Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиоэкология. Учебное пособие-1
.pdf
2. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений
Прямое действие ионизирующих излучений такие изменения, ко-
торые возникают в результате поглощения энергии излучения самими
молекулами, а поражающее действие связано с актом возбуждения и
ионизации атомов и макромолекул (т. е. с утерей или приобретением
электрона самими рассматриваемыми молекулами («мишенями»).
Косвенное (непрямое) действие ионизирующих излучений измене-
ния молекул клеток и тканей, вызванные продуктами радиационного
разложения (радиолиза) окружающей эти молекулы воды и раство-
ренных в ней низкомолекулярных соединений, а не энергией излуче-
ния, поглощенной самими исследуемыми молекулами.
На основе представления о прямом действии ИИ возникла тео-
рия мишени и попаданий. Эта теория объясняла наличие в клетке
жизненно важного центра (гена или ансамбля генов) мишени,
попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических
частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клет-
ки. Попадание в мишень вероятностное событие. Дальнейшим раз-
витием теории прямого действия излучений явилась стохастическая
(вероятностная) теория. Она, так же, как и теория мишени, учиты-
вает вероятностный характер попадания излучения в чувствитель-
ный объем клетки, но в отличие от нее еще учитывает и состояние
клетки как биологического объекта, лабильной динамической сис-
темы [Белов А.Д. и др., 1999].
При косвенном действии ИИ наиболее важен процесс радиолиза
(радиационного разрушения) воды, потому что вода составляет основу
важнейших структур клетки (8090 %). Именно в воде растворены
белки, нуклеиновые кислоты, ферменты, гормоны и другие жизненно
важные вещества, являющиеся основными компонентами клетки, ко-
торым легко может быть передана энергия, первоначально поглощен-
ная водой [Белов А.Д. и др., 1999].
Под действием ионизирующего излучения в клетке начинаются
физико-химические процессы, в результате которых образуются хи-
мически высокоактивные соединения, радикалы и ионы, повреждаю-
щие биологические структуры организма и вызывающие рассогласова-
ние его функций [Симак С.В. и др., 1998].
Воздействие ионизирующей радиации на живое вещество проходит
в три фазы: в физическую длится 10
физико-химических превращений 106109с; в фазу химических
реакций 105106с.
13
16
10
с; в фазу первичных
131
Физическая фаза по существу один из моментов прямого действия
ИИ на молекулярные и биологические структуры клетки. При взаимо-
действии ИИ (гамма-кванты, заряженные частицы, и т. д.) с элект-
ронными оболочками атомов происходит возбуждение и ионизация
атомов или молекул вещества, через которые излучения проходят. При
этом на один акт ионизации приходится 10100 возбужденных ато-
мов, которые в процессе рекомбинации излучают избыток энергии в
виде характеристического рентгеновского излучения.
В физическую фазу происходит взаимодействие ИИ с молекулой
воды, в результате чего выбивается электрон с внешней орбиты атома
и образуется положительно заряженный ион воды:
γ → Í2Î → å
+ Í2Î
+
«Выбитый» электрон присоединяется к нейтральной молекуле воды,
образуя отрицательный ион воды:
å + Í
Î → Í
2
Î
2
При эффекте возбуждения образуется нейтрально заряженная мо-
лекула воды с избытком энергии, привнесенной ИИ:
γ → Í2Î → Í
2
Î*
Физико-химические свойства ионизированных и возбужденных мо-
лекул воды будут отличаться от молекул воды электрически нейтраль-
ных. Продолжительность существования таких молекул очень корот-
кая; они распадаются (диссоциируют), образуя высокореактивные сво-
бодные радикалы водорода и гидроксила (Нo и ОНo); наступает вторая
фаза радиолиза воды.
Фаза первичных физико-химических реакций:
+
Í2Î
Í2Î
Í
Î* → Í
2
→ Í
→ Í
+
+ ÎÍ
·
+ ÎÍ
·
+ ÎÍ
·
·
Гидроксильные радикалы (ОН·) сильные окислители, а радикал
водорода (Н·) восстановитель. Образование свободных радикалов
может идти и другим путем. Выбитый из молекулы воды под действи-
ем излучения электрон может присоединиться к положительно заря-
женному иону воды с образованием возбужденной молекулы:
Í2Î+ + å
→ Í
2
Î*
Избыточная энергия этой молекулы расходуется на ее расщепление
с образованием свободных радикалов водорода и гидроксила:
Í
Î* → Í
2
·
+ ÎÍ
·
Ионизированная молекула воды (Н2О+) может реагировать с дру-
гой нейтральной молекулой воды (Н2О), в результате чего образуется
высокореактивный радикал гидроксила (ОН·):
132
Í2Î+ + Í
Î → Í
2
Î+ + ÎÍ
3
·
На этом заканчивается физико-химическая фаза и развивается тре-
тья фаза действия ионизирующего излучения.
Фаза химических реакций. Обладая очень высокой химической ак-
тивностью за счет наличия неспаренного электрона, свободные ради-
калы взаимодействуют друг с другом или с растворенными в воде
веществами. Реакции могут идти следующими путями:
Í· + ÎÍ
Í· + Í
·
→ Í
·
→ Í
О (рекомбинация, восстановление воды);
2
О + О (образование молекул воды и выделение
2
кислорода, который является сильным окислителем);
ÎÍ· + ÎÍ
·
→ Í
(образование пероксида водорода)
2Î2
При наличии в среде растворенного кислорода О2 возможна реак-
ция образования гидропероксидов:
Í· + Î
→ ÍÎ
2
·
(гидропероксидный радикал).
2
Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем эффек-
òå ÈÈ.
Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя
пероксиды водорода и высшие пероксиды, которые обладают высокой
токсичностью, но они очень быстро разлагаются в организме фермен-
том каталазой на воду и кислород:
·
+ ÍÎ
·
→ Í
2
→ Í
·
→ Í
2
+ Î
2Î2
(пероксид водорода)
2Î2
2Î4
2
(высший пероксид)
·
ÍÎ + ÍÎ
2
·
ÍÎ + Í
2
·
ÍÎ
2
Появление свободных радикалов и их взаимодействие составляют
этап первичных химических реакций воды и растворенных в ней ве-
ществ, а в случаях облучения животных и растений и биологических
молекул.
Энергия излучения может поглощаться и непосредственно молеку-
лами органических соединений. При этом также образуются возбуж-
денные молекулы, ионы, радикалы и перекиси, при реакциях типа:
a) hv → RH > RH* → R
R· + O
→ RO ;
2
·
2
·
+ H·;
RO2o + Ho → HRO2
+
á) hv → RH → RH
→ R
→ R
·
+ H
â) hv → RH → R
ã) RH + H
·
ä) RH + OH
+ e
+ H
2
·
+ Í2Î
+
Возможна также диссоциация органических молекул или присоеди-
нение к ним радикала. В результате они либо разрушаются, либо инак-
тивируются, теряя свои биологические свойства.
133
Энергия излучения, поглощенная молекулой белка или нуклеиновой
кислоты, может передаваться ее структурами, разрушая молекулу в оп-
ределенных, наиболее уязвимых местах по вышеприведенной схеме.
Таким образом, первичные процессы, происходящие в организме
непосредственно в момент действия изучения, заключаются в образо-
вании возбужденных молекул, ионов, радикалов и перекисей (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Продукты радиолиза воды
На биологической стадии воздействия эти высокоактивные в хими-
ческом отношении соединения вступают в реакции с компонентами
сложных биохимических систем живого организма, что приводит к
нарушениям химических процессов и структур клеток и, как след-
ствие, к нарушению функций на уровне целостного организма.
Величина прямого и непрямого действия в первичных радиобиологических
эффектах различных систем неодинаковая. В абсолютно чистых сухих веще-
ствах будет преобладать прямое, а в слаборастворенных косвенное действие
радиации. У животных, по данным М.А. Кузина, примерно 45 % поглощенной
энергии излучения действует непосредственно на молекулярные структуры
прямое действие, а остальные 55 % энергии непрямое действие.
3. Эффект разведения и кислородный эффект
О различии прямого и косвенного действия радиации на биологичес-
кие объекты и величине их влияния на развитие лучевого поражения
можно судить по двум феноменам эффекту разведения и кислородно-
му эффекту.
134
Эффект разведения
При косвенном действии радиации, независимо от разведения ра-
створа, абсолютное число поврежденных молекул остается постоян-
ным, а доля их от общего числа изменяется обратно пропорционально
их концентрации.
При прямом действии радиации число инактивированных молекул
при заданной дозе увеличивается пропорционально концентрации ра-
створа, а их доля от общего числа молекул остается постоянной.
Кислородный эффект
В развитии первичных реакций при облучении биообъектов боль-
шое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением
его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усилива-
ется эффект лучевого поражения, и наоборот, при понижении кон-
центрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого пора-
жения. Выраженность кислородного эффекта у разных видов излуче-
ний неодинаковая и зависит от их линейной передачи энергии (ЛПЭ);
с повышением ее эффект уменьшается. При действии излучений с
малой плотностью ЛПЭ наблюдается наибольший эффект, а при воз-
действии излучений с высокой ЛПЭ он полностью отсутствует.
В присутствии кислорода происходит значительное усиление косвен-
ного действия продуктов радиолиза воды и низкомолекулярных органи-
ческих соединений. Свободные радикалы, взаимодействуя с кислоро-
дом, образуют гидропероксиды, пероксиды и высшие пероксиды, ко-
торые оказывают токсическое действие на организм. Наличие кислорода
в облучаемой среде усиливает также прямое действие радиации. При
попадании гамма-кванта в молекулу органического вещества так же,
как и в случае с водой, образуются активные радикалы в результате
ионизации и возбуждения молекул. Эти радикалы, взаимодействуя с
кислородом, образуют гидропероксиды и пероксиды (RОО·), которые
приводят к глубокому изменению молекул [Белов А.Д. и др., 1999].
Контрольные вопросы:
1. Чем отличаются прямое и косвенное действия ионизирующего
излучения на организм животных?
2. Опишите фазы радиационного поражения клеток биологических
объектов?
3. Какое влияние оказывают эффект разведения и кислородный
эффект на развитие процессов поражения живого вещества при
прямом и косвенном действии ионизирующего излучения?
135
Лекция 14.
Радиационные повреждения ДНК
и проявления лучевого поражения
на уровне клетки
1. Виды радиационных повреждений ДНК
2. Восстановительные процессы в облученной клетке
3. Задержка прохождения клеточного цикла
4. Радиационная задержка клеточного деления
5. Мутации и хромосомные аберрации
6. Индукция и реализация программируемой смерти клетки
(апоптоза)
7. Генетическая и геномная нестабильность
При облучении клетки поражаются все ее структуры. Вероятность
поражения тех или иных молекул определяется их размером: чем круп-
нее молекула, тем, естественно, больше вероятность ее повреждения.
Именно поэтому в качестве основной мишени радиационного пораже-
ния клетки рассматривается ДНК.
С позиций радиобиологии важен факт теснейшего пространственно-
го расположения различных частей одной и той же молекулы ДНК в
интерфазной клетке и в хромосоме и, кроме того, близкое расположе-
ние молекул ДНК, принадлежащих разным хромосомам.
1. Виды радиационных повреждений ДНК
В результате прямой ионизации самой молекулы ДНК и ее атаки
радикалами ОН· происходит разрыв химических связей между атома-
ми. Разрыв связей в сахарофосфатном скелете нарушает непрерыв-
ность нити ДНК. Если разорвана одна из нитей, говорят об одноните-
вом или одиночном разрыве. Совпадение разрывов противоположных
нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных (двуните-
âûõ) разрывов.
Известно, что одиночные разрывы постоянно возникают в клетке и
без всякой связи с облучением, просто вследствие тепловой неста-
бильности ДНК, а также в результате некоторых окислительных и
ферментативных процессов. Более того, одиночные разрывы даже не-
обходимы: при репликации ДНК молекула должна быть расплетена на
участке синтеза, для чего одна нить должна иметь возможность вра-
щаться относительно другой, чего невозможно достичь без ее разрыва.
136
Предполагается, однако, что при облучении возникают не только оди-
ночные разрывы, аналогичные возникающим спонтанно, но еще по-
являются «комплексные», при которых в скелете ДНК рядом находит-
ся сразу несколько разорванных связей; такие разрывы репарируются
хуже, чем возникающие в нормальных условиях.
Двойные разрывы образуются как при случайном пространственном
совпадении одиночных разрывов в противоположных нитях ДНК (ве-
роятность которого возрастает с увеличением накопленной дозы ред-
коионизирующего излучения), так и вследствие одномоментного по-
вреждения обеих нитей при выделении в данном микрообъеме клетки
большого количества энергии. Даже при действии редкоионизирующих
излучений выделение энергии по объему клетки происходит не абсо-
лютно равномерно, а дискретными порциями разной величины, так
что в примерно равном объеме атомам может быть передано от не-
скольких электрон-вольт до нескольких сот электрон-вольт. При дей-
ствии плотноионизирующих излучений общее число разорванных ме-
жатомных связей будет таким же, однако они будут менее равномер-
но распределены по длине молекулы ДНК. Общее число очагов
поражения будет меньшим, зато «тяжесть» (концентрация разорван-
ных межатомных связей на единицу микрообъема) каждого из них
будет больше. Таким образом, при действии плотноионизирующих из-
лучений число двойных разрывов на единицу дозы оказывается выше,
чем при действии редкоионизирующих видов радиации. Так как оди-
ночные разрывы репарируются гораздо лучше, чем двойные, тяжесть
поражения клетки с увеличением доли двойных разрывов возрастает.
Именно это и служит причиной более высокой относительной биоло-
гической эффективности плотноионизирующих излучений.
Нарушение непрерывности молекулы ДНК препятствует считыва-
нию с нее генетической информации (если разрыв приходится на транс-
крибируемый участок генома), а также нормальной репликации ДНК
и последующему распределению генетического материала между клет-
ками. Разрыв скелета может сопровождаться разрывом связей в той
части молекулы дезоксирибозы, которая не участвует в построении
скелета ДНК. Такое повреждение рассматривается одновременно и как
разрыв, и как повреждение нуклеотида.
Разрывы скелета ДНК частично элиминируются самостоятельно,
частично с помощью систем ферментативной репарации. Репарация не
всегда заканчивается восстановлением исходной молекулы. Вместо вос-
соединения разорванной связи может возникнуть связь между свобод-
ными концами двух противоположных нитей молекулы ДНК, между
137
свободными концами в местах разных разрывов одной и той же нити
ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Такое
разнообразие новых связей является следствием того, что нити ДНК в
ядре упакованы весьма плотно. Неправильное воссоединение разрывов
приводит к возникновению хромосомных перестроек (аберраций).
2. Восстановительные процессы в облученной клетке
За миллионы лет эволюции живые организмы выработали специ-
альные механизмы исправления поврежденных в результате действия
ионизирующей радиации клеточных элементов. Такой процесс называ-
ется репарация (восстановление).
Принято выделять два вида репараций от сублетальных и от по-
тенциально летальных повреждений.
Сублетальные повреждения нарушения, которые сами по себе не
вызывают гибель организма (клетки), но увеличивают ее вероятность.
Примером сублетальных повреждений может служить поражение кле-
точных мембран или органелл (кроме ядра).
Потенциально летальные повреждения нарушения, которые сами
по себе способны вызывать гибель организма или клетки, но в опреде-
ленных условиях могут быть отрепарированы. Например, двойные раз-
рывы ДНК являются абсолютно летальными повреждениями, если
клетка вступила в митотическое деление. Однако они могут быть репа-
рированы за время, оставшееся до деления клетки. Если этот период
(интерфазу) искусственно удлинять, то вероятность успешной репара-
ции увеличивается. Замедление темпов клеточного деления можно дос-
тичь, например, понижением температуры или введением специаль-
ных химических веществ ингибиторов деления.
Первичные повреждения в молекулах ДНК удаляются и замещают-
ся нормальными структурами в результате трех процессов:
1. Возвращения молекулы ДНК к исходному состоянию.
2. Вырезания поврежденного участка и замещения его нормальным.
3. Рекомбинированного восстановления в обход поврежденного
участка.
Репарация от радиационных повреждений ДНК осуществляется фер-
ментами, постоянно участвующими в метаболизме клетки, в том чис-
ле в восстановлении от повреждений нерадиационной природы (хими-
ческой, термической, стрессовой, ошибок считывания и т. д.).
Известно несколько различных по своим механизмам репарацион-
ных систем.
138
Фотореактивация заключается в устранении одного из типов повреж-
дений ДНК пиримидиновых димеров. После попадания кванта радиа-
ции в молекулу пиримидинового основания (тимина, цитозина или ура-
цила) в ней разрывается двойная связь между 5-м и 6-м атомами углеро-
да. Если два разрыва происходят в двух соседних молекулах тимина, то
разорванные связи могут замкнуться друг на друге, образуя прочную
ковалентную связь между двумя основаниями димер тимина. Аналогич-
но возникают димеры цитозина или тимин-цитозин и т. д. После этого
расхождение нитей ДНК и, следовательно, самоудвоение ДНК или счи-
тывание закодированной в ней информации становится невозможным.
У растений такие дефекты устраняет фермент фотолиаза, назван-
ный так из-за того, что он использует энергию видимого света или
ближней ультрафиолетовой радиации (300600 нм).
Темновая система репарации значительно сложнее. В процессе темно-
вой репарации ДНК выделяют 2 этапа.
1. Выщепление поврежденного участка (димера пиримидинового ос-
нования и олигонуклеотидного фермента) с помощью фермен-
тов нуклеаз.
2. Застройка образовавшегося пробела с помощью комплементар-
ного участка противоположной нити ДНК при участии комп-
лекса ферментов, основными из которых у эукариот являются
β- è γ-ДНК-полимеразы, а у прокариот ДНК-полимераза-1 и
полинуклеотидлигазы.
Существует еще целый ряд менее изученных репарационных сис-
тем, действующих в разные фазы клеточного цикла.
Поскольку постлучевая репарация процесс ферментативный, ее ин-
тенсивность и судьба облученной клетки зависят от общего уровня клеточ-
ного метаболизма и активности ферментов. Следовательно, важную роль в
поддержании эффективности систем репарации играет общий уровень ме-
таболизма, в первую очередь белкового обмена. Это связано с тем, что
при недостаточном поступлении в организм незаменимых аминокислот на-
рушается синтез белков, в том числе и ферментов. Поэтому полноценное
белковое питание играет важную роль в системе постлучевых терапевтичес-
ких мероприятий. Для нормального обмена веществ важна также сбаланси-
рованность рациона по витаминам и минеральным элементам.
3. Задержка прохождения клеточного цикла
Жизненный цикл клетки, период от одного деления до другого,
подразделяется на четыре фазы: предсинтетический период (G1), ïåðè-
од синтеза ДНК (S-период), постсинтетический период (G2) между
139
окончанием синтеза ДНК и вступлением клетки в митозмитоз (М).
Схема генерационного цикла представлена на рисунке (14.1).
Сверочная точка Сверочная точка
M ----------------------1-------------------1---------- M
G
1
G
0
Рис. 14.1. Схема митотического цикла:
М митоз; G
период; S стадия синтеза ДНК; G
период покоя
, предсинтетический (по отношению к синтезу ДНК)
1
SG
постсинтетический период; G0
2
2
Общая длительность цикла культивируемых in vitro опухолевых кле-
ток человека, с которыми проводится основная масса радиобиологи-
ческих экспериментов, составляет около 24 ч, при длительности пери-
îäà G
≈ 10 ч. Клетки опухолей человека лимфоидного происхождения
1
могут иметь цикл короче 10 ч.
Быстро делящиеся клетки, особенно стволовые, имеют укорочен-
ный период G1, в то время как дифференцированные клетки имеют
столь длинный период G1, что его обозначают как G0 и называют
стадией покоя.
В медленно обновляющихся тканях большинство клеток находится
в G0 периоде, т. е. периоде покоя; его длительность составляет недели,
месяцы и даже годы (например, клеток ЦНС). «Покоящиеся» клетки
это резерв репопуляции, они переходят к синтезу ДНК и делению в
случае гибели от различных причин части клеточного пула. Таков, на-
пример, механизм посттравматической регенерации тканей или возоб-
новления роста опухоли после ее облучения.
В клеточном цикле имеется несколько так называемых контрольных
точек, «чекпойнтов» (англ. check point пост контроля на границе),
при прохождении которых ферментативные системы проверяют ДНК
на повреждения, и в случае их выявления активируют ингибиторы
циклинзависимых киназ, что замедляет переход клеток из одной фазы
в другую. Вероятно, замедление перехода дает больше возможности для
репарации повреждений ДНК, возникающих в процессе нормальной
жизнедеятельности клетки. При нанесении клетке значительного коли-
чества повреждений эта система также приводит к задержке прохожде-
ния цикла, но, по-видимому, не может обеспечить необходимый уро-
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]