Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

В молекулах малого размера атомы прочно связаны между собой ковалентными связями и поэтому такие молекулы обладают малой радиопоражаемостью. Макромолекулы имеют вторичную, третичную, четверичную структуру, которые поддерживаются более слабыми связями – водородными, ионными и пр. которые и разрываются в первую очередь. За счет этого макромолекулы повреждаются в большей степени.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК.

По механизму передачи энергии биомолекулам различают прямое и непрямое действие ИИ.

При прямом действии происходит поглощение энергии непосредственно молекулой ДНК с ионизацией или возбуждением её атомов.

 Эффект ионизации сводится к потере атомами биомолекулы одного или нескольких электронов.

 Возбужденное состояние характеризуется переходом электронов на более высокий энергетический уровень, в результате чего такие атомы пребывают в неустойчивом состоянии и легко диссоциируют с образованием свободных радикалов.

 Все эти изменения приводят к повреждению ДНК (разрыв фосфоэфирных связей в ДНК, связей ДНК-белок, распад структурных компонентов (напр. дезоксирибозы) ДНК, повреждения ДНК-мембранного комплекса, окисление химических групп и образование «сшивок» между молекулами ДНК (ДНК-ДНК), нарушение вторичной, третичной и четвертичной структуры) в результате чего нарушается её биологическая активность.

Непрямое действие ИИ - это действие на ДНК при посредстве активных продуктов, образующихся из молекул посредников (продукты радиолиза воды и первичные радиотоксины – липидные и хиноновые). Под их влиянием в клетках возникают повреждения, во многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением.

 Из всех первичных радиохимических превращений наибольшее значение имеет ионизация молекул воды (радиолиз воды), в результате которой образуются свободные радикалы с дальнейшим образованием перекиси водорода и др. высокоактивных соединений.

 В липидах в присутствии кислорода при взаимодействии с ИИ накапливаются продукты перекисного окисления перекиси, гидроперекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны и пр. Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболизма в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения. Некоторые продукты ПОЛ обладают выраженными радиомиметическими свойствами (первичные радиотоксины). Липидные радиотоксины изменяют свойства внутриклеточных мембран, их проницаемость, способствуют высвобождению ферментов.

 К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов: хиноны и семихиноны.

Реакции клеток на облучение

В клетках формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации тканевом, органном, системном, организменном.

Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ИИ, изменяют ход обменных процессов с участием поврежденных структур. Локализация и характер первичных повреждений в структурах клетки носит в значительной степени вероятностный характер, весьма разнообразны и связанные с ними изменения метаболизма.

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке - это "биологическое усиление" первичного радиационного повреждения (наиболее значимы для судьбы облученной клетки изменения нуклеинового и белкового обмена, окислительного фосфорилирования).

Нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК.

Но в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Наиболее важной является система ферментативной репарации повреждений ДНК.

Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено.

Формы лучевой гибели клеток

Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток.

Различают две основные её формы:

репродуктивную (митотическая), т. е. непосредственно связанную с процессом деления клетки.

интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.