План лекції

1. Роботи А.Бекереля, їх вплив на вивчення біологічної дії іонізуючого випромінювання.

2. Радіоактивні перетворення і їх види

3. Механізм взаємодії різних видів випромінювання з речовинами.

4. Теорії, які пояснюють біологічну дію іонізуючого випромінювання

Біологічна дія іонізуючого випромінювання

Ви прекрасно пам’ятаєте досліди і відкриття французького вченого Анрі Бекереля. В квітні 1896 року Анрі Бекерель провів дослід, який прославив його на цілий світ і він став лауреатом Нобелівської премії. Він поклав у стіл хрест покритий солями урану на фотографічну пластину покриту чорним фотопапером. На його здивування і багатьох вчених на фотопластинці було відбито зображення хреста. Значить, солі урану дають промені і він ці промені називає урановими променями.

Повідомлення Бекереля визначило наукову долю Марії Складовської-Кюрі. Вона дослідила на радіоактивність /цей термін був нею запропонований/ всі відомі на той час хімічні елементи і встановила, що тільки сполуки торія і урану випускають промені. Було незрозуміло спочатку чому уранова і торієва руда були більш радіоактивними, чим чистий уран і торій. Марія Складовська-Кюрі - молодий хімік, полька по національності, разом із чоловіком П'єром Кюрі на протязі 2 років із завидною наполегливістю шукали ці домішки. Марія Кюрі писала: "В цьому страшному сараї /так вона назвала свою лабораторію/ пройшли кращі , щасливі роки нашого життя, повністю присвячені роботі. Іноді цілий день розмішувала киплячу масу штангою. Під вечір я падала від втоми". В І898 р. подружжя Кюрі удалось виділити із 8т, смолистоуранової руди біля 1г нового хімічного елементу - радію - що означало лучистий і полоній назвали на честь батьківщини. Відкриття радію стало великим новим скачком в розвиток фізики.

"Великий революціонер - радій" так назвали його вчені на початку ХХ ст. Таким чином людина, вирвавши від природи таємницю ядерної енергії, котра по­винна приносити користь людині одержала разом з нею і страшного ворога, що приносить тяжкі муки і смерть при невмілому використанні цієї таємниці.

Такі відкриття ніколи не проходять безнаказанно для людства.

Один вчений сказав: "За кожну перемогу над природою, вона /природа/ нам мстить. Радіоактивність з перших днів її відкриття почала свою шкідливу дію.

Спершу вона дала про себе знати своєму винахідникові. Бекерель поїхав в Лондон читати лекцію про свій винахід і поклав в кишеню свого халату пробірку з радієм. Як відомо він повернувся додому з променевою виразкою на груді. Вчений Рейс поплатився життям за те, що забув у кишені радій. Відомо,що руки Марії-Кюрі були у виразках променевих і померла видно від злоякісного захворювання крові. Приблизно 336 вчених, які працювали з радіоактивними речовинами померли від опромінення. Не дивлячись на це, невелика група талановитих і молодих вчених направила свої зусилля для розгадки тайни матерії. Головним об'єктом дослідження став атом, а точніше його будова. Ми знаємо тепер, що атом схожий на Сонячну систему в мініатюрі, довкола маленького ядра рухаються по орбітам "планети" - електрони. Розміри ядра в сто тисяч раз менше розмірів самого атома, але густина його дуже велика, оскільки маса ядра рівна масі всього атома. Ядро складається із декількох дрібних частинок. Одні з них мають позитивний заряд і називаються протонами. Число протонів в ядрі і визначає до якого хімічного елементу відноситься даний атом. Наприклад - ядро атома водню має 1 протон, кисню - 8,

а урану - 92. В кожному атомі число електронів рівно числу протонів в ядрі. Кожний електрон несе від’ємний заряд, рівний по абсолютній

величині заряду протона - значить атом в цілому нейтральний. В ядрі присутні також частини 2-го типу - нейтрони, бо вони електрично нейтральні Атоми, які мають ядра з однаковим числом протонів, але різняться по числу

нейтронів одного і того ж елемента - називаються ізотопами даного елементу.

Наприклад. Уран-238 містить 92 протона, 146 нейтрона; в урані-235 теж 92 протона, але 143 нейтрона. Незначна частина ізотопів, або їх ще називають "нуклідами" - стабільні. Більшість ізотопів або нуклідів нестабільні, вони весь час перетворюються в інші нукліди.

Наприклад: атом урану-238. Із нього час від часу виривається компактна група із чотирьох частин 2 протона і нейтрона /альфа-частина/. Уран-238 перетворюється в торій 234- в ядрі якого знаходиться 90 протонів і 144 нейтрона, торій дальше, перетворюється в протактиній - має 91 протон і 143 нейтрона, /нейтрон перетворюється в протон/ і так дальше аж до свинцю-206. Існує 6 видів радіоактивних перетворень:

1. Альфа-розпад.

2. Електронний бета-розпад.

3. Позитронний бета-розпад.

4. К-захоплення.

5. Мимовільний поділ ядер.

6. Термоядерні реакції.

При кожному акті розпаду вивільняється різна кількість енергії, яка передається у вигляді випромінювання, які також відрізняються різною проникаючою здатністю. Тому вони неоднаково діють на тканини живого організму, але кінцевий результат один – променева хвороба.

Альфа-частини, це потік тяжких частин, що мають малу проникаючу здатність. Тому для їх затримки достатньо листок паперу і практично не можуть про­никнути через непошкоджену шкіру. Цей вид випромінювання не страшний при зовнішньому опроміненні, а ось при внутрішньому опроміненні, тобто при попаданні альфа частинок з їжею, з вдихуваним повітрям, через пош­коджену рану - вони становляться грізною силою. В 20 разів більша іонізаційна здатність, ніж бета-випромінювання.

Бета-частинки мають більшу проникаючу здатність; вони проходять в тканини організму на глибину 1-2см. Проникаюча здатність Гама випромінюва­ння, яке поширюється з швидкістю світла дуже велика - його може затримати лише товста свинцева або бетонна плита.

Дія іонізуючих випромінювань на організм людини починається з фізичного процесу - взаємодії випромінювання з речовиною т. б з атомами і молекулами тканини. При цій взаємодії енергія квантів і частинок розходжується на іонізацію і збудження атомів і молекул. В залежності від типу випромінювання і величини енергії механізм взаємодії різний.

Протони і Альфа-частини - вони гублять свою енергію при зіткненні з ядрами атомів і зовнішніми електронами. Так, як маса Альфа-частинок і протонів більша від маси електронів атомів з якими вони соударяються, то траекторія Альфа- частинок і протонів прямолінійна.

Бета-частини і електрони - мають звивистий шлях в речовині, оскільки вони мають малу масу і легко міняють свій шлях під дією електричного поля атома. Тому початковий пучок електронів в тканинах має тенденцію до розходження називається розсіювання електронів.

Швидкі нейтрони - при взаємодії з речовиною гублять свою енергію головним чином в результаті зіткнення з ядрами атомів водню. При цьому в тканинах утворюються скупчення іонів. Після втрати значної частини енергії /після зіткнення, особливо з ядрами, нейтрони захоплюються атомними ядрами. При цьому:

1. частина ядер розпадається з виділенням протонів високої енергії.

2. друга частина ядер випускає після захвату нейтронів гама-кванти високої енергії.

3. третя частина ядер, особливо це ядра атомів натрію, фосфору, хлору після взаємодії з нейтронами стають радіоактивними.

Особливо зверніть увагу на те, що перечислені елементи /натрій, фосфор і хлор/ входять до складу всіх тканин організму і в яких кількостях, після опромінення нейтронами в організмі утворюються "свої власні радіонукліди". Таким чином в результаті взаємодії корпускулярних частин заряжених або нейтральних з тканинами, проходить іонізація речовини, або збудження їх атомів або молекул.

Тепер розглянемо, а як ведуть себе при взаємодії з речовиною квантові іонізуючі випромінювання. При цьому необхідно зразу відмі­тити, що цей тип взаємодії фотонів з атомами речовини залежить від енергій квантових випромінювань.

При низьких енергіях фотон 5-50 КеВ частину своєї енергії тратить на виривання орбітального електрона із атома, а другу частину енергії на придання йому швидкості руху. При цьому сам фотон зникав, а вибитий із атома електрон викликає іонізацію навколишніх атомів. Цей механізм називається фотоефектом.

2/ При взаємодії більш високих енергія фотонів порядка /200кеВ і більш/ з атомами речовини наступає так зване комптонівське розсіювання фотонів.

В чому суть цього явища? А ось у чому: частина енергії фотона іде на виривання електрона із атома і надання цьому електрону опреділеної кінетичної енергії, а сам фотон уже з меншою енергією відклоняється від первинного напрямку і продовжує рухатись в середовищі і тепер уже називається розсіяним або вториннним.

3/ При взаємодії фотонів з енергією більшою в І МеВ із атомами середовища наступають процеси утворення електронно-позитронних пар, фотон при взаємодії з електричним полем ядра атома зникає даючи при цьому життя парі елементарних частин - електрону і позитрону. При цьому пози­трон об'єднується із зустрічним електроном. При цьому ці частинки зникають /ангілюються/ і на їхньому місці 2 фо­тона.

Таким чином підводячи підсумок про взаємодію всіх видів іонізуючих випромінювань з речовиною вони володіють універсальною властивістю визивають іонізацію речовини через яку воли проходять. На своєму шляху в речовині іонізуюче випромінювання утворює велику кількість іонів. На одиницю шляху в тканинах різні випромінювання тратять енергію неодинаково. Так, швидкі електрони віддають всю енергію в перших сантиметрах тканини. Протони і альфа- частини високої енергії відрізняються досить повільною передачею енергії на шляху тканинам і тільки в кінці траекторії різко віддають енергію /пік Брега/ гама-кванти на всьому протязі свого проходу в тканинах віддають рівномірно свою енергію.

Ось це просторове розпреділення енергії вздовж руху частини або фотона виражають у лінійній передачі енергії /ЛПЕ/ - це енергія передана речовині на одиницю довжини траекторії іонізуючої частини /фотона/. Вона виражається в кілоелектрон вольтах на 1мк м./КЕВ/мкм/

ЛПЕ залежить від складу і густини речовини і від природи іонізуючої частини ЛПЕ-енергія частини.

Р-пробіг в даному середовищі.

Під біологічною дією іонізуючих випромінювань розуміють їх здатність спричиняти функціональні, анатомічні та метаболічні зміни на молекулярному, клітинному, органному та організмовому рівнях. У основі біологічної дії іонізуючих випромінювань лежать такі процеси:

1. Поглинання енергії випромінювання біосубстратом.

2. Іонізація і збудження атомів атомів та молекул із наступним радіолізом і утворенням активних вільних радикалів, розвитком первинних радіаційно-хімічних реакцій та пошкодження крупномолекулярних сполук.

Розрізняють пряму і непряму біологічну дію іонізуючого випромінювання на молекулу.

Якщо іонізуюче випромінювання впливає безпосередньо на атоми і молекули тканин, перетворюючи їх при цьому в іони або збуджені атоми, вони мають підвищену хімічну активність і можуть взаємодіяти з нейтральними молекулами – то це пряма дія іонізуючого випромінювання.

Тут також потрібно згадати, про теорію «мішені», яка говорить про прямий вплив радіації на клітини. Суть теорії полягає в тому, що в клітинах є особливо чутливі частини – «мішені» радіаційне пошкодження яких веде до порушення процесів метаболізму в клітині і її загибелі. Відповідно до цієї теорії клітини гинуть навіть при дії дуже малих доз радіації, якщо вони потрапляють на ці надрадіочутливі ділянки клітини. Хоча ця теорія зазнала критики, деякі автори вважають можливість прямої дії радіації на більш або менш чутливі до радіації структурні утвори в клітинах.

Первинна дія випромінювання може бути прямою і непрямою.

При прямій дії випромінювання відбуваються збудження та іонізація молекул речовини тканин і органів. Передавання енергії іонізуючого випромінювання речовині відбувається дуже короткий термін.

В залежності від часу дії розрізняють 3 стадії променевого ураження:

І стадія - дія випромінювання секунди.

В результаті відбуваються взаємодія іонізації і речовини, поглинання енергії, іонізація і збудження молекул, відбуваються первинні радіо­хімічні реакції, утворення вільних радикалів. Зміна молекули, порушен­ня біохімії клітин.

II стадія - хвилини.

Ураження клітин, порушення структури ДНК, які забезпечують функцію і спадковість клітин. Піст, хвилини, години: Порушення морфології клітин та їх загибель.

Іонізація і збудження атомів і молекул і пусковим механізмом, біологічної дії іонізуючого випромінювання, яке називають прямою дією. При цьому відбувається розривання молекулярних зв‘язків з утворенням вільних радикалів. Оскільки 66% маси тіла становить вода, то під впливом іонізуючого випромінювання також відбувається радіоліз води з утворенням вільних радикалів: НІ ОН і перекису водню Н₂О₂. Вільні радикалі окислюють і відновлюють молекули органічних речовин, які розчинені у воді білків, нуклеопротеїдів, ліпідів, ферментів. Для всіх видів іонізу­ючого випромінювання характерно вибивати електрони із атомів та молекул, що знаходяться в середовищі. В наслідок цього утворюються позитивні та негативні іони.

Схематично цей процес можна представити так:

А→А⁺+е^-

де А - молекула опромінюваної речовини;

А⁺ молекулярний йон

е^- - електрон.

Це загальна схема для всіх сполук. Подивимось тепер, як конкретно можно уявити собі процес йонізації води під впливом випромінюючої радіації.

Н₂О→Н₂О⁺+е^-

Таким чином утворився "молекулярний йон" води і електрон. За цим піде ланцюг послідовних перетворень в ході яких утворюватиметься вільних радикалів. Вибитий електрон розтративши енергію на йонізацію дру­гих молекул середовища в кінці приєднається до якої-небудь молекули води і утворюється від’ємнозаряжений йон:

е^- + Н₂О →Н₂О^-

Внаслідок всіх розглянутих перетворень утворюється два молекулярних йона Н₂О^- і Н₂О⁺. Ці йони не стійкі і розкладаються на:

1) Н₂О^-→Н + ОН^-

2) Н₂О⁺→Н⁺+ОН

Після цього Н та ОН йони, а також вільні радикали Н⁺ і ОН^- вступають у взаємодію і утворюють мол. води.

1) Н⁺+ ОН^- → Н₂О

2) Н+ОН → Н₂О

Але можливі і другі шляхи взаємодії та рекомбінації вільних радикалів.

ОН+ ОН^- → Н₂О₂

ОН⁺+ ОН^- → Н₂О + О

Н+ Н⁺ → Н₂

Таким чином після рекомбінації радикалів з утворенням води та перикисю водню в водному середовищі залишаються речовини з вираженими оксидно-відновними властивостями. Так як променева енергія діє на органічні сполуки можливе утворення і органічних перекисних спо­лук. Коли в водному середовищі є вільний кисень в розчиненому стані, то можна чекати утворення ще і таких сполук

О₂^- О₂^--

Ці йони в свою чергу реагують з протонами і утворюють вільні радикали О₂Н /гідропероксид/, або перекис водню

О₂^- + Н⁺ → О₂Н

О₂^-+2Н⁺→ Н₂О₂

От оці оксидні радикали, що існують надзвичайно короткий період проявляють дуже високу активність. Зумовлюючи реакції, що не властиві в нормальному стані організмам ці радикали викликають різні порушення в обмінних процесах.

Які встановлені безпосередні факти, що свідчать про можливість утворення таких перекисних сполук:

1. Експерименти з опроміненням розчинів КІ- при цьому внаслідок іонізації розчин жовтіє так як йон йоду частково перетворюється в нейтральний його атом.

2. Якщо при опроміненні в організм одноразово вводити речовини, що зменшують кількість розчиненого кисню то гальмується патологічний процес-ефект радіації.

Заперечення: Введення перекисів не може визвати Променеву хворобу. Теорія механізму дії на організми променевої радіації одержала наз­ву теорії "Активованої води"-Радикали. Ця теорія була запропонована Вейсом.

Механізм дії оксидуючих радикалів та переоксиду водню на біологічні системи і в першу чергу на білки. Розглянемо на які ж функціональні групи в складі білкових молекул можуть діяти оксидуючі радикали?

Як відомо в складі білкової молекули вільними радикалами можуть бути: аміногрупи, карбоксильні групи, гуанідінові, сульфгідрильні і інші.

Сульфгідрильні групи на відміну від інших груп надзвичайно чутливі до різних оксидників і тому під впливом навіть незначних концентрацій оксидантів можуть змінюватись. Тому було припущено, що під впливом оксидних радикалів, які утворюються при опроміненні сульфгідрильні групи зазнають певних змін.

Коли врахувати, що значна частина ферментів мають в своєму складів сульфгідрильні групи, то зрозуміло, що таке припущення має значення для пізнання біохімічних процесів в організмі, які протікають під впливом оксидних радикалів та перекисів. Такі ферменти як амілаза, карбоксилаза, катепсини, холінестераза, алкогольдегідраза, дегідраза глютамінової і бетаоксімасляної кислоти, оксидази альфа амінокислот – всі вони мають в своєму складі сульфідрильні групи. Виходячи із цього факту та такого уявлення про механізм дії оксидних радикалів група американських біохіміків на чолі з Баррон висловили теорію згідно з якої дія проникаючого випромінювання зводиться до інактивування тіолових ферментів в організмі вільними оксидуючими радикалами. Ця теорія довгий час була широко прийнятою. Однак зараз з'явились факти котрі не можна з'ясувати теорією Баррон.

1. Під час дії променевої енергії на організм тіолових ферментів і активність в тканинах організму не зменшується.

2. Кількість оксидних радикалів, які утворюються при дії на організм навіть абсолютно смертельних доз випромінюючої радіації незначна по відношенню до кількості сульфідрильних груп, що знаходяться в білках організму. Тому не має досить підстав допускати, що пройде інактивація тіолових ферментів.

3. Відомо, що під впливом променевої радіації може проходить і розпад інших речовин внаслідок чого утворюються сполуки які в високих концентраціях пагубно діють на організм. Гістидин-гістамін.

Всі ці факти значно знецінюють теорію Баррон і разом з тим вимага­ють пояснення яким же чином можна пояснити той факт, що порівняно невелика кількість енергії, яка поглинається при опроміненні організму через деякий час проявляється таким чином - значним біологічним ефектом - різким порурушенням обміну речовин.

Існує декілька теорій, що роблять спробу дати відповідь на це запи­тання.

І.Допускається, що вільні оксидні радикали, які утворюються під час опромінення можуть індукувати ланцюгові хімічні реакції внаслі­док, яких виникають певні активні радикали, які і визивають порушення обміну речовин.

Найбільш яскравим прикладом такої реакції може бути реакція утворення соляної кислоти при опроміненні хлору та водню /в суміші/ ультрафіолетовим промінням.

Заперечення.

Коли променева хвороба розвивалась би в наслідок ланцюгової реакції, то хворобливий стан організму розвивався дуже швидко, чого немає. Променева хвороба виникала б і в тому випадку коли на організм по­діяла і незначна доза променевої енергії. Але насправді цього не буває.

Другою теорією, котра якраз являється загальновизнаною, що намагається з’ясувати причину дії на організм факторів променевої радіації є теорія згідно з якою при дії на організм променевої енергії проходить утворення якихось фармакологічно активних сполук, які навіть в незначній концентрації проявляють яскраво виражені токсичні властивості. Названим автором навіть виділені із тканин опромінених тварин такі сполуки.

Дані які вказують на можливість утворення таких сполук.

Досліди на тваринах парабіонтах.

Досліди з введенням в організм здорової тварини плазми крові від хворої променевою хворобою.

Таким чином,зміна молекули, яка безпосередньо не поглинає енергію іонізуючого випромінювання, а одержує її від інших змінених молекул становить собою механізм непрямої дії.

Основним субстратом первинних окисних реакцій є біоліпіди та нуклеопротеїди. Первинні реакції, які виникають під впливом іонізації атомів і молекул, змінюють структуру молекул, що призводить до порушен­ня біохімічних процесів у органах і тканинах - розладу тканинного дихання, зміни дії ферментативних систем, порушення синтезу білків.

Чутливість ядра клітини в 6 раз вища від протоплазми.

Таким чином необхідно зазначити, що все населення Земної кулі живе в умовах впливу радіоактивного фону, який формується від джерел космічного і земного походження, а також від штучних радіонуклідів розсіяних у біосфері внаслідок діяльності людини.

Усі джерела опромінення можуть бути згруповані таким чином:

1. Природні джерела випромінювання.

2. Радіоактивні забруднення внаслідок ядерних випробувань.

3. Забруднення підприємствами ядерної енергетики.

4. Професійне опромінення людей (працівники АЕС, радіологи, рентгенологи).

5. Опромінення при діагностичному і лікувальному використанні іонізуючого випромінювання.

6. Використання добрив, які містять радіонукліди.

7. Побутові випромінювання від приладів.

8. Аварійне опромінення.

ДНК

1. Вміст ДНК в будь-якій клітині або організмі строго постійна і не залежить від умов життя, від зовнішнього середовища, від харчування, від впливів різних факторів. ДНК – генетичний матеріал.

2. Вміст ДНК в клітині збільшується із складністю клітини. Найбільше в хромосомах.

3. Будова модель Уотсона-Кріка.

Двох спіральна, яка має одну вісь.

Пуринові - аденін, гуанін.

Піримідинові - тимін, цитозин.

А-Т

Г-Ц.

Мутації

1. Транзиції - коли одна пара пурин-піримідин заміщується другою пурин-піримідин. Тобто А-Т→Г-Ц або Г-Ц→А-Т.

2. Трансверсіях – коли пурин-піримідин міняються піримідин-пірин.

3. Вставка лишнього нуклеотида або їх іще називають мутації із зсувом рамки.

4. Делеції – випадіння однієї азотової основи (адреналіну, гуаніну і т.д.).

Вплив іонізуючої радіації на нуклеїнові кислоти.

1. Появляються одиничні і подвійні розриви ниток ДНК.

2. Утворення лужно-лабільних зв'язків.

3. Втрата основи та зміна їх складу, внаслідок чого збільшується число генних мутацій.

4. Зміна послідовності розташування нуклеотидів.

5. Порушення комплексів ДНК з іншими молекулами.

6. Відбуваються структурні перетворення ДНК у вигляді так званих хро­мосомних перебудов або хромосомних аберацій,

7. Утворення зшивок між ДНК та білками нуклеопротеїнового комплексу.

8. Розпад ДНК-мембранного комплексу.

Вплив іонізуючого випромінювання на кровотворну систему.

Згідно теорії Бертоньє і трибендо – радіочутливість тканини прямопропорційна проліферативній активності і обернено пропорційна ступеню диференціації клітин.

При опроміненні нормально циркулюючої крові можуть спостерігатись пошкодження різного ступеня і виду:

1. В залежності від дози радіації можуть виникати безпосередня загибель відповідного типу клітин, в результаті глибоких пошкоджень. Ці пошкодження можуть виникати через декілька хвилин або годин після опромінення без зв'язку з поділом. Такий тип загибелі клітин називають інтерфазною або безпосередньою загибеллю клітин. Він характерний для лімфоцитів.

2. Інший різновид репродуктивної загибелі опромінених клітин – утворення так званих гігантських клітин, які виникають унаслідок злиття двох сусідніх або сестринських клітин. Такі клітини здатні до 2-3 поділів і після чого вони гинуть.

3. Третій вид репродуктивної загибелі клітин - це утрата клітинами здатності до проліферації.

В системі клітинного відновлення кісткового мозку існує два окремих компонента:

1. скдадається із клітин, що діляться.

2. скдадається із клітин, що не діляться.

Незрілі, клітини, що діляться – радіочутливі, а зрілі, що не діляться –менш чутливі.