56) Современные представления о механизмах биологического действия излучений на молекулярном и клеточном уровнях.

У различных излучений механизм биол.действия в основном одинаковый, начиная от исходных актов поглощения и переноса энергии излучения и заканчивая физиологическими и морфологическими изменениями в организме. По выражению Н. В. Тимофеева-Ресовского «Необходимо понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в крайнем несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта, вплоть до летального эффекта». Например, при гамма-облучении дозой 9-10 Гр, смертельной для большинства млекопитающих, ткани поглощают ничтожно малую энергию — около 170 кал ( что равно тепловой энергии, полученной человеком от выпитого стакана горячего чая).

В механизме биол. действия излучений можно выделить 2 этапа. 1 этап - первичное (непосредственное) действие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей; 2 — опосредованное действие, которое обусловливается нейрогенными и гуморальными сдвигами, возникающими в организме под влиянием радиации.

По гипотезе Штрауса (1923) – в основе поражения лежит действие излучения на липоиды ароматического ряда как на наиболее радиочувствительные компоненты клетки. Со временем был накоплено много материалов о повреждающем действии излучений. Однако механизм оставался неизвестным.

Для изучения этих вопросов были взяты в качестве биологической модели простые белки, протеиды, ферменты, вирусы, бактерии и грибы различных видов. Их подвергали облучению в различных условиях и агрегатных состояниях: сухом (высушенном) виде, в растворах, при глубоком замораживании в жидком азоте, в различных условиях кислородного режима (при насыщении среды кислородом или при отсутствии его). Исследования проводили на живот­ных различных видов.

В результате этих опытов были выдвинуты 2 теории ме­ханизма первичного, т. е. непосредственного, действия радиации, которые в настоящее время являются признанными: 1) Теория прямого действия излучений на составляющие молекулы вещества; 2) Теория косвенного действия.

Было показано, что при прохождении излучения через в-во или макромолекулы энер­гия излучения передается атомам вещества, вызывая в них возбуждение и ионизацию. Этот первый этап воздействия излучения характеризует акт прямого их взаи­модействия. Следовательно, под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молеку­ лами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и макромолекул. Под косвенным (непрямым) действием понимают изменение молекул клеток и тканей, обу­словленное радиолизом воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, поглощенной молекулами.

57) Прямое и непрямое действие ионизирующих излучений.

ТЕОРИИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ.

Теория мишени и попаданий. Эта теория объясняла на­личие в клетке жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) — мишени, попадание в которую одной или несколь­ких частиц атомной радиации доста­точно для разрушения и гибели клетки. Чем больше доза, тем вероятнее попадание в мишень (дозаэффект). В опытах на микробных клетках была показана количественная зависимость между дозой и биологическим эффектом: с увеличением дозы в геометрической прогрессии увеличивается количество поврежденных единиц. Когда гибель клеток, разрушение молекул, инактивацию ферментов можно описать экспоненциальной кривой, говорят об одноударном поражении, т. е. инактивация объекта происходит под действием одного попадания (это для микробных клеток, бактерий, вирусов). Для разрушения клеток животных и растительных тканей требуется более одного попадания в мишень. Поэтому данный процесс называется многоударным, и гибель клеток описывается S-образной кривой. Таким образом, в основе теории мишени лежат два положения. Первое из них — принцип попадания — характеризует особенность действующего агента (излучения). Эта особенность заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т. е. поглощения порций энергии при случайном попадании в мишень. Второе положение — принцип мишени — учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т. е. различие в ее ответе на одно и то же попадание. Однако эта теория многого не объясняет (зависимость радиобиологического эффекта от температуры и наличия кислорода). Было замечено, что понижение температуры и снижение концентрации кисло рода в среде снижают радиационный эффект, т.е. гибель клеток уменьшается. По мнению Д. Е. Ли, одного из авторов теории мишени, эта теория может быть справедливой только при инактивации бактерий, вирусов и одноклеточных организмов и при мутации ( радиационная генетика и селекция м-мов, грибов и растений; способ холодной стерилизации вакцин, сывороток, гормонов, витаминов, медицин­ских инстр-в и перевязочного материала).

Стохастическая (вероятностная) теория. Предложена в конце 1960­х годов О. Хугом и А. Келлером. В отличие от теории мишени, эта теория еще учитывает и состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической системы. Клетка как лабильная динамическая система постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое путем митоза. На каждой стадии де­ления существует вероятность повреждения ее вследствие различных факторов, в том числе и радиационного. Излучение влияет на все фазы клеточного цик­ла, однако радиочувствительность клетки в различные ста­дии митоза неодинаковая. Наибольшую чувствительность - в стадии профа­зы, т. е. в начале деления. Облучение в период интерфазы приводит к потере способности приступать к новому деле­нию. В клетках, уже начавших делиться (профаза), облучение тормозит его завершение. В этих случаях легко нарушается структура хроматинового вещества, в результате чего клетка может погибнуть.

На основании различия радиочувствительности клеток ученые Бергонье и Трибондо (1903) сформулировали правило: чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна интенсивности клеточного деления и обратно пропорциональна степени их дифференцировки (исключение- неделящиеся нервные клетки и лимфоциты). Следовательно, наиболее повреждаемы клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. К ним относятся клетки органов кроветворения (ККМ, селезенка, лимфоузлы), половых желез, эпителия кишечника и желудка, а также клетки быстрорастущих опухолей. Наибольшая поражаемость принадлежит ядру.

ТЕОРИИ НЕПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Наиболее выражен процесс радиолиза (радиационного разрушения) воды, потому что вода составляет основу важнейших структур клетки (80...90%). Именно в воде растворены все важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, которым легко может быть передана энергия, первоначально поглощенная водой. Процесс радиолиза воды совершается в три фазы: физическая — длится 10^–13-10^–16 с; фаза первичных физико-химических превращений — 10^–6-10^–9 с; фаза химических реакций — 10^–5-10^–6 с. При взаимодействии ионизирующих излучений (гамма-кванта, заряженной частицы) с электронной сферой атомов происходит возбуждение и ионизация атомов или молекул вещества.

В физическую фазу происходит взаимодействие ионизирующего излучения с молекулой воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома и образуется + заряженный ион воды: е- + Н₂О⁺ .

«Вырванный» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды, образуя отрицательный ион воды:

е- + Н₂0 = Н₂0^- .

При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная молекула воды с избытком энергии, привнесенной ионизирующим излучением: Н₂О* .

Физ-хим свойства ионизированных и возбужденных молекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтральных. Продолжительность существования таких молекул очень короткая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактивные свободные радикалы водорода и гидроксила (Н˚ и ОН˚); наступает вторая фаза радиолиза воды — фаза первичных физико-химических реакций:

Н₂О⁺ = Н⁺ + ОН˚ ;

Н₂О^{– =} Н˚ + ОН^– ;

H₂O* = Н˚ + ОН˚ .

Далее развивается фаза химических реакций. Обладая высокой хим. активностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные радикалы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде веществами. Реакции могут идти следующими путями:

Н˚ + ОН˚ = Н2О (рекомбинация, восстановление воды);

Н˚+Н˚ = Н2 (образование молекул водорода);

ОН˚ + ОН˚ = Н2О + О (образование молекул воды и выделение кислорода, который является сильным окислителем);

ОН˚ + ОН˚ = Н₂О₂ (образование пероксида водорода).

При наличии в среде растворенного кислорода О2 возможна реакция образования гидропероксидов:

Н˚ +О₂ = НО₂˚ (гидропероксидный радикал).

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой токсичностью, но они очень быстро разлагаются ферментом каталазой на воду и кислород: НО˚₂ + НО˚₂ = Н2О2 +О2; НО˚₂ + Н˚ = Н2О2 (пероксид водорода); HO˚₂ + HO˚₂ = Н2О4 (высший пероксид).

Взаимодействие свободных радикалов с орг./неорг. веществами идет по типу окислительно- восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия.

В чистых сухих веществах будет преобладать прямое, а в слабо растворенных— косвенное действие радиации. Уживотных 45% поглощенной энергии излучения вызывают прямое действие, а остальные 55% энергии -непрямое действие. О различии прямого и косвенного действия радиации можно судить по двум феноменам — эффекту разведения и кислородному эффекту.

Эффект разведения— состояние, при котором число поврежденных молекул в слабом растворе не зависит от его концентрации. Кислородный эффект. С повышением концентрации кислорода в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения, и наоборот. Выраженность кислородного эффекта зависит от их линейной потери энергии (ЛПЭ); с повышением ее эффект уменьшается. Кислородный эффект применяется при лечении злокачественных новообразований. У млекопитающих максимальная радиочувствительность тканей отмечается при нормальном парциальном давлении кислорода (30-45 гПа). Снижая насыщенность тканей кислородом, можно повысить радиорезистентность животного.

Таким образом, в кислородной среде образуется больше токсических веществ.

Теория липидных радиотоксинов (первичных радиотоксинов и цепных реакций). Была предложена в 1950-е годы Б.Н.Тарусовым, Ю.Б.Кудряшовым, Н.М.Эмануэлем. Они показали, что уже в первые часы после облучения в тканях жив-х образуются вещества, которые при последующем введении их интактным животным вызывают гемолиз. Липидные радиотоксины представляют собой лабильный комплекс продуктов окисления ненасыщенных кислот, гидропероксидов, альдегидов и кетонов. Они вызывают не только гемолиз, но и : торможение клеточного деления, нарушение кроветворения, повреждение хромосомного аппарата и др. В организме животных в нормальных условиях низкий уровень окисления биолипидов обусловливают антиокислители — природные антиоксиданты. При лучевом воздействии такое равновесие нарушается вследствие появления большого количества радикалов. При облучении вначале поражаются липиды клеточных мембран, что приводит к нарушению химизма клетки.

Структурно-метаболическая теория радиационного поражения. Автор - А. М. Кузин. В этой теории ведущая роль в радиационном эффекте отводится нарушениям в клеточном ядре и биомембранах. Биомембраны играют исключительно важную роль в делении клетки. Экспериментально было показано, что ДНК связана с биомембранами: начало расплетания спирали и синтеза ДНК происходит в точках ее прикрепления к мембране. На поверхности биомембран имеются особые рецепторы, передающие сигналы гормонов через липиды мембран. Липиды мембран, подвергаясь радиации, в присутствии кислорода образуют пероксиды. Эти изменения приводят к нарушению проницаемости мембран и метаболических процессов. Таким образом, в структурно-метаболической теории к радиационному поражению ядерных макромолекул добавляются нарушение ЦП-структур. А. М. Кузин ввел понятие о веществах, влияющих на геном клетки, и назвал их триггер-эффекторами. Под действием радиации триггер-эффекторы (семихиноны, хиноны, гормоны и др.) могут оказывать депрессивное или репрессивное действие на геном клетки, а следовательно, и на биосинтетические процессы.

В механизме действия ионизирующих излучений можно выделить этапы: 1) первичные физические явления — поглощение энергии излучения атомами и молекулами биологического объекта, в результате они могут претерпевать возбуждение, ионизацию или диссоциацию; 2) радиационно-химические процессы, при которых образуются свободные радикалы, взаимодействующие с веществами; 3) биохимические реакции, обусловливающие изменения функций и структур органов и систем и реакций организма.

Структурно-метаболическая теория дает более детальное представление о первичных механизмах действия радиации на организм, которое в дальнейшем усиливается нейроэндокринными и гуморальными реакциями, т. е. опосредованно.

Опосредованное действие радиации. Участие НС в опосредованном действии ионизирующего излучения показано в трудах И.Р.Тарханова, М.Н.Ливанова, А.В.Лебединского, которые отметили высокую чувствительность НС к радиации и высокую пластичность и способность к компенсации. Один из механизмов участия НС в реакциях на облучение - рефлекторный; второй - эндокринная система. Ряд исследователей, определяют лучевое поражение как одну из форм стресс-реакции (в первое время после излучения - гиперсекреция коры надпочечников, уменьшаются размеры тимуса и селезенки, развивается лимфопения). В опосредованных реакциях участвуют также гипофиз, щитовидная и другие эндокринные железы. В качестве гуморального пути действия радиации служат токсические вещества, образующиеся при лучевой болезни. По П. Д. Горизонтову, понятие «радиотоксины» (лучевые токсины) включает качественные и количественные изменения биол. свойств крови, лимфы, тканевой жидкости и др. К токсическим агентам можно отнести медиаторы, гормоны, ферменты, продукты обмена веществ и распада тканей. Например, при облучении в крови повышается содержание ацетилхолина, который возбуждает рвотный центр, что вызывает рвоту; увеличенное выделение надпочечных гормонов приводит к повышению содержания гликогена в печеночной ткани.

Эффекты, возникающие при действии ионизирующего излучения:

1.Соматические нестохастические (детерминированные)— эффекты, возникающие сразу после облучения большими дозами: острая и хроническая лучевая болезнь, локальные лучевые повреждения (катаракта), поражения кожи, репродуктивной функции. 2.Соматические стохастические— отдаленные последствия: понижение сопротивления инфекциям, сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, лейкозов. 3. Генетические, или наследственные — эффекты, проявляющиеся в потомстве облученных людей и животных. Эти эффекты являются также стохастическими (генные мутации, хромосомные аберрации).