Лекция 5 РЭ. Действие ионизирующих излучений на живые организмы. Теоретические представления о механизмах действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Теория мишеней. Зависимость биологического эффекта от поглощенной дозы.

Количественные эксперименты в радиобиологии начали проводиться с 20 годов 20 века. Представители различных групп организмов подвергались действию рентгеновского излучения и излучению радия. Интенсивным радиобиологическим исследованиям в этот период способствовало бурное развитие ядерной физики и биологической науки. К этому времени, в физике начинается широкое использование методов дозиметрии и радиометрии, соответственно, у радиобиологов появляется возможность регламентации доз облучения. Для проведения количественных экспериментов исследователи начали использовать гомогенные растворы макромолекул, клоны генетически однородных вирусов, клеток , т.е. такие системы, в которых возможно определить реакцию единичного объекта на соответствующую дозу облучения. Очень важным для развития радиобиологической накуки явилось то, что зависимость биологического эффекта от дозы облучения исследователи начали выражать графически, в так называемых «дозовых кривых». Для построения таких графиков необходимо облучать большое количество живых объектов в определенном интервале доз, и определить число обьектов, сохранивших свои первоначальные свойства по отношению к общему их числу до облучения. Оказалось, уже при небольших дозах ( » 0,1 – 1рад) обнаруживаются погибшие клетки. Повышение дозы приводит к увеличению количества погибших клеток. Однако, даже при высоких дозах (4 -5 рад) сохраняется отдельные живые клетки. Аналогичная закономерность выявляется и при облучении раствора фермента рибонуклеазы: при небольших дозах определенное количество молекул фермента инактивируется, в то же время, и при очень высоких дозах сохраняются некоторое количество нативных макромолекул.

Анализ огромного экспериментального материала позволила выявить следующую закономерность: при самых малых дозах облучения обнаруживаются инактивированные молекулы, вирусы, клетки. . В то же время, и при больших дозах облучения, в дозах сотни и тысячи разпревышающих минимальные, определенное количество живых объектов сохраняют свои первоначальные свойства. По-другому, даже при очень высоких дозах облучения часть облученных живых объектов поражается ионизирующим излучением. Обнаруженную закономерность невозможно объяснить, исходя только из биологических особенностей объектов.

Объяснения этих фактов следует, видимо, искать в особенностях воздействия ионизирующих излучений на живые системы.

Впервые гипотезу, объясняющую характер зависимости радиобиологических эффектов от получаемых доз, предложил Ф. Дессауэр в 1920 гг, которая впоследствии получила развитие в работах Дж. Кроутера, Д.Ли, К. Циммера, Н.В. Тимофеева-Ресовского и получила название «теория мишеней». Деесауэр предположил, что большой радиобиологический эффект при ничтожном суммарном количестве поглощенной энергии обуславливается концентрацией энергии в малых объемах системы, приводя их к микролокальному разогреву. Основные положения гипотезы Дессауэра:

• Кванты и частицы ионизирующей радиации обладают огромной энергией, величина которой значительно превосходит энергию химических связей.

• Облучаемая живая система ( например, клетка, организм) состоит, с одной стороны, из менее важных (относительно безразличных) для жизнедеятельности, с другой, - весьма существенных для жизни этой системы микрообъемов и структур.

• В облучаемой системе при поглощении относительно небольшого количества общей энергии, в отдельных случайных и редкорасположенных микрообъемах концентрируется настолько большие порции энергии, которые могут привести к локальным изменениям в структуре системы. Эти изменения вызванные концентрацией энергии ионизирующих излучений можно сравнить с изменениями при локальном разогреве этих микрообъемов.

• Распределение «точечного тепла» является статистическим процессом. Конечный радиобиологический эффект зависит от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы внутри живой системы.

При облучении живых систем невысокими дозами, вероятность попадания энергии в жизненно важные объемы низкая, и наоборот, с повышением дозы, эта вероятность повышается. Из этого следует, что даже самые маленькая доза радиации может вызвать, соответственно, с малой вероятностью и малой частотой, биологический эффект, но и при очень высоких дозах есть вероятность сохранения неповрежденных объектов.

В соответствии с этой теорией, при интерпретации результатов радиобиологических экспериментов необходимо учитывать следующие физические принципы:

• транспортировка энергии ионизирующих излучений и поглощение ее облучаемыми объектами происходит дискретно

• акты взаимодействия квантов и частиц с молекулами, атомами (попадание) не зависят друг от друга и подчиняются Пуассоновскому распределению.

• радиобиологический эффект наступает, если число попаданий в некоторую чувствительный объем системы (мишень), равно определенному числу n.

Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений на молекулы.

Ионизация молекул при действии на них ионизирующих излучений приводит к инактивации или говоря иначе, полной или частичной утрате функциональной активности биологических молекул. Инактивация органических молекул, в т.ч. макромолекул, может происходить в результвате прямого или косвенного (опосредованного) воздействия на них ионизирующих излучений. Если инактивация молекулы произошла в результате непосредственного поглощения ею энергии кванта или частицы, то говорят о прямом действии ионизирующего излучения. Если инактивация макромолекулы происходит в результате химического взаимодействия ее с высокореакционными продуктами, возникшими в ее окружении при действии радиации, говорят о непрямом действии ионизирующего излучения.

Прямое действие ионизирующих излучений на макромолекулы заключается в сложной последовательности событий, происходящих от момента поглощения энергии молекулой и до появления стойких изменений в ее структуре и функционировании. Условно этот процесс можно разделить на 3 стадии. На первой, физической стадии происходит поглощение энергии кванта или частицы молекулой, появление возбужденных и ионизированных молекул, неравномерно распределенных в пространстве. Эти процессы протекают очень быстрои завершаются за 10^-16 - 10^-13 с. Вторая, физико-химическая стадия, включает различные реакции трансформации и перераспределения избыточной энергии молекул. На этой стадии появляются высокореакционные продукты радиолиза различных соединений: ионы, радикалы. Время протекания второй стадии составляет за 10^-13 - 10^-10 с. В течение третьей, химической стадии, ионы и радикалы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, образуя различные типы структурных повреждений. Эти реакции протекают в течение 10^-6 - 10^-3 с.

Повреждения структуры молекул приводят к изменениям функциональных свойств соответствующих макромолекул: белков, нуклеиновых кислот, липидов. Например, повреждение структуры нуклеотида в молекуле ДНК, может остановить процесс репликации, аминокислоты в молекуле белка- потере ферментативной активности. Конечно, к настоящему этапу развития биологии мы пока не в состоянии описать весь круг функциональных признаков, определяющих роль всех макромолекул в жизнедеятельности клетки и организма. Однако, в любом классе макромолекул (белках, НК, липидах, полисахаридах) есть четко охарактеризованные представители, обладающие четко определенными функциями. В качестве примера среди белков можно привести ферменты трипсин, химотрипсин, рибонуклеаза А, для которых известны мельчайшие детали структурной организации и четко определены выполняемые функции.

Анализируя инактивирующее влияние ионизирующих излучений на ферменты, прежде всего, определяются такие их свойства, как активность, субстратная специфичность, чувствительность к модификаторам активности. Изменение этих и некоторых других показателей в результате облучения означает инактивацию фермента. В опытах с молекулами нуклеиновых кислот критерием инактивации служит изменение инфекционности этих молекул, их трансформирующей активности и способности служить матрицей для синтеза полинуклеотидов.