короткое – при облучении в митозе. Большинство клеток, вступивших в митоз, даже при облучении очень высокими дозами, заканчивают деление без задержки.

Молекулярные механизмы, ответственные за задержку клеточного деления, пока не известны и они активно обсуждаются. Многие исследователи связывают торможение митозов с подавлением синтеза ДНК. Однако, экспериментальные данные свидетельствуют, что снижение содержания ДНК в клетках является не причиной, а следствием задержки деления. Предполагается, что блокирование митозов вызывается повреждением внутриклеточных структур, ответственных за регуляцию процесса деления ядра и клетки. По-видимому, задержка клеточного деления не является специфическим ответом на действие ионизирующего излучения, а представляет универсальный защитный механизм организма на любые внешние воздействия. Задержка клеточного деления реакция наблюдается и при действии на организм или на культуру клеток других физических и химических факторов.

Задержку клеточного деления на определенное время необходимо отличать от полного подавления митозов при высоких дозах облучения, когда клетка в течение значительного промежутка времени продолжает функционировать, но необратимо утрачивает способность к делению. Интервал доз, в котором происходит временная задержка деления клеток, зависит радиочувствительности организма и от типа облучаемых клеток. Так, для большинства типов делящихся клеток млекопитающих этот интервал находится в пределах от 0 до 10 Зв.

 

Летальные реакции клеток. Формы клеточной гибели при облучении.

 

В радиобиологии принято различать две формы гибели клеток: репродуктивную и интерфазную гибель. Под репродуктивной гибелью подразумевается утрата клеткой способности к неограниченному размножению (пролиферации), т.е. к образованию клона. Репродуктивная гибель клеток заключается в необратимой потере способности к делению, облученными клетками или их потомками. Репродуктивная гибель клеток имеет место при относительно невысоких дозах облучения. Этот радиобиологический эффект хорошо изучен количественными методами на различных типах клеток. Репродуктивная гибель делящихся клеток происходит не сразу после облучения, а постепенно, в процессе нескольких циклов деления. Так показано, что при облучении культуры фибробластов мышей в дозе 4 Гр, около 80 % клеток заканчивали 1 деление, а второе и третье деление завершали только 30 % начавшихся делиться клеток. Репродуктивная гибель клеток проявляется в образовании гигантских клеток в результате слияния нескольких клеток или при длительной задержке цитокинеза.

Вторая форма радиационной гибели клеток - интерфазная гибель - наступает при облучении клеток высокими дозами радиации. Интерфазная гибель клетки обуславливается появлением в ее структуре значительных нарушений, после которых она теряет способность к функционированию как живая система. При очень высоких поглощенных дозах (сотни и тысячи Грей) гибель клеток наступает мгновенно или вскоре после облучения. В диапазоне небольших доз (до 10 Гр для клеток млекопитающих) гибель клеток наступает в первые часы после облучения. Интерфазную гибель клеток можно зарегистрировать цитологическими методами: на препаратах облученных клеток хорошо видны различные дегенеративные изменения в структуре (лизис ядра, разрывы мембран, хромосомные аберрации). У мертвых клеток изменяются биохимические и физиологические параметры: теряется избирательная проницаемость плазмалеммы, активируются гидролитические ферменты, подавляется процесс клеточного дыхания. Одним из универсальных показателей интерфазной гибели клеток является окрашиваемость цитоаплазмы клеток различными красителями. Окрашивание цитоплазмы связано с потерей избирательной проницаемости клеточной мембраны, и неспособностью мертвой клетки удалять из цитоплазмы красители.

При анализе облученной популяции клеток, можно руководствоваться следующей закономерностью: чем выше поглощенная доза и радиочувств