3. Биологическое действие ионизирующих излучений
3.1. Механизм биологического действия излучения
Биологическое действие ионизирующего излучения условно можно подразделитъ на:
1) первичные физико-химические процессы (первичные ФХП), возникающие в молекулах живых клеток и окружающего их субстрата;
2) нарушения функций целого организма как следствие первичных процессов.
В свою очередь, первичные ФХП происходят как в результате прямого, так и косвенного воздействия излучения:
Прямое действие излучения на живую ткань –
заключается в том, что после поглощения энергии излучения в ней возникают возбуждение и ионизация атомов, вследствие чего:
а) облученные клетки частично гибнут;
б) в межклеточном пространстве в результате расщепления находящихся там молекул воды образуются свободные радикалы, являющиеся сильнейшими окислителями и играющие главную роль в дальнейшем, т.е. косвенном воздействии излучения.
Рассмотрим сначала механизм повреждения клеток непосредственно излучением.
1. Четыре нуклеотидных основания, выполняющие определенные функции и состоящие из атомов кислорода, азота, водорода и углерода.
2. Двадцать аминокислот.
3. Ковалентные связи, соединяющие аминокислоты (через общие электроны).
Рис. 26. Модель молекулы ДНК
Из биологии вам известно, что основу жизни на Земле составляют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), строение которой вы видите выше на Рис. 26.
Пространственно молекула представляет собой двойную закрученную спираль, у которой основания попарно соединены. Последовательность трех оснований в цепи ДНК кодирует одну определенную аминокислоту. Каждый участок в цепи молекулы ДНК, который кодирует определенный белок, образует ген.
При облучении молекулы ДНК гамма-лучи и бета-частицы возбуждают молекулу в целом, но разрыв в ней происходит в самом слабом месте - разрываются связи между аминокислотами (выбиваются электроны из ковалентных связей). Однако молекула может противостоять облучению, вырабатывая в основаниях фермент, восстанавливающий до семи разорванных связей. Такая способность молекулы позволила сохранить жизнь на Земле в условиях постоянного естественного облучения. Но если количество разорванных связей больше семи, то молекула погибает. Она также погибает при разрушении основания, независимо от количества разрушенных ковалентных связей. Следовательно, в молекуле ДНК могут разрушаться гены, белок и основание.
Молекула ДНК составляет основу человеческих клеток, устройство которых представлено далее на Рис. 27.
Человеческая клетка представляет собой “мешок”, называемый цитоплазматической мембраной (5), внутри которой в плазме (4) находятся ядро (1), представляющее молекулу ДНК, а вокруг него 46 молекул хромосом (2), молекулы РНК, АТФ, молекулы белка (6) и ферментов (7).
Все они выполняют разные функции:
- транспортные;
- информационные;
- памяти;
- источников энергии;
- и др.
Рис. 27. Устройство человеческой клетки
Молекула РНК (рибонуклеиновая кислота) осуществляет синтез белка следующим образом:
- в желудке пища делится на аминокислоты, которые затем попадают в кровь и через кровеносные сосуды (3) – к клеткам;
- РНК клетки “подплывает” к кровеносному сосуду, забирает аминокислоту и транспортирует ее в необходимое место клетки для синтеза белка.
При облучении клетки ИИ цитоплазматическая мембрана (5) в отдельных местах разрывается. В этом случае ядро клетки вырабатывает ферменты, которые молекулы РНК транспортируют в точки разрыва для ‘зашивания” дырок, вместо того чтобы транспортировать аминокислоты от кровеносных сосудов для синтеза белка.
При малых дозах облучения ферменты способны “зашить” дырки, и молекулы РНК снова начнут выполнять свои основные функции. Однако при больших дозах все дырки не “зашиваются” и из клетки вытекает плазма, молекулы РНК выполнять свои функции не в состоянии. Синтез белка сначала замедляется, а затем полностью прекращается, и клетка гибнет. В процессе облучения могут повреждаться хромосомы (2) и гены, что может сказаться на потомстве.
Облучение в момент деления клеток может привести к заболеванию раком.
Наиболее чувствительны к радиации красный костный мозг и половые клетки, а также клетки женского плода. Более устойчивы к радиации клетки нервной системы, кровеносных сосудов, костей и мышц.
Очень важную роль в организме играет белок, представляющий собой последовательность аминокислот. Он выполняет следующие функции:
- транспортные,
- структурные (как строительный материал),
- дыхательные — за счет гемоглобина, катализатора биохимических реакций и др.
При облучении белка разрываются ковалентные связи между аминокислотами, в результате чего белок перестает выполнять свои функции, что особенно опасно для иммунной системы: ослабляются защитные свойства организма и создаются благоприятные условия для размножения микробов; кроме того, неполноценность белка проявляется в патологии различных органов, в аллергических реакциях.
Вторая составляющая прямого действия излучения на живую ткань, как уже говорилось выше, заключается в образовании свободных радикалов из молекул воды, составляющих в среднем около 75 % общей массы тела человека, например:
H2O+→H+ + OH0, H2O+→ OH - + H0, где
H2O+ - положительный ион молекулы воды;
H+ и OH - - свободные радикалы водорода и кислотного остатка.
Кроме того, при ионизации более сложных молекул, чем вода, в присутствии кислорода образуются два сильнейших окислителя: гидроперекись водорода HO2 и перекись водорода H2O2.
Следует заметить, что прямая ионизация и передача энергии ионизирующего излучения тканям тела не объясняет повреждающего действия излучения – так при абсолютно смертельной дозе для человека в 6 Гр на все тело в 1 см3 ткани образуется 1015 ионов, что составляет всего одну ионизированную молекулу на 10 млн. молекул.
Косвенное действие излучения на живую ткань является повреждающим – и
заключается в следующем:
- образовавшиеся в результате прямого действия излучения свободные радикалы
H+, OH -, гидроперекись HO2 и перекись водорода H2O2 и другие, как сильнейшие окислители вступают в химические реакции с неповрежденными излучением молекулами живой ткани (в первую очередь белков и ферментов), окисляя их и образуя новые химические соединения, не свойственные организму человека, называемые токсинами и являющиеся клеточным ядом;
- этот процесс нарастает лавинообразно по принципу цепной реакции, вовлекая в свой круг сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением;
- в результате начинается нарушение нормального течения биохимических процессов организма: обменных, роста тканей и т.д.) вследствие таких возникающих в клетках изменений, как:
а) повреждения механизма митоза (деления) и хромосомного аппарата облученной клетки;
б) блокирования процессов обновления и дифференцировки клеток;
в) блокирования процессов физиологической регенерации (восстановления) тканей.
Таким образом, изменения на клеточном уровне, гибель клеток приводят к таким нарушениям в тканях, в функциях отдельных органов и в процессах, протекающих между органами, которые вызывают различные последствия и даже гибель организма.