Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

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 макромолекулы, 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 свободнорадикальных процессов накапливаются продукты перекисного окисления, в первую очередь перекиси и гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот. 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 обладают выраженными радиомиметическими свойствами: под их влиянием в клетках возникают повреждения, 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 клеток.

К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов - хиноны и семихиноны. Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки. Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности гиалуроновой кислоты, нарушения первичной и вторичной структур ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т. п.

Реакции клеток на облучение

Молекулярные повреждения изменяют ход обменных процессов, осуществляющихся при участии поврежденных структур. Поскольку локализация и характер первичных повреждений в той или иной молекулярной структуре клетки носят 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. Этот феномен получил наименование биологического усиления первичного радиационного повреждения. Однако, наряду с этим, в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций.

Биологическое усиление радиационного поражения

Наиболее значимы для судьбы облученной клетки изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК, повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК, в связи с увеличением проницаемости внутриклеточных мембран. Распад ДНК приводит к повышению содержания в крови и моче облученных нуклеотидов и продуктов их разрушения азотистых оснований, нуклеозидов, мочевой кислоты и др.

Синтез РНК снижается в меньшей степени, чем ДНК. Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Эта активация проявляется повышением уровня свободных аминокислот и других аминосоединений в тканях и жидкостях организма, аминоацидурией, развитием отрицательного азотистого баланса. Повышается активность протеолитических ферментов в крови, тканях, моче. Нарушается активность ингибиторов протеаз. Биосинтез белка нарушается мало. Однако продолжающийся синтез белка в сочетании с глубоким снижением или даже прекращением синтеза ДНК может привести к серьезным нарушениям структуры и пространственной организации нуклеопротеидных комплексов. Распад комплекса ДНК - гистон облегчает доступ мутагенов к освобожденным от связей с белком участкам ДНК.

В высокорадиочувствительных клетках уже после облучения в сравнительно невысоких дозах отмечается нарушение окислительного фосфорилирования.

В клетках кроветворных тканей угнетение окислительного фосфорилирования выявляется уже через 2-4 ч после облучения, параллельно с глубоким распадом ДНК. Нарушение синтеза АТФ является пусковым звеном в послелучевой деградации ДНК. Нарушение синтеза макроэргов может сказаться в частности на работе системы ферментов репарации ДНК.

Таким образом, подавление окислительного фосфорилирования играет заметную роль в радиационном поражении генетических структур клетки.

Тканевое дыхание и окислительное фосфорилирование в клетках -перенесшего облучение организма, как правило, довольно быстро восстанавливаются.