Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы радиационной безопасности. Пособие для студентов инженерно-технических специальностей
.pdf
Ионизирующие излучения (ИИ), воздействуя на живой организм,
вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от величины воздействия и условий облучения.
Воздействие ИИ на биологические объекты подразделяют на
пять стадий:
1. Физико-химическая – перераспределение энергии за счет иони-
зации. Продолжительность – 10
–12
–10–8 с.
2. Химические повреждения – образование свободных радикалов,
возбужденных молекул и т.д. Продолжительность – от 10–7 с до нескольких часов.
3. Биомолекулярные повреждения – повреждения белков, нуклеи-
новых кислот и т. п. Продолжительность – от 10–6 с до нескольких
часов.
4. Ранние биологические эффекты – гибель клеток, органов, всего
организма. Длится стадия от нескольких часов до нескольких недель.
5. Отдаленные биологические эффекты – возникновение опухолей, генетические нарушения, сокращение продолжительности жизни и т. п. Длится стадия годы, десятилетия и даже столетия.
Первая стадия взаимодействия ионизирующих излучений с живой материей (стадия перераспределения энергии за счет ионизации)
фактически не отличается от этой стадии взаимодействия ионизирующих излучений с неорганическим веществом. Взаимодействие
излучений с веществом было подробно рассмотрено ранее, поэтому
сейчас мы на этом останавливаться не будем. Рассмотрим вторую
стадию – образование свободных радикалов и т. д.
8.1. Образование свободных радикалов
Свободные радикалы – это атомы или молекулы с неспаренным
электроном на внешних атомных или молекулярных орбиталях. Они
весьма реакционноспособны, так как легко связывают неспаренный
электрон с аналогичным в другом радикале или теряют его из атома.
Образование свободных радикалов возможно как при прямом
воздействии радиоактивного излучения на органическую молекулу,
так и при косвенном воздействии, при котором главную роль играют
молекулы воды.
Непосредственное воздействие ионизирующей радиации на молекулы различных биологических структур, вызывающее физикохимические сдвиги в организме, называют прямым действием излучения. Косвенное действие ионизирующих излучений обусловлено
вредным воздействием на биологические структуры организма продуктов радиолиза воды.
101
Рассмотрим сначала косвенное воздействие радиоактивных излучений, приводящих к возникновению свободных радикалов.
Живая материя состоит на 70–90 % из воды. Поэтому важно рассмотреть, что происходит с водой и водными растворами при облучении.
Под воздействием ионизирующих излучений в воде идут процессы ионизации с образованием быстрых свободных электронов и положительно заряженных ионов воды:
Н2О → (Н2О)+ + е–.
Вырванный электрон передает энергию окружающим молекулам
воды, возбуждая их. Возбужденные молекулы воды Н2О* диссоциируют, образуя два свободных радикала: Н• и ОН•. Ионы Н2О+ в зависимости от электронных состояний могут быть как стабильными, так
и диссоциировать:
(Н2О)+ → Н• + ОН•.
Радикалы ОН• и Н• вступают в химические реакции с образованием перекиси водорода Н2О2 и гидропероксида НО
•
:
2
ОН• + ОН• → Н2О2,
Н• + О2 → НО
•
.
2
Радикалы гидропероксида, соединяясь, дают высшую перекись:
НО
•
2
+ НО
•
→ Н2О4.
2
Перекисные соединения обладают сильными окислительными и
токсичными свойствами. Они вступают в соединения с органическими веществами, прежде всего с молекулами, получившими высокую
химическую активность в результате ионизации или возбуждения, и
вызывают значительные химические изменения в клетках и тканях.
Это приводит к разрушению нуклеиновых кислот, нарушению проницаемости клеточных мембран, повышению проницаемости стенок
кровеносных сосудов, сопровождающемуся кровотечениями и кровоизлияниями.
Свободные радикалы ОН• и Н•, образовавшиеся в результате реакций, также вступают в реакции с органическими молекулами. Если
обозначить органическую молекулу через RH, где R – вся молекула
(за исключением одного атома водорода), то можно записать реакции
таких молекул со свободными радикалами ОН• и Н•, приводящие к
образованию новых радикалов, следующим образом:
R1H + ОН• → R
•
+ Н2О,
1
102
•
+ Н2.
2
могут вступать в реакции как меж-
Свободные радикалы R
R
H + Н• → R
2
•
и R
1
2
•
ду собой, так и с биологическими молекулами и приводить впоследствии (на третьей стадии) к радиобиологическому поражению клеточных структур.
Это один из наиболее вероятных путей косвенного действия радиации. В действительности же, в живом организме протекают значительно более сложные процессы с образованием различных свободных радикалов. Например, электрон, образовавшийся в результате
первой из приведенных реакций, может стать «гидротированным», т.
е. окруженным несколькими дипольными молекулами воды. Такой
электрон при комнатной температуре способен к взаимодействию с
различными молекулами в растворах. Поскольку концентрация веществ внутри клеток бывает достаточно высокой, появление в них
таких электронов является очень опасным.
При прямом воздействии излучения на органическую молекулу
•
также образуются свободные радикалы R
:
RH ΔΕ → (RH+)• + e–,
(RH+)• → R• + Н+.
Однако неважно, в результате прямого или косвенного воздействия ионизирующего излучения биологическая молекула RH стала
радикалом R•. В любом случае образовавшийся радикал может взаимодействовать с кислородом следующим образом:
R• + O2 → RO
•
.
2
Это приводит к образованию органического перекисного радикала RO
•
, который при большом количестве биологических молекул
2
RH вызывает цепную химическую реакцию за счет образования свободного радикала R•:
•
RO
+ RH → ROOH + R•,
2
R• +O2 → RO
•
.
2
Две последние реакции равноценны с точки зрения нанесения
биологического повреждения, т.к. молекулы RH в клетке будут заменены молекулами RO
•
или ROOH. Таким образом, в общем случае
2
радиационно-химические реакции в водных растворах происходят
преимущественно с участием свободных радикалов и «гидротированных электронов». Каждый из радикалов вступает в специфические реакции с макромолекулами, в результате чего возникают биологически активные макромолекулы с измененными структурными
и функциональными характеристиками. Эти молекулы взаимодейс-
103
Рис. 8.1. Схема физико-химических превращений
твуют друг с другом и с окружающими молекулами, образуя повреждения, могущие стать причиной гибели клеток и организмов.
Упрощенная схема физико-химических процессов, приводящих к
биологическому эффекту, представлена на рисунке 8.1.
8.2. Основные эффекты действия ионизирующих
излучений на клетку
Прежде чем приступить к рассмотрению процессов, протекающих
на третьей стадии (биомолекулярные повреждения), напомним строение клетки. Она состоит из оболочки, ядра и ряда клеточных органелл
(рис. 8.2). Ядро отделено от цитоплазмы мембраной. Оно содержит
ядрышко и хроматин. Последний представляет собой определенный
набор нитевидных частиц – хромосом. Вещество хромосом состоит
из нуклеиновых кислот, которые
являются хранителями наследственной информации, и специальных белков. Индивидуальная особенность каждого типа
белка зависит от того, сколько
аминокислот и какие именно составляют его цепь.
С помощью ДНК (дезок-
Рис. 8.2. Строение клетки
сирибонуклеиновых кислот),
104
содержащихся в ядре, закодированы структуры белков, из которых
построены различные клетки. Кодирующими элементами ДНК служат всего четыре азотистых основания (аденин (А), гуанин (Г), тимин
(Т), цимозин (Ц)), расположенных попарно между двумя сахарофосфатными нитями ДНК вдоль всей двуспиральной молекулы. На рисунке 8.3
представлен участок молекулы ДНК и расположенных в ней азотистых
оснований (А, Г, Т, Ц).
Как хранитель наследственной информации молекула ДНК устойчива к действию любых внешних факторов, в том числе и радиации. Совсем по-иному ДНК реагирует на внешнее воздействие в процессе самоудвоения (репликации) (рис. 8.4). Нити в этом процессе
расходятся, некоторые водородные связи между парами оснований
разрываются, и к каждой нити пристраивается соответствующая
комплементарная нить. В итоге возникают две дочерние нити, которые полностью повторяют структуру исходной ДНК.
Во время репликации, особенно вначале, действие радиации может вызвать существенные нарушения в жизнедеятельности клеток.
Клетки синтезируют разнообразные белки. В одних тканях этот
синтез происходит непрерывно, в других – на протяжении некоторой
Рис. 8.4. Модель удвоения ДНКРис. 8.3. Участок молекулы ДНК
105
части жизненного цикла. Передача информации от ДНК, находящейся
в ядре, к основному месту синтеза белка в цитоплазме осуществляется
с помощью рибонуклеиновой кислоты (РНК).
В нормально функционирующей клетке наследственная информация передается и расшифровывается без искажений. В процессе
расшифровки двойная спираль ДНК частично расплетается, активно
функционирует и, очевидно, в этом состоянии будет наиболее чувствительна к воздействию радиации. Под действием радиации могут
оказаться пораженными и молекулы РНК.
При облучении клетки в ней регистрируется множество самых
разнообразных реакций: задержка деления, угнетение синтеза ДНК,
повреждение мембран, гибель клетки. Степень выраженности указанных реакций зависит от величины поглощенной дозы и стадии
жизненного цикла облученной клетки. Еще в начале XX века французские исследователи И. Бергонье и Л. Трибондо доказали, что ио-
низирующее излучение тем сильнее действует на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее они дифференцированы. Поэто-
му дальнейшее рассмотрение клеточной радиочувствительности мы
проведем на основе представлений о клеточном цикле.
Первой видимой реакцией клеток на облучение является временная задержка деления. Опыты показали, что задержка деления зависит от фазы клеточного цикла: наибольший эффект наблюдается,
когда воздействию подвергаются клетки в стадии синтеза ДНК или
постсинтетической стадии. Кроме этого, оказалось, что продолжительность задержки деления тем больше, чем больше доза облучения.
Для большинства клеток задержка деления соответствует примерно
1 ч на каждый 1 Гр и проявляется у всех облученных клеток независимо от того, выживет ли в дальнейшем клетка или погибнет. Если
увеличить поглощенную дозу, то при этом возрастает не доля реагирующих клеток, а время задержки деления.
В результате ионизации возникают четыре основных типа повреждений ДНК, схематически изображенных на рисунке 8.5: одиночные
106
а) б) в) г)
Рис. 8.5. Типы радиационных повреждений молекул ДНК
(а) и двойные (б) разрывы нитей ДНК, их сшивка (в) и повреждения
азотистых оснований (г).
Обычно значительная часть одиночных разрывов нитей и повреждения азотистых оснований ДНК возникают в результате взаимодействия со свободными радикалами.
Доказано, что клетки и даже организмы способны избавляться
от некоторой части радиационных повреждений. Действительно,
задержка деления уменьшается, если доза сообщается отдельными
порциями с достаточно большим промежутком времени между ними.
По-видимому, интервал между отдельными порциями используется
клеткой для ликвидации возникших при облучении повреждений.
Пострадиационное восстановление клетки называют репарацией.
При облучении значительная часть энергии клетки как раз и расходуется на восстановление и поддержание постоянства последовательности оснований в ДНК (т. е. генетического кода).
Не все повреждения ДНК равнозначны по последствиям, к которым они приводят. Восстановление одиночных разрывов нитей ДНК
происходит достаточно эффективно. В клетках млекопитающих скорость репарации такова, что при нормальной температуре половина
радиационных одиночных разрывов восстанавливается примерно в
течение 15 мин, так что, вероятно, одиночные разрывы нитей ДНК
не являются причиной гибели клеток в отличие от двойных разрывов
нитей и повреждений оснований.
Репарация ДНК – основа нормального функционирования клетки. Установлено, что уже при дозе 1 Гр в каждой клетке человека повреждается 5000 оснований молекул ДНК, возникает 1000 одиночных
и 10–100 двойных разрывов.
Различают т р и вида репараций:
− безошибочные, основанные на удалении поврежденного участка
ДНК и замене его новым, что приводит к восстановлению нормальной функции ДНК;
− ошибочные, приводящие к потере или изменению части генети-
ческого кода;
− неполные, при которых непрерывность нитей ДНК не восстанав-
ливается.
Два последних вида репараций приводят к возникновению мутаций (видоизменений) в клетках. Появление мутации означает, что
клетка содержит генетический материал, отличный от генетического
материала, содержащегося в исходных (нормальных) клетках. Мутации могут усиливать, уменьшать или качественно изменять признак,
определяемый геном. Ген – единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака,
обычно представляющая собой часть молекулы ДНК.
В процессе деления клеток происходит распределение хроматина
строго поровну между дочерними клетками. Так как процессы внут-
107
риклеточного восстановления к началу деления клетки полностью
прекращаются и все повреждения ДНК, оставшиеся нерепарированными, во время деления фиксируются, они либо приводят клетку
(или ее потомков) к гибели, либо сохраняются в наследственном механизме клеток-потомков, снижая их жизнеспособность или проявляясь в виде мутаций.
Последствия возникновения мутаций не так велики в соматических (неполовых) клетках организма в отличие от мутаций в половых
клетках. Мутация в соматической клетке может привести к нарушению функции или даже гибели этой клетки или ее потомков. Но поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, влияние
одной или нескольких мутаций на жизнедеятельности всего организма не будет значительным. Однако соматические мутации впоследствии могут явиться причиной раковых заболеваний или преждевременного старения организма.
Мутации, происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие на потомство: ведут к гибели потомства или вызывают появление потомства с серьезными аномалиями.
Если большие дозы облучения приводят к прекращению всех обменных процессов в клетке и даже к разрушению клетки, т. е. к ее
фактической гибели, то при облучении небольшими дозами часто
происходит подавление способности клеток делиться, что называется их репродуктивной гибелью. Основной причиной репродуктивной
гибели клетки при облучении являются структурные повреждения
хромосом, определяемые, в конечном итоге, степенью нарушения
ДНК. Одно- и двунитевые разрывы молекул ДНК, сшивки (см. рис. 8.5),
повреждения структуры оснований – вот основные процессы, имеющие место в облученной ДНК.
Клетка, утратившая способность делиться, не всегда имеет признаки повреждений, она может еще долго жить и после облучения. В
настоящее время считается, что большинство острых и отдаленных
последствий облучения организма – результат репродуктивной гибели клеток.
8.3. Радиочувствительность тканей, органов
В соответствии с убыванием степени радиочувствительности
клетки организма можно расположить в такой последовательности:
− высокая чувствительность к радиоактивному излучению: лим-
фоциты (белые кровяные тельца), кроветворные клетки костного
мозга, зародышевые клетки семенников и яичников, клетки эпителия
тонкого кишечника;
− средняя чувствительность: клетки зародышевого слоя кожи и
слизистых оболочек, клетки сальных желез, волосяных фолликулов,
потовых желез, эпителия хрусталика, сосудов, хрящевые клетки;
108
− достаточно высокая устойчивость к излучениям: нервные, мы-
шечные, костные клетки, клетки печени и соединительной ткани.
Клетки, например нервные, мышечные, костные и т. д., имеют разное строение и выполняют различные функции. Группы клеток образуют ткани, из которых состоят органы и системы (пищеварительная,
нервная, кровеносная, железы внутренней секреции и т. д.). Ткань –
это не просто сумма клеток, это уже система, имеющая свои функции,
не сводимые к функциям отдельных клеток. Она имеет свою систему
саморегуляции, кроме того, не может существовать вне систем регуляции организма как целого.
Установлено, что, во-первых, ткани, клетки которых активно де-
лятся, более подвержены действию радиации, чем ткани с неделящимися клетками. Поэтому мышцы, мозг, соединительные ткани
у взрослых организмов достаточно устойчивы к воздействию радиации. Клетки же костного мозга, зародышевые клетки, клетки слизистой оболочки кишечника являются наиболее уязвимыми. Так как
наибольшее деление клеток происходит в растущем организме, воздействие радиации на детский организм особенно опасно. Влияние
облучения на плод может привести к рождению неполноценного потомства, причем самый опасный период – 8–15-я недели беременности, когда происходит закладка органов будущего человека.
Во-вторых, установлено, что радиочувствительность ткани об-
ратно пропорциональна степени специализации клеток, из которых
она состоит. Следует иметь в виду, что не типы клеток являются бо-
лее или менее радиочувствительными, а клеточные процессы. Соответственно, и радиочувствительность органов зависит не только от
радиочувствительности тканей, которые составляют орган, но и от
его функций.
Так, например, в отношении структурных повреждений нервная
ткань принадлежит к достаточно устойчивым, так как нервные клетки слабо подвержены воздействию радиационных излучений. Но в
функциональном отношении нервная ткань наиболее радиочувствительна, так как самые ранние реакции организма на общее облучение
проявляются в расстройстве подвижности и уравновешенности процессов возбуждения и торможения нервной системы.
У взрослого организма наиболее уязвимым является красный костный мозг, вырабатывающий клетки крови, которые сами не делятся и
быстро изнашиваются. Поэтому организм нуждается в постоянном их
обновлении. Вырабатываемые красным костным мозгом лейкоциты
(белые кровяные тельца) выполняют функцию защиты организма от
попавших в него возбудителей инфекционных заболеваний (иммунная защита). В результате нарушения кроветворения костным мозгом
резко уменьшается содержание лейкоцитов в крови, что приводит к
снижению сопротивляемости организма различным инфекциям.
109
Ранее было введено понятие взвешивающего коэффициента для
тканей и органов, определяющего радиоактивную чувствительность
тканей. Напомним, что если для всего организма в целом при равномерном однократном облучении взвешивающий коэффициент W
т
принят за единицу, то для половых желез (яичников, семенников) он
равен 0,2 (см. табл. 3.1), а для красного костного мозга – 0,12.
Яичники взрослых женщин содержат большое число незаменяемых яйцеклеток, находящихся на разных стадиях развития. Поэтому
излучение, приводящее к фактической или репродуктивной гибели
яйцеклеток, может вызвать стойкое бесплодие.
Облучение мужчин дозой 2,5 Гр вызывает стерильность в течение
двух-трех лет, а после облучения дозой 4–6 Гр наступает постоянная
стерильность.
Наиболее чувствительным органом грудной клетки являются
легкие (взвешивающий коэффициент при равномерном однократном облучении равен 0,12). Радиационные пневмониты (воспаление
легких) сопровождаются потерей эпителиальных клеток, которые
выстилают дыхательные пути, воспалением дыхательных путей и
кровеносных сосудов. Эти эффекты могут вызвать легочную недостаточность и даже гибель организма в течение нескольких месяцев
после облучения грудной клетки.
В системе органов пищеварения при одноразовом равномерном
облучении наиболее радиочувствительным является желудок (W
=
т
0,12), затем идут в порядке убывания радиочувствительности печень,
кишечник, поджелудочная железа, пищевод, слюнные железы, язык,
полость рта. Относительно высокой радиочувствительностью обладают также клетки волосяных фолликулов. После облучения дозой
3–4 Гр волосы начинают редеть и выпадают в течение 1–3 недель. Затем рост волос может возобновиться. Однако при облучении дозой
порядка 7 Гр происходит полная потеря волос.
До сих пор мы рассматривали результаты воздействия внешнего
облучения на ткани и органы. Но не следует забывать, что значительная часть радионуклидов попадает внутрь организма с вдыхаемым
воздухом, пищей и водой. При этом наибольшие дозы внутреннего
облучения получают органы систем дыхания и пищеварения, а также те органы, в которых накапливаются попавшие внутрь организма
радионуклиды. Так, например, клетки щитовидной железы высоко
специализированы и медленно делятся. Взвешивающий коэффициент для щитовидной железы при равномерном одноразовом внешнем
облучении невелик, он равен 0,05. Однако при попадании внутрь организма радиоизотопов йода они накапливаются в щитовидной железе в неограниченном количестве, что резко повышает эффективную
эквивалентную дозу облучения этого органа. Щитовидная железа
является одним из органов эндокринной системы – важнейшей регуляторной системы организма.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]