Первичные стадии в действии излучений

В действии ионизирующих излучений на биологический объект выделяют несколько стадий.

В стадии физических процессов образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.

На стадии физико-химических явлений поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны. Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах. В белковых молекулах – это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы ( например, триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах – это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые ) основания. Разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью.

Во время химической стадии образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции как между собой, так с другими молекулами.

Названные эффекты могут быть следствием поглощения энергии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В это случае говорят о прямом действии излучения. Энергия излучения может также поглощаться молекулами воды, которые подвергаются радиолизу. Повреждение биомолекул химически высокоактивными продуктами радиолиза воды называют непрямым действием излучения.

Рассмотренные стадии в действии излучений получили наименование первичных. Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени ( в пределах 1 миллисекунды) и являются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материю.

Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время и продолжается в течение всей жизни.

Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

Относительное количество молекул малого размера, повреждаемых в течении первичных стадий действия излучений, невелико. При дозе облучения 10 Гр (абсолютно летальная доза для млекопитающих) из числа молекул, находящихся в клетке, доля поврежденных составляет для углеводов 0,015%, для нуклеотидов – 0,023%, для аминокислот – 0,36%. Такое незначительное число поломок молекул, из числа содержащихся в клетке, не может существенно сказаться на жизнедеятельности клетки. Если эти малые молекулы являются компонентами полимерных соединений, их относительная поражаемость оказывается еще меньшей. Однако, в расчете на одну макромолекулу, в полимерах с большой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. В растворах белков при облучении их в той же дозе возникает 1 повреждение на 100 молекул, а в молекулах ДНК – 220 на 1 молекулу. В каждой молекуле ДНК оказываются пораженными около 10 нуклеотидов.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК. Это повреждения, лежащие в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК: химическая модификация пуриновых и пиримидиновых оснований, их отрыв от цепи ДНК, разрушение фосфоэфирных связей в макромолекуле, распад дезоксирибозы. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК – ДНК и ДНК-белок, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структур этого биополимера.

В липидной фракции в присутствии кислорода вследствие активации свободно-радикальных процессов накапливаются продукты перекисного окисления, в первую очередь перекиси и гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот. В ряде случаев окислительные процессы в липидах могут принять цепной характер. Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболических процессов в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения. Некоторые продукты перекисного окисления липидов (гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны) обладают выраженными радиомиметическими свойствами: под их влиянием в клетках возникают повреждения, во многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением. Такие продукты получили наименование первичных радиотоксинов. Липидные радиотоксины, в частности, изменяют свойства внутриклеточных мембран, их проницаемость, способствуют высвобождению ферментов. Они нарушают регуляцию биохимических процессов, вызывают глубокие нарушения ультраструктуры клеток.

Активации процессов перекисного окисления липидов способствует снижения активности собственных антиокислительных систем клетки. Это обусловлено как радиационными разрушением естественных антиокислителей в клетке, которыми являются в первую очередь фосфолипиды, так и разрушением фосфолипидов в результате активации цепной окислительной реакции.

К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов – хиноны и семихинолы.

Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки. Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности гиалуроновой кислоты, нарушения первичной (в следствии избирательного поражения отдельных аминокислот) и вторичной структур ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т. п.