БИОФИЗИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ.

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомить студентов с молекулярными механизмами действия ио­низирующей радиации.

2. Рассмотреть стадии формирования лучевого поражения и роль ра­диационно-индуцированных свободнорадикальных реакций в повреждении макромолекул и гибель клетки.

3. Дать современные представления о радиационной биохимии нуклеи­новых кислот, белков, липидов и углеводов, а также о механизмах интер­фазной и митотической гибели клетки.

Литература:

1. Кириллов В.Ф., Книжников В.А., Коренков И.П. "Радиационная ги­гиена", - М., 1988.

2. Коггл Дж. "Биологические эффекты радиации", - М., 1986.

3. Козлов В.Ф. "Справочник по радиационной безопасности" - М., Энергоатомиздат, 1991.

4. Хансон К.П., Комар В.Е., Молекулярные механизмы радиационной гибели клеток". М., 1985.

5. Ярмоленко С.П. "Радиобиология человека и животных". М., 1988.

Материальное обеспечение лекции:

1. Схема "Радиолиз воды".

2. Таблица "Стадии формирования лучевого поражения".

3. Рисунок "Основные виды ионизирующего излучения и их проникаю­щая способность".

4. Рисунок "Механизм поражения биологической молекулы при прохож­дении ионизирующих излучений".

План чтения лекции:

1. Введение - 2 мин.

2. Стадии формирования лучевого поражения - 13 мин.

3. Прямое и косвенное действие ионизирующих излучений. Радиолиз воды. Кислородный эффект. - 15 мин.

4. Действие ионизирующих излучений на макромолекулы. - 15 мин.

5. Действие ИИ на липиды и углеводы. - 12 мин.

6. Пострадиационные нарушения энергообеспечения клетки. - 18 мин.

7. Реакция клеток на облучение. - 10 мин.

8. Заключение. - 5 мин.

1. Введение

С физической точки зрения ионизирующие излучения очень различны, однако на биологические объекты они воздействуют во многом сходно. От­личительной особенностью действия ионизирующих излучений является спо­собность проникать в биологические ткани, клетки, субклеточные струк­туры и повреждать их, вызывая одномоментную ионизацию атомов и молекул за счет физических взаимодействий и радиационно-химических реакций.

Существует ряд теорий и гипотез, объясняющих действие радиации: принципы попадания, теория мишеней, гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций, структурно-метаболическая теория и ряд других.

Причем биологическое действие ионизирующих излучений рассматрива­ется как цепь последовательных стадий биофизических и радиохимических превращений в облученном субстрате.

2. Стадии формирования лучевого поражения

Развитие лучевого поражения проходит четыре стадии:

1. Физическая стадия. Длительность стадии составляет примерно 1*10^-16 сек., в течение которых происходит поглощение энергии излучения облучаемой средой с возбуждением и ионизацией ее молекул. Этот процесс практически не зависит от условий окружающей среды.

2. Физико-химическая стадия. Продолжительность 1*10^-7 сек. Заключа­ется в возникновении активных в химическом отношении свободных радика­лов, которые взаимодействуют между собой и с органическими молекулами клетки. Этот процесс слабо зависит от условий окружающей среды.

3. Химическая стадия. Длится, как правило, несколько секунд. На этой стадии появляются биохимические повреждения биологически важных макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов). Этот процесс существенно зависит от условий окружающей среды: температуры, фазового состояния и т.д. Например, свободные радикалы, образующиеся в зубной эмали под действием ионизирующего излучения на физико-химичес­кой стадии, практически не видоизменяются со временем на химической стадии, что позволяет использовать данный факт в биологической дози­метрии.

4. Биологическая стадия. Заключается в формировании повреждений на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях, формировании

отдаленных последствий облучения. Длительность этой стадии может силь­но варьировать (часы, недели, годы), что связано с особенностями про­текания патофизиологических процессов в различных органах и тканях. Например, для развития опухоли или лучевой катаракты требуется значи­тельно больше времени, чем для развития острой лучевой болезни.

Основная часть энергии заряженных частиц и гамма-квантов, взаимо­действующих с веществом, идет на его ионизацию и возбуждение. Под ио­низацией понимают отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы. Если энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона, то происходит возбуждение, т.е. переход электрона на удаленную от ядра орбиталь. За­ряженные частицы (альфа- и бета-частицы) производят ионизацию непос­редственно и относятся к так называемым прямо ионизирующим излучениям. Механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обуслов­лен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов ве­щества. Электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов. По этой причине они носят название косвенно ионизирующих излучений. Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются линейная плотность ионизации и линейная передача энергии.

Линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в вещест­ве.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заря­женной частицей на единице длины ее пробега в веществе. За единицу из­мерения принимают килоэлектроны-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм). Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но ис­пользуется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе. В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на редкоионизиру­ющие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) (пог­раничная величина 10 кэВ/мкм). К редкоионизирующим излучениям относят бета-, гамма- и рентгеновское излучения, к плотноионизирующим относят альфа- и нейтронное излучения. ЛПЭ заряженных частиц возрастает по ме­ре снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заря­женной частицей максимальна.

Тяжесть и характер лучевого поражения зависят от поглощенной дозы излучения и ее распределения в организме. Зависимость "доза-эффект" рассматривается как применительно к течению первичных биофизических, радиохимических, биохимических и морфологических изменений, протекаю­щих на субклеточном и клеточном уровнях, так и при формировании пато­физиологических реакций, проявляющихся клинически.

Эффективность суммарной дозы снижается, если облучение отличается малой мощностью и накопление дозы происходит в течение длительного времени. Действие облучения тем менее опасно, чем более дробно оно по­лучено. Частичное облучение переносятся легче, чем общее, а неравно­мерное - легче, чем равномерное общее в аналогичных дозах. Достаточно защитить хотя бы часть тела, чтобы ослабить последствия облучения. Местное облучение небольших участков тела даже в дозах, равных тысячам рентген, например, при лечении опухолей, не вызывает у пациентов луче­вой болезни, но может приводить преимущественно к местным изменениям вплоть до лучевого ожога.

Механизмы первичных эффектов радиации, действующей на живые клет­ки, выяснены еще неполно. Возможно два пути взаимодействия ионизирую­щих излучений с молекулами живого вещества. Допускается прямое непос­редственное воздействие проникающих излучений на радиочувствительные - органические субстанции, что приводит к появлению в них радиохимичес­ких реакций. При непрямом воздействии, как полагают, в результате рас­щепления облучаемой в клетках воды образуются свободные радикалы, действующие затем на органические молекулы.

Одна из теорий прямого действия радиации - теория "мишени" (Блау, Альтенбургер) - предполагает наличие в каждой клетке наиболее уязвимых пространств, воспринимающих облучение. К таким "мишеням", при пораже­нии которых клетка погибает, относили, в частности, ядерные хромосомы и нуклеолы в ядрах. Теория "мишени" в ее первоначальном виде сейчас не признается. Сторонники теории прямого действия придают особое значение повреждению нуклеопротеидов, некоторых ферментов, межмолекулярных свя­зей в крупных белковых молекулах. Прямое действие радиации, по-видимо­му, имеет определенное значение при воздействии больших доз излучений.

Авторы теории непрямого биологического действия радиации особое место отводят ионизации и радиолизу воды, содержащейся в клетках и межклеточных пространствах. Теория радиолиза воды была предложена Вей­сом в 1944 г.