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

80

лученные в этих двух экспериментах, были приравнены единице при 58,4 нм (соответствующих 21,2 эв). При значениях, превы­ шающих 10 эв, обе кривые совпадают, тем самым указывая, что инактивация в этой области в основном обусловлена иониза­ цией. Оба эффекта .уменьшаются при уменьшении энергии кванта, и в области ниже 7,1 эв эмиссии электронов не наблю­ дается. Следовательно, в этой энергетической зоне инактивация вызвана возбуждениями.

Подобные результаты были получены для инактивации им­ мунологической активности бычьего сывороточного альбумина, электронами различной энергии (см. рис. 37, б). Сколько-ни­ будь значительный эффект можно наблюдать только в области выше 10 эв, причем он возрастает при более высоких энергиях, так же как и вероятность ионизации. Эти эксперименты дают возможность заключить, что, как правило, энергия, меньшая 10 эв, имеет весьма малое радиобиологическое значение, или, иначе говоря, возбуждение более низких энергетических состоя­ ний редко имеет биологические последствия.

Кривая на рис. 37, в показывает сечение инактивации рибо-

кривая), при низких энергиях протонов кривая не стремится к нулю, а резко возрастает. Этот подъем происходит за счет

рибонуклеазы (РНК-азы) посредством упругих ядерных соуда­ рений достигает примерно той же величины, что и сечение ин­ активации протонами максимальной плотности ионизации (мак­ симум Брэгга: 60—100 кэв; см. рис. 20). Инактивация ДНК под влиянием упругих ядерных соударений сходна с инактивацией РНК-азы [23].

Для упругих ядерных соударений характерно то, что их действие не модифицируется защитными агентами или низкой температурой [22].

Этих • примеров вполне достаточно, чтобы продемонстриро­ вать эффективность различных прямых воздействий. Они пока­ зывают, что ионизация и ядерные соударения с высокой сте­

6.2. Непрямое действие в растворах

Деление непрямых эффектов на эффекты, получаемые в растворе и в сухом веществе, прежде всего вызвано желанием сохранить исторический аспект вопроса. Это деление сохра-

81:

няется также и для удобства классификации большого числа фактов и явлений. Различие это историческое, поскольку в прошлом было принято считать, что непрямое действие возни­ кает только лишь в присутствии воды. Однако данное предполо­ жение оказалось неверным. В настоящее время известно, что непрямой эффект в растворах, как и в сухом веществе, вызван главным образом действием малых диффундирующих радика­ лов, высвобождающихся при облучении. Поэтому изучение не­ прямого эффекта в растворах сводится в основном к анализу путей образования^ радикалов, возникающих при облучении и их

ствие ионизирующего излучения ведет к образованию высоко­ активных продуктов в самых разных растворителях. Однако подробно мы рассмотрим только один пример с водой. Вода занимает особое положение, так как она фактически присутст­ вует во всех биологических системах. Реакции других веществ

энергии излучения в первую очередь вызывает ионизацию мо­

Положительный ион, образующийся во время этого процесса, может привести к образованию свободных радикалов ОН':

(6.1), представляют особый интерес с биологической точки зре­ ния, так как они могут вызвать поляризацию находящихся по­ близости молекул воды и, таким образом, стабилизироваться до состояния, известного под названием гидратированных электро­

•82

Несмотря на то, что на основании этих реакций можно было* бы ожидать, что выход радикалов воды будет зависеть от рН г такая зависимость наблюдается только при очень низких или. очень высоких значениях рН. В области рН от 3 до 10 вели­ чина радиационного выхода G (т. е. число радикалов, образую­ щихся на 100 эв поглощенной энергии излучения) для редкоионизирующего излучения приблизительно равна [11]: G— =

= 2,3; GH -=0,6; GO H -=2,3.

Благодаря рекомбинации радикалов Н и ОН- , радиоли* воды также ведет к образованию вторичных молекулярных про­

вещества, они, тем не менее, играют важную роль при действии ' излучений с высокой ЛПЭ, когда местная концентрация водных радикалов столь высока, что рекомбинация, а следовательно, и.

ответствующее ослабление непрямого эффекта можно просле­ дить экспериментально. Так, Циммер и Боуман [38] обнару­ жили, что распад растворенного тирозина происходит более интенсивно при действии рентгеновского излучения, чем а-из- лучения.

Радикалы Н- и ОН" могут оказывать воздействие на био­ логические молекулы МН как восстанавливающие или окисля­

щиеся в результате реакций (6.5) и (6.8), могут претерпевать

Рассмотрим теперь кинетику реакций между растворенными веществами и водными радикалами, образующимися при облу­ чении. Примем, что число вновь образовавшихся радикалов про­

с растворенной молекулой, которая изменяется до такой сте­ пени, что вторая реакция становится невозможной. В этом

83.

случае можно ожидать, что число поврежденных молекул будет линейно возрастать с увеличением дозы. Следовательно, «вы­ живаемость» может быть вычислена с помощью формулы (рис. 38)

Такого рода кинетика часто наблюдается у малых молекул, например при окислении растворенного FeSO/, радикалом ОН". Реакция

реакцию с растворенными молекулами, случайно взаимодейст­ вуя с одинаковой вероятностью как с измененными, так и с неизмененными молекулами. Совершенно очевидно, что это допущение годится для большинства биологических молекул, поскольку эти сравнительно крупные молекулы не изменяются водными радикалами настолько, чтобы это исключило вторую или третью атаку со стороны радикалов. В этом случае при­ меним анализ теории попадания, описание которого дано в гл. 2. Если исследуемая реакция вызывается одиночным эффек­

Несомненно, что фактор k (используемый в общепринятом смысле как величина, обратная D&) не отражает размера био­ логической мишени, поскольку он, как мы сейчас увидим, зависит от концентрации вещества. Так как при D37 число атак

84

равно количеству присутствующих молекул (см. гл. 2), эту ве­ личину можно использовать для вычисления количества энер­ гии, приходящейся на инактивирующее событие. Экспоненци­ альные кривые инактивации, как правило, получаются при облучении ферментов и одноцепочной Д Н К в растворе.

Однако при облучении в растворе иногда наблюдаются S-об- разные кривые, например при инактивации фага Т7 в суспензии (см. рис. 92). Будут ли получены такие кривые или нет, зави­

чувствительнее молекулы в сухом состоянии. Это говорит о том, что при этой концентрации примерно 99% молекул РНК-азы инактивируются водными радикалами, в то время как всего 1 %

быть интерпретирована в терминах мишени. Мишень у раство­ ренной ДНК в сто раз больше, чем у сухой РНК-азы, так как охватывает некую область вокруг молекулы фермента, из кото­ рой поглощенная энергия излучения передается молекуле по­ средством водных радикалов. Высокая чувствительность рас­ твора РНК-азы безусловно не может объясняться тем, что молекула обладает в растворе более низкой энергией инактива­ ции, чем в сухом состоянии. Это подтверждается расчетом G, т. е. числом молекул, инактивированных на 100 эв энергии по­

85

где Zm — число облученных молекул на 1 г, a Zt — число «еди­ ниц» 100 эв на 1 г при D37 (или D0, в зависимости от кинетики инактивации).

вами, энергия, необходимая для инактивации молекулы, не зависит от концентрации.

Это наблюдение, а также появление эффекта разведения можно понять только при допущении, что на единицу дозы

86

приходится некое число водных радикалов, которые, в свою очередь, инактивируют определенное количество биомолекул. Очевидно, что в разбавленных растворах водные радикалы вы­ нуждены мигрировать на сравнительно большие расстояния, прежде чем достигнут макромолекулы. Поэтому в очень сильно

87

Таким образом, очевидно, что абсолютное число молекул, ннактивированных в растворе, зависит от дозы:

В области промежуточных концентраций ЛЛ+> пропорциональнодозе (см. рис. 40). С другой стороны, как было уже описано в гл. 2, в сухих (т. е. преимущественно «прямых») системах относительная доля ннактивированных объектов N+/N0 также является функцией дозы:

Следовательно, в растворе N+/N0 при данной дозе умень­ шается с увеличением No, тогда как в сухом состоянии количе­ ство ннактивированных молекул N+ пропорционально общему числу облученных молекул N0 (см. рис. 41).

6.3. Непрямое действие в клетках

Важно знать, каков вклад непрямого действия в поврежде­ ние клетки. Мы ограничимся обсуждением явлений, вызываемых действием радикалов, образующихся из внутриклеточной водь;.

88

Измерения ферментативной активности или опыты по транс­ формации с использованием ДНК из облученных клеток (см. разд. 11.3) особенно удобны для исследования внутриклеточных эффектов. Хатчинсон и др. [20], облучая дрожжевые клетки с различным содержанием воды, построили кривые доза—эффект для разных ферментов. Им удалось обнаружить, что в сухих

'Сравнению с ДНК, извлеченной из спор, облученных в сухом со­ стоянии [36].

Радиочувствительность клетки также можно исследовать в зависимости от количества содержащейся в ней воды.

Такого рода пример приведен на рис. 42, где содержатся данные по инактиваци бактерий Е. coll. В зависимости от сте­

Радиочувствительность вегетативных клеток Bacillus subtilis спор в четыре раза выше, чем радиочувствительность сухих спор [36], что хорошо согласуется с различиями в чувстви­ тельности, измеренными для трансформирующей ДНК, выделен­ ной из этих двух форм (см. выше).

Можно привести еще немало примеров, но в итоге все они заставляют думать, что внутриклеточные прямые и непрямые эффекты сопоставимы по величине, хотя в каждом отдельном случае они, конечно, зависят от особенностей исследуемой кле­ точной функции.

89