книги из ГПНТБ / Дертингер Г. Молекулярная радиобиология. Действие ионизирующих излучений на элементарные биологические объекты

распада молекул TD. В этом случае Т(0,0) будет равна темпе­ ратуре облучения Т, в то время как inDt в знаменателе урав­ нения (7.13) будет соответствовать сечению, выше которого теп­ ловая волна увеличит температуру около значения TD во вре­ мя t. Сечение инактивации тогда выражается формулой

теплового распада макромолекул составляет примерно 10~я сек, значимость уравнения (7.14) ограничивается величинами ЛПЭ, превосходящими 103 Мэв-смг-г~1. Выбор температуры распада и удельной теплоемкости настоящая головоломка. Норман и Шпиглер [13] получили прекрасное описание зависимости се­

рис. 53 следовало бы разделить на две части, одна из которых должна лежать ниже, а другая выше значений, равных пример­

вого спайка, причем каждая из них обеспечивает необходимую пропорциональность ЛПЭ сечению инактивации в границах до­ стоверности. Общую температурную зависимость сечения в та­ ком случае можно описать уравнением

L/p

нии экспериментальных данных. Однако результаты, представ­ ленные на рис. 34, показывают, что по крайней мере зависи­ мость от ЛПЭ весьма точно описывается уравнением (7.15), поскольку после первоначального линейного подъема в соответ­ ствии с первым членом уравнения (7.15) и последующего сни­ жения наклон трех кривых вновь возрастает. Это может свиде­ тельствовать о влиянии второго члена уравнения (7.15).

Это обсуждение показало, что до полного понимания влия­ ний температуры на чувствительность облученных биомолекул еще очень далеко. Тем не менее исследования последних не­ скольких лет и сформулированные на их основании концепции о возможных механизмах действия могут служить отправным

ПО

Термином «кислородный эффект» обозначают явление, при котором радиочувствительность макромолекул и биологических систем, облученных в присутствии кислорода или на воздухе, обычно выше, чем при облучении в вакууме или в атмосфере инертных газов. Но все это относится только к ионизирующему излучению. В опытах с УФ-излучением кислородный эффект на­ блюдается крайне редко. Как и в случае с температурным эф­ фектом, кислородный . эффект несправедливо рассматривается как нежелательное побочное действие излучения. В действитель­ ности это явление имеет большое значение для интерпретации молекулярной природы радиационных повреждений. К сожале­ нию, в данном случае, как и во многих других областях радио­ биологии, экспериментальная работа в этом направлении ве­ дется явно недостаточно. Интерпретация многих аспектов кислородного эффекта встречает скорее недоумение, чем пони­ мание. Поэтому неудивительно, что до сих пор нет удовлетвори­ тельного объяснения кислородного эффекта. Тем не менее мы попытаемся описать кислородный эффект количественно с помощью известных физико-химических данных, учитывая при этом специфические стороны процесса инактивации микроорга­ низмов. Химические механизмы, лежащие в основе кислородного эффекта, будут рассмотрены в свете экспериментальных данных по инактивации биологических макромолекул при облучении.

8.1. Кислородный эффект в макромолекулах

Макромолекулы, о которых будет идти речь в этом разделе, представляют собой главным образом ферменты и нуклеиновые кислоты, причем наиболее важные и однозначные результаты были получены в опытах по инактивации ферментов. Кислород­ ный эффект почти всегда наблюдается при облучении сухих ферментов (рис. 54). Из значений D37, равных 20 и 42 Мрад, в атмосфере 62 и в вакууме соответственно выводится коэффициент аэробной и анаэробной чувствительности, равный 2,1. и известный как фактор кислородного эффекта. С другой стороны, эффект очень незначителен или же полностью отсутствует, если моле-

112

кулы облучаются в разбавленном водном растворе, т. е. в усло­ виях, при которых преобладает непрямое действие. При этом иногда даже наблюдаются защитные эффекты [5]. Это явле­ ние графически представлено на рис. 55, где изображены кри­ вые доза — эффект для инактивации трипсина, облученного в аэробных и анаэробных водных растворах. Радиочувствитель-

щий возможность одновременно сравнивать прямой и непрямой эффекты, приводится на рис. 56. Трипсин был облучен в сухом состоянии и в водном растворе, как в аэробных, так и в ана­ эробных условиях. В сухом состоянии фактор кислородного эф­ фекта, равный примерно 1,5, обнаружен во всем диапазоне температур, в то время как в условиях непрямого действия кис­ лородный эффект наблюдался только ниже точки замерзания. При температурах выше 0° С радиочувствительность неожиданно возрастала и кислород оказывал значительную защиту.

Фактор кислородного эффекта, который в опытах с сухими ферментами обычно 'равен 1,5—2, в водных растворах либо очень мал, либо совсем отсутствует. Иногда кислород может сказать даже защитное действие. Поначалу такое заявление должно вызывать удивление, так как фактор кислородного эффекта для ферментов, облучаемых в составе живых клеток, составляет 3 и более (рис. 57). Вопрос о том, связан ли этот

114

результат с метаболическими процессами в клетке, можно выяс­ нить с помощью того же самого эксперимента, используя гомо­ генизированные клетки. Этот опыт, однако, приводит к анало­ гичному результату. Следовательно, в клетке должны присутст­ вовать какие-то вещества, ответственные за проявление кисло­ родного эффекта.

кислорода лежат парамагнитные свойства молекул кислорода,

Это свойство кислорода не зависит от того, является ли М- ра­ дикалом облученной биомолекулы или же водным радикалом.

115

Кроме того, необходимо также учитывать способность электро­ отрицательного кислорода улавливать электроны по механизму, описываемому уравнением (6.27). Это имеет большое значение для понимания кислородного эффекта как в сухих, так и в водных системах.

В сухих системах радиосенсибилизирующее действие кисло­ рода можно объяснить, исходя из предположения о том, что не­ которые молекулы, изначально получившие повреждения, вос­ станавливаются в отсутствие кислорода (в следующей главе приведены данные, подтверждающие это предположение). Рести­ туция ионизированной молекулы МН+ может, например, проис­ ходить при нейтрализации заряда свободным электроном:

В присутствии кислорода ингнбируются оба процесса реститу­ ции, причем реакция (8.2) тормозится улавливанием электрона [см. уравнение реакции (6.27)], а процесс (8.3)—перокснда- цией радикала М" посредством реакции (8.1), вызывающей не­ обратимые повреждения.

Противоположные процессы имеют место при облучении водных систем, где кислород взаимодействует главным образом с радикалами водорода и гидратированными электронами. Эти реакции упоминались в разд. 6.5 при обсуждении улавливания радикалов, где они описывались уравнениями (6.27) и (6.28). Если Н* и е~ играют значительную роль в специфическом про­ цессе инактивации, то кислород может оказывать защиту по­ средством этих двух реакций (см. рис. 55). В случае, когда повреждение преимущественно вызывается радикалами ОН*, кислород, как правило, не оказывает большого влияния на ра­ диочувствительность растворенных макромолекул. Если при этом

чество радикалов ОН- . Именно поэтому очень важно точно раз­ личать способы действия кислорода в сухом состоянии и в раз­ веденных водных растворах.

Если кислород конкурирует с механизмами реституции по­ тенциальных повреждений в макромолекуле, то следует ожидать кислородного эффекта, как, например, в случае облучения фер­ ментов. Однако если роль кислорода как уловителя радикалов является главенствующей, то наблюдается защитный эффект.

116

только хорошо улавливать радикалы, но также участвовать в

щее, по всей вероятности, оба механизма. В аэробных условиях

Это в основном объясняется тем, что глутатион также действует как ловушка радикалов.

Ни в одном из приведенных примеров, в которых присутст­ вие кислорода способствовало увеличению радиочувствительно­ сти, нет истинной сенсибилизации, т. е. увеличения числа пер­ вичных повреждений. Потенцирующее действие кислорода всегда обусловлено торможением или полным прекращением процес­

должен быть меньше. По той же причине кислородный эффект не наблюдается в разбавленных водных растворах в отсутствие

Этим мы заканчиваем разбор молекулярных аспектов кисло­ родного эффекта, позволивший сделать важный вывод о том, что кислородный эффект в макромолекулах всегда связан с появле­ нием процессов реституции. Это предположение имеет принци­ пиальное значение также и для инактивации микроорганизмов, у которых макромолекула Д Н К служит первичной радиочувст­ вительной структурой.

8.2. Гипотеза кислородного эффекта

однако при этом включает предположение о том, что кислород­ ный эффект отражает конкуренцию между процессами восста­ новления и необратимой «пероксидацией» первичных поврежде­ ний (см. разд. 8.1). Самое удивительное в этой гипотезе то, что ее можно обобщить и применить к инактивации микроорганиз­ мов и, таким образом, получить информацию о природе основ­ ных молекулярных повреждений.

117

Отправным пунктом этой гипотезы является то, что если на графике отложить относительную радиочувствительность S,- (т. е. чувствительность в присутствии кислорода, деленную на

Так как при дозе D = D& в среднем имеет место одно поврежда­ ющее событие на объект, то величина 5 = 1/£>з7 есть мера отно­ шения между инактивирующим и общим повреждениями.

М а к р о м о л е к у л ы . Для того чтобы прийти к уравнению (8.4), следует допустить, что имеется два типа повреждений —. потенциально летальные повреждения первого типа, которые могут стать летальными только при действии кислорода, и по­ вреждения второго типа, которые летальны всегда и образова­ ние которых не зависит от присутствия кислорода. Количество этих двух типов повреждений должно находиться в определен­ ном соотношении:

118

Общее число образовавшихся повреждений в таком случае рав­

Для того чтобы определить р и проверить правильность пред­ положения о кинетике кислородного эффекта как о конкуренции между действием кислорода и процессом реституции первого типа повреждений, допускаются два пути развития этих по­ вреждений.

/ = репарированный

Первый тип повреждений

\;т— нерепарированный

ft2[O.J

Согласно определению вероятности, получаем соотношение:

моделей. При увеличении концентрации Огр стремится к еди­

применить к инактивации микроорганизмов и, в частности, бак­ терий. Несмотря на то, что подробный обзор инактивации микро­ организмов приводится в гл. 12 и 13, сенсибилизирующее дейст­ вие кислорода, очевидно, требует отдельного анализа. Если счи­ тать, что в большинстве случаев инактивация обусловлена по­ вреждением ДНК, то желательно включить в гипотезу концен­ трацию ферментативно регулируемой репарации ДНК. Повреж­ дения первого типа, которые, таким образом, становятся репарируемыми повреждениями ДНК, очевидно, скорее восстанавли­ ваются посредством внутриклеточных процессов, чем поврежде­ ния второго типа, которые рассматриваются как необратимые.

При обобщении гипотезы для включения репарационных

119