7.3.4. Действие ионизирующих излучений на молекулярном уровне.

Радиационные поражения молекулярных структур сводятся к изменениям белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов. При действии ионизирующих излучений на белковые молекулы происходят изменения в аминокислотных остатках, образующих макромолекулу белка. Облучение белковых растворов приводит к изменениям конфигурации белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеродных связей. Данные процессы наблюдаются при достаточно высоких дозах облучения – порядка сотен Грей и более. Специфической реакцией белков на облучение, при которой белок переходит в нерастворимую форму без изменения химического состава является денатурация.

При облучении целостного организма, в первую очередь, изменяется содержание свободных аминокислот в тканях. Так, общее облучение экспериментальных животных дозой 5 Гр понижает уровень метионина (важнейшего донора метильных групп) на 75%, триптофана – на 26%. Эти изменения оказывают большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому замедлению биосинтеза белков. В тканях облученных животных отмечается уменьшение содержания сульфгидрильных групп, которое можно отнести к ранним радиационным повреждениям. Пострадиационные изменения структуры белков сказываются на способности данных молекул выполнять свойственные им функции. Так, ферменты теряют способность регулировать процессы обмена веществ в организме. Однако, учитывая, что живой организм состоит из достаточно большого количества белковых молекул, которые постоянно обновляются за счет синтетических процессов, то при небольших дозах облучения поврежденные белковые молекулы могут заменяться идентичными вновь синтезированными.

Исследованиями доказано, что в развитии лучевого поражения организма особое место принадлежит молекулярным повреждениям ДНК. Поглощенная энергия излучения может мигрировать по макромолекуле, реализуясь в слабых местах. В данном случае это могут быть хромофорные группы тимина. Радиационное воздействие может вызвать 4 основных типа повреждений молекулы ДНК: одиночные разрывы; двойные разрывы; повреждения азотистых оснований; межмолекулярная сшивка. Установлено, что при дозе облучения 1 Гр в молекуле ДНК возникает 1000 одиночных и от 10 до 100 двойных разрывов. При поврежденной структуре ДНК включаются механизмы восстановления (репарации), которые обеспечивают «вырезание» участка цепи ДНК, содержащей поврежденные нуклеотиды, и синтез нового участка, точно повторяющего поврежденный.

Данные репарации могут быть: безошибочными, т.е. не вызывать в дальнейшем мутаций или летального исхода; ошибочными, когда возможны летальные или не летальные мутации; неполные, которые не обеспечивают восстановление непрерывности нитей ДНК. В клетках млекопитающих скорость репаративных механизмов достаточно высокая. Экспериментальные данные свидетельствуют, что при нормальной температуре половина радиационных одиночных разрывов молекулы ДНК восстанавливается в течение 15 минут. При этом число одиночных разрывов линейно зависит от дозы облучения. И даже при малой дозе облучения должно возникнуть определенное число одиночных разрывов. Эффективность их восстановления будет зависеть от ряда факторов, в том числе и от способности клетки и организма в целом к восстановлению.

При действии ионизирующих излучений на липиды происходит их перекисное окисление и образование перекисей, которым придают особое значение в развитии лучевого поражения. Суть химической реакции заключается в том, что молекула липида переходит в свободнорадикальное состояние. Этот процесс при участии кислорода становится цепным и уже не зависит от внешнего действия излучений. Схема реакций может быть представлена следующим образом:

ROOH — R^*

} начальное образование радикалов

ROOH — ROO^*

R^* + О₂ — RО₂^*

} цепные реакции

RОО^* + RН — RООН + R^*

Считается, что образование перекисей обусловлено не столько прямым радиационным воздействием, сколько результатом угнетения веществ, обладающих антиоксидантным действием. Процессы окисления липидов, в первую очередь, сказываются на структуре мембран, поскольку липиды являются их основой. В мембране возникают различные дефекты, вплоть до полного разрушения. Кроме того, обнаружены изменения в липопротеинах внутриклеточных структур и, в частности, в митохондриях и микросомах. Облучение организма может приводить к перераспределению липидов в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови.

Углеводы представлены в природе моносахаридами и полисахаридами. Облучение простых сахаров значительными дозами приводит к их окислению и распаду с образованием органических кислот и формальдегида. Облучение полисахаридов вызывает разрыв углеродных связей, нарушение их структуры, изменение физико-химических свойств и образование более простых молекул. Например, облучение раствора крахмала сопровождается значительным снижением его вязкости и появлением простых сахаров (глюкозы и мальтозы).

При воздействии в дозах от 5 до 10 Гр выявлены изменения в мукополисахаридах (понижается вязкость гиалуроновой кислоты, теряется ее способность к соединению с белком). Облучение гепарина приводит к потере им антикоагулянтных свойств. Воздействие излучений на уровне целостного организма сопровождается понижением содержания гликогена в скелетных мышцах, печени и других тканях, как предполагают, в результате нейрогуморальной реакции на облучение. Обнаружены также нарушения процессов анаэробного гликолиза и обмена высокополимерных полисахаридов (гиалуроновой кислоты и гепарина).