Действие ионизирующих излучений

На биологические системы

 

Этапы действия ионизирующих излучений на

Биологические объекты

 

Изучение действия ионизирующих излучений на биологические объекты началось практически одновременно с их открытием. Актуальность и дальнейшее продолжение изучения действия радиации на организмы обусловлены расширением контактов человека и всего живого с радиационным воздействием. Действие всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества изучает радиобиология. Фундаментальной задачей радиобиологии является выявление общих закономерностей биологической реакции организма на радиационное воздействие. Решение этой задачи позволит разработать пути и методы управления лучевыми реакциями организма, а также найти средства защиты и восстановления организма от воздействия излучений. К настоящему времени в радиобиологии имеется ряд проблем и нерешенных вопросов. Основная проблема — проблема радиочувствительности. Нет однозначного ответа, почему радиочувствительность организмов варьирует в очень широких пределах.

В стадии изучения находятся также такие вопросы, как механизм дей­ствия ионизирующих излучений, действие на организм малых доз радиации, особенности действия на организм хронического облуче­ния инкорпорированных радионуклидов, отдаленные последствия облучения, радиационное нарушение иммунитета, радиопротекторная защита организма и др.

Ионизирующие (или ядерные) излучения возникают при распаде ядер радиоактивных элементов. Они невидимы и обнаруживаются по различным явлениям, происходящим при их действии на вещество. Опасность для биологических объектов связана с особенностями, которые присущи только ядерным излучениям. Они обладают высокой энергией, превышающей внутримолекулярную и межмолекулярную энергию связей атомов и молекул, проникают внутрь облучаемого объекта и передают ему свою энергию, вызывая при этом ионизацию и возбуждение атомов и молекул, разрывают химические связи в молекулах, т.е. вызывают радиолиз молекул. При облучении и после облучения формируются различные повреждения, которые проявляются на разных уровнях — от атомного и молекулярного до организменного.

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической активностью. Они могут вызывать ионизацию любых химических соединений, биосубстратов, а также радиолиз молекул с образованием активных радикалов, что приводит к возникновению многочисленных и длительных реакций в живых клетках и тканях. Результатом биологического действия радиации является нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях.

Все радиобиологические реакции начинаются одинаково, т.е. с формирования молекулярных и клеточных повреждений в результате передачи им энергии излучения, и заканчиваются физиологическими и морфологическими изменениями в облученном организме.

В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты выделяют ряд последовательных этапов, объединенных между собой причинно-следственными связями (табл.1).

 

Т а б л и ц а 1. Этапы действия ионизирующих излучений

На биологические объекты

 

№ этапа	Явление	Длительность этапа
	Физико-химический этап (ионизация и возбуждение атомов и молекул)	10-12 – 10-8 с
	Химический этап (образование свободных радикалов)	10-7 с – несколько часов
	Биомолекулярный этап (повреждения белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул)	10-3 с – несколько часов
	Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель организма)	Часы– недели
	Отдаленные биологические эффекты (опухоли, ге­нетические эффекты, гибель организма и т. д.)	Годы – столетия

 

Таким образом, начальное действие ионизирующих излучений происходит на атомном и молекулярном уровнях, затем, с течением времени, проявляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.

Единой теории, объясняющей механизм действия излучения, нет. В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно выделяют два основных этапа. Первый этап – первичное (непосредственное) дей­ствие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап – опосредованное действие, которое обуславливается измене­ниями, возникающими в организме под влиянием облучения. В результате многочисленных опытов, проведенных при облучении различных молекул, вирусов и бактерий, было предложено два теоретических направления, объясняющих механизм первичного действия ионизирующей радиации: 1) теория прямого действия излучений на молекулы, входящие в состав веществ и клеток; 2) теория косвенного действия.

Прохождение излучения через вещество или молекулы биологического субстрата сопровождается передачей энергии атомам вещества, что вызывает ионизацию и возбуждение атомов. Этот первый этап воздействия излучения характеризует акт прямого взаимодействия. Следовательно, под прямым действием ионизирующих излучений понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими молекулами, при этом поражающее действие связано с актом возбуждения и ионизации атомов и молекул. Под косвенным (непрямым) действием понимают изменение молекул клеток в результате взаимодействия их с продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ, а не в результате поглощения ими энергии излучения.

На основе представления о прямом действии ионизирующих излучений возникла теория мишени и попаданий, выдвинутая Дессауэром в 1925 году, а затем дополненная Тимофеевым-Ресовским, Циммером, Ли и другими исследователями. Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра — мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц излучения может вызвать разрушение и гибель клетки. Попадание в мишень — вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее; чем меньше доза, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно. В основе этой теории лежат два положения. Первое — принцип попадания — характеризует особенность излучения, которая заключается в дискретности поглощения энергии излучения, т.е. в поглощении порций энергии при случайном попадании в мишень. Второе — принцип мишени — учитывает особен­ность облучаемого объекта (клетки), т.е. различие в ее ответной реакции на одно и то же попадание. Эта теория приемлема только для простых систем.

Универсальной теорией радиобиологического действия ионизирующего излучения признана структурно-метаболическая теория Кузина А.М., предложенная в 1965 году. В основе теории лежит принцип многофакторности в проявлении любой радиобиологической реакции или радиобиологического эффекта. Автор выделил 6 общих принципов: дискретный характер передачи энергии; прямое и косвенное действие излучения; радиобиологические эффекты происходят у всех клеточных структур; генетические и физиологические нарушения передается по наследству; в клетке одновременно происходят процессы повреждения и восстановления; любой радиобиологический эффект развивается во времени. В облученной клетке происходит не только радиолиз (распад), но и синтез (образование) дополнительных высокореакционных продуктов, вызывающих повреждение макромолекул с образованием низкомолекулярных токсических метаболитов. Образование первичных радиотоксинов зависит от поглощенной дозы, времени облучения и носит экспоненциальный характер. После облучения образование радиотоксинов продолжается вследствие повышения активности ферментативных систем окисления, т.е. имеет место механизм биологического усиления начальных процессов.

Поражающий эффект определяется многими параметрами, в том числе наличием кислорода, концентрацией предшественников радиотоксинов, активностью ферментов, радиочувствительностью системы восстановления, концентрацией протекторных (защитных веществ), связью с окружающей средой. В этой теории ведущая роль в радиационном эффекте отводится нарушениям в клеточном ядре и биомембранах. Кузин А. М. ввел понятие о веществах, влияющих на геном клетки, и назвал их триггер-эффекторами. Триггер-эффекторы (хиноны, гормоны и др.), возникающие при облучении клетки, в зависимости от их концентрации могут оказывать депрессивное или репрессивное действие на геном клетки и на биосинтетические процессы.

При прохождении ионизирующих излучений через тканеподобное вещество происходят глубокие и практически необратимые перестройки атомов среды вещества. Судьба ионизированных и возбужденных атомов и молекул, образовавшихся после поглощения ионизирующего излучения, существенно зависит от химического состава и структуры поглощающей среды. Этапы формирования радиационного поражения клеток и тканей опи­саны многими схемами.

Например, Бак и Александер выделяют следующие этапы:

1) поглощение энергии ионизирующего излучения;

2) появление ионизированных и электронно-возбужденных молекул;

3) индуцирование изменений в молекулах;

4) развитие биохимических повреждений;

5) формирование субмикроскопических повреждений;

6) проявление видимых повреждений клеток;

7) гибель клетки.

Кузин А.М. в каждом этапе развития радиационно-биохимических процессов рассматривает реализацию определенных реакций, связанных с радиационно-химическими превращениями некоторых молекул в клетке.

Он предложил схему участия первичных радиотоксинов в развитии лучевого поражения организма (рис.3.).

Более 97 % общего состава живых организмов представлено легкими атомами водорода, кислорода, углерода, азота, серы, фосфора. Из этих элементов состоят основные компоненты биологических систем. В тканях животных и растений основная часть поглощенной энергии (70—85%) приходится на воду.

Молекулы воды составляют основу важнейших структур клетки, в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты клетки, которым может передаваться энергия, первоначально поглощенная водой.

Радиационно-химические реакции (радиолиз) молекулы воды хорошо изучены.

 

 

Рис. 3. Схема участия первичных радиотоксинов в развитии

лучевого поражения организма.

 

Первичные продукты радиолиза — свободный электрон и положительный ион, а также возбужденная молекула воды обладают свойствами, отличающимися от свойств электрически нейтральных молекул. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода (Н^о) и радикала гидроксила (ОН^о). Свободные радикалы — это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней оболочке. Радикалы в сотни раз активнее молекулы воды, так как имеют тенденцию «спаривать» неспаренный электрон с аналогичным электроном другого радикала. Время существования свободных радикалов составляет 2×10^-7 секунды. Радиолиз молекул воды проходит в две стадии. Первая стадия состоит из двух процессов: 1) ионизация и возбуждение молекул; 2) образование свободных радикалов.

В результате ионизации молекулы воды возникает положительно заряженный ион Н₂О⁺. Образование иона сопровождается потерей молекулой воды электрона, который превращается в гидратированный электрон (е_ag). Этот электрон обладает свойствами восстановителя, может соединяться с другой молекулой Н₂О с образованием отрицательно заряженного иона Н₂О^- или с положительным ионом Н₂О⁺ с образованием возбужденной молекулы воды Н₂О*. Первый процесс можно представить в виде двух реакций:

 

g®Н₂О® Н₂О⁺ + ē

® + Н₂О ® Н₂О ^-

Н₂О⁺ + ē ® Н₂О*

 

Продолжительность существования ионов и возбужденной молекулы воды составляет 10^-6 – 10^-9 секунды. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода и гидроксила (Н^о и ОН^о). Таким образом, первичные свободные радикалы Н^о и ОН^о образуются из ионов моле­кулы воды и при диссоциации возбужденной молекулы воды:

 

Н₂О⁺® Н⁺ + ОН^о

Н₂О^- ® ОН^- + Н^о

Н₂О* Û Н^о + ОН^о

 

Гидроксильные радикалы — сильные окислители, а радикал водорода имеет свойство восстановителя.

Во второй стадии происходит взаимодействие свободных радикалов друг с другом, с молекулами воды и с растворенными в воде молекулами различных веществ. Реакции могут идти следующими путями:

 

Н^о + Н^о ® Н₂ — образование молекул водорода;

ОН^о + ОН^о ® Н₂О₂ — образование перекиси водорода;

ОН^о + Н^о ® Н₂О — рекомбинация, восстановление воды;

Н₂О + Н^о ® Н₂ + ОН^о; Н₂О + ОН^о ® Н₂О₂ + Н^о — образование вторичных радикалов Н^о и ОН^о;

RH + OH^о ® Н₂О + R^о ; RH + H^о ® Н₂ + R^о — образование свободных радикалов различных молекул.

Радикалы, образовавшиеся при распаде возбужденной молекулы воды, обладают незначительной энер­гией, поэтому они не удаляются на большие расстояния друг от друга и подвергаются бы­строй рекомбинации. Величины радиационно–химического выхода молекулы воды распреде­ляются следующим образом: и небольшое количество Н₂ и Н₂О₂. Выход измеряется числом образовавшихся или распавшихся молекул на 100 Эв поглощенной энергии излучения.

Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неор­ганическими веществами идет по типу окислительно-восстанови­тельных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) дейст­вия радиации. Величина прямого и непрямого действия ионизи­рующего излучения в первичных радиобиологических эффектах раз­личных систем неодинакова. В абсолютно чистых сухих веществах преобладает прямое, а в слаборастворенных – косвенное действие. В клетках животных примерно 45% поглощенной энергии излучения действует непосредственно на молекулярные структуры – прямое действие.

При наличии в среде растворенного кислорода образуются гид­ропероксиды, первичным звеном которых является гидропероксид­ный радикал (), возникающий в результате реакции:

 

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода (Н₂О₂) и высшие пероксиды (Н₂О₄), которые обладают высокой токсичностью. В клетке эти соединения разлагаются ферментом каталазой на воду и кислород.

При облучении водных растворов биологически важных молекул ионизирующей радиацией с низким значением ЛПЭ радикалы и другие активные формы радиолиза воды возникают на расстоянии друг от друга. Это способствует вступлению их в реакции с другими растворенными молекулами. Когда излучение характеризуется высоким значением ЛПЭ, в плотном треке происходит радикал–радикальное взаимодействие, т.е. участие радикалов в реакциях с молекулами растворимых веществ становится менее существенным.

Радиационно-химические превращения молекул обычно исследуются в одно-и двухкомпонентных системах. В клетке сосредоточены во взаимосвязи друг с другом молекулы самых разнообразных веществ, и развитие радиационно-химических реакций подчиняется закономерностям, свойственным сложным многокомпонентным системам. Реакции, наблюдающиеся в модельных системах, не всегда близки к реальной ситуации в облученной клетке. Полное описание радиационно-хими­ческих процессов в клетке и ткани представляет сложную задачу с многими нерешенными вопросами. Поэтому необходимо ограничиваться упрощенным подходом, обращая внимание на повреждение молекул, выполняющих наиболее важные функции в жизнедеятельности клетки. Биологически важные макромолекулы — нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы – образуют основные структурные единицы клетки — хромосомы, биомембраны, полиферментные системы, клеточные оболочки. Повреждение биологически важных молекул обуславливается радиа­ционно-химическими превращениями (повреждениями) мономерных единиц, из которых они состоят. Степень нарушения функций макромолекулы зависит от выполняемой ею роли в клетке, степени уникальности, возможности ее замены из "резервных" молекул или синтеза новой идентичной макромолекулы.

Существенное значение для понимания процессов, которые происходят в клетках живых организмов при облучении, имеет изучение действия излучения на органические вещества. Экспериментально доказано, что под действием излучений разрываются связи в органических молекулах и они диссоциируют на отдельные фрагменты, т.е. происходит их деструкция с образованием ионов или свободных радикалов. На растворенные в воде вещества действие излучений может быть прямое, в результате чего возникают органические ионы и свободные радикалы, и косвенное, приводящее к образованию свободных органических радикалов и органических перекисей при взаимодействии продуктов радиолиза воды (Н^о, ОН^о, Н₂, и Н₂О₂) с органическими молекулами. Облучение водных растворов органических веществ может вызывать реакции димеризации и полимеризации органических соединений.

Наибольшую часть всех органических соединений в любом организме составляют белки, к основной функции которых относится ферментативный катализ. В состав белков входят 20 аминокислот. Молекулы большинства аминокислот имеют общую структуру:

Остаток R может иметь различное строение, что определяет специфичность свойств каждой аминокислоты и ее радиочувствительность. Набор аминокислот, их ко­личество и по­сле­довательность расположения в белковой молекуле определяет первичную структуру белка. Аминокислоты при помощи пептидных связей (–СО–NH–) со­единяются друг с другом, образуя каркас белковой молекулы. Атомы пептид­ных группировок располагаются в одной плоскости. Функциональные группы аминокислот (NH₂, COOH, OH, SH, S–S и т.д.), расположенные в боковых от­ростках пептидной цепи, могут взаимодействовать между собой и с другими органическими соединениями, образуя сложные белки.

При действии ионизирующих излучений на белковые молекулы индуци­руются изменения в аминокислотных остатках, образующих макромолекулу белка. Наиболее общими радиационно-химическими реакциями аминокислот явля­ются следующие процессы:

1) дезаминирование, сопровождающееся разрывом связи С–N и образо­ванием аминогрупп;

2) декарбоксилирование с разрывом связи С–С и образованием карбок­сильных групп;

3) дегидрирование, при котором происходит расщепление связей

С– Н и N– Н и образование различных групп.

Различия в строении остатка R обуславливают специфику радиолиза ка­ждой аминокислоты. С усложнением структуры молекулы аминокислоты и увеличением длины углеродной цепи возрастает частота разрывов и увеличивается количество продуктов радиолиза, т.е. возрастает радиочувствительность.

Установлено, что аминокислоты при облучении разлагаются преимущественно с отщеплением аммиака, т.е. происходит реакция дезаминирования. Радиационно-химический выход дезаминирования глицина, аргинина, аланина, лизина в водном растворе колеблется в пределах одной – пяти молекул NН₃ на одну пару ионов. С повышением концентрации раствора, а также дозы облучения выход аммиака возрастает.

Рассмотрим радиолиз раствора глицина, при котором происходит реак­ция дезаминирования (доза 10⁴ – 10⁵ рад). Под действием излучения разрывается связь С–N. Возникающий свободный радикал присоединяет из раствора радикал Н^о и превращается в аммиак:

 

 

Среди аминокислот наибольшей радиочувствительностью обладают серосодержащие аминокислоты, у которых радиолиз просходит при меньших дозах. Хорошо изучен радиолиз цистеина — самой радиочувствительной из аминокислот. Под влиянием двух свободных радикалов ОН^о сульфгидрильные группы двух молекул цистеина окисляются (отщепляется водород) и между двумя атомами серы замыкается связь с образованием молекулы цистина:

 

Изучение действия излучения на белки позволяет выделить основные ре­акции повреждения белковой молекулы: отщепление водорода по связи С–Н от углеродного атома с образова­нием белкового радикала; расщепление белка с образованием амида и карбонильного соедине­ния; нарушение и разрыв первичной структуры, сопровождающиеся обра­зованием низкомолекулярных фрагментов и полимеризацией молекулы белка; денатурация — специфическая реакция белков на облучение, при кото­рой белок переходит в нерастворимую форму без изменения химического со­става; радиационно–химические нарушения аминокислот; инакти­вация ферментов, т.е. потеря способности ферментов регули­ровать процессы обме­на веществ. В состав белков входят также наиболее радиочувствительные серосодержащие и ароматические аминокис­лоты. В водных растворах существенную роль в радиационных превращениях белковых молекул играют продукты радиолиза воды – радикал ОН^о и гидрати­рованный электрон e^-_aq. Свободнорадикальные образования могут локали­зовы­ваться в определенных местах молекулы. Через промежуточные соединения, возникающие по центрам локализа­ции свободнорадикальных соединений, белки расщепляются с образованием фраг­ментов белковых молекул. С участием свободных радикалов, локализо­ванных в разных участках белковой молекулы, могут происходить процессы поли­мери­зации и возникать ковалент­ные сшивки белков с молекулой ДНК. Облучение вызывает нарушение конформационного состояния, что при­водит к ослаблению способности белка регулировать самосборку надмолеку­ляр­­ных структур. Хорошо изучена реакция на облучение водных растворов ферментов, катализирующих разложение нуклеиновых кислот и белков. Причинами инактивации могут быть изменения пространственной кон­фи­гурации фермента, развертывание белковой глобулы, а также изменение ами­но­кислотного состава в результате повреждения поверхностных участков фермента. Образование продуктов радиолиза белковых молекул в живых клетках, облученных дозами, близкими к полулетальным, обычно невелико. Прямое повреждение белковых молекул, по-видимому, не имеет решаю­щего значения для жизнеспособности клеток, так как в клетке много одинаковых молекул и возможен синтез новой идентичной белковой молекулы.

Липиды находятся в клетке в довольно больших количествах и включа­ются в мембранную систему клетки. Радиолиз липидов сопровождается на­коп­ле­нием продуктов радиационно-химического превращения ненасыщенных жирных кислот, которые входят в состав липидов. Среди этих продуктов име­ются перекиси и гидроперекиси — липидные перекиси. Выходы липидных пе­рекисей могут составлять несколько сотен молекул на 100 эВ поглощенной энергии. Возникающие при этом нестабильные радикалы претерпевают ряд превращений, взаимодействуя с неповрежденными молекулами, друг с другом и c кислородом. В последней реакции образуется активный перекисный ради­кал, который, реагируя с исходной карбоновой кислотой, приводит к образова­нию гидроперекиси и нового перекисного радикала. Этой реакцией начина­ется цепной процесс окисления липидов, для продолжения которого необ­ходи­мо наличие в среде кислорода. Конечными продуктами радиолиза жирных кислот являются карбонильные соединения, альдегиды, кетоны, спирты, углекислый газ. В живой клетке цепная реакция окисления липидов невозможна, потому что происходят одновременно другие реакции, препятствующие этому процессу.

Углеводы представлены в природе моносахаридами (4–8 атомов угле­рода) и полисахаридами (более 8 атомов углерода). Радиолиз моносахаридов сопровождается образованием дезоксисахаридов, дезоксикетосоединений, мло­идиаль­дегида (МДА). Облучение полисахаридов вызывает разрыв углеродных связей и нару­шение структуры, изменение физико-химических свойств, деполиме­риза­цию, т.е. образование более простых молекул.

При радиолизе других органических молекул происходит нарушение их структуры в результате разрыва связей С–С, С–Н и связей углерода с функцио­нальными группами С–R. Возникают радикалы различных типов. Среди продуктов появляются не только фрагменты углеводородной цепочки, но и продукты превращения функциональных групп. Например, при радиолизе спиртов, эфиров и кетонов образуется водород (реакция дегидрирования), при радиолизе органических кислот – двуокись углерода (реакция декарбоксилирования), при радиолизе аминов – аммиак (реакция дезаминирования). Происходят также реакции синтеза, т.е. образование более сложных молекул в результате полимеризации простых молекул и функциональных групп.

Действие ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты – ДНК, разные формы РНК и на их аналоги исследовано обстоятельно. Исследова­ниями доказано, что в развитии лучевого поражения клетки особо важное ме­сто принадлежит молекулярным повреждениям компонентов генетически важных молекул, в частности ДНК, входящей в состав хромосом. Определяю­щая роль повреждения ДНК основывается на том, что гигантские моле­кулы ДНК в гаплоидном наборе хромосом не повторяют друг друга, представляя со­бой уникальную структуру клетки. Поэтому исследование радиационно-химических повреждений молекул нуклеиновых кислот приобрело большое значение в раскрытии механизмов радиобиологических явлений.

Облучение ДНК в водных растворах и сухих препаратах вызывает в пер­вую очередь радиолиз ее структурных единиц: оснований, нуклиотидов, угле­водной части, а также молекулы. К основным радиационно-химичес­ким реакциям оснований относят дезаминирование пуриновых основа­ний (аденина и гуанина) и цитозина, образование пиримидиновых и пуриновых ра­дикалов при разрыве пиримидинового или имидазольного кольца, образование гидроперикисных радикалов, образование в водных растворах кетильных ра­дикалов при участии радикалов Н^o и ОН^o. Повреждение оснований ДНК клетки может быть причиной генных мутаций организма.

Сведений о радиационно–химических изменениях нуклеозидов, нуклео­тидов и нуклеиновых кислот значительно меньше. Однако они позволяют сде­лать вывод о том, что в основаниях, облученных в составе этих трех структур­ных единиц, происходят качественно те же изменения, что и в основаниях, облученных в свободном виде. Установлено, что выходы реакций оснований, входящих в состав молекулы ДНК, меньше, чем при облучении их в свободном состоянии. Это связано с тем, что часть продуктов радиолиза воды (в основном радикале ОН^о) расходуется в кон­ку­ри­рующих реакциях с углеводной частью. Выходы разложения пирими­диновых оснований превышают выходы разложения пуриновых.

У дезоксирибозы, входящей в состав ДНК, облучение приводит к обра­зованию дезоксирибозилрадикалов, которые возникают чаще всего при взаи­модействии радикала ОН^о с одним из атомов водорода дезоксирибозы. Эти радикалы претерпевают реакции дегидратации и гидролиза с образова­нием окислительных и восстановительных продуктов. В результате изменений в уг­леводной части происходит разрыв полинуклеотидных связей, сопровождаю­щийся выделением свободных оснований. Связь 3¢РО₄ более радио­чувстви­тельна, чем связь 5¢РО₄. При действии продуктов радиолиза воды на углерод­ные атомы, не связанные с фосфорной группой, возникают неустойчивые со­единения – лабильные фосфатные эфиры, которые, подвергаясь гидролизу, об­разуют дополнительное количество фосфорной кислоты.

Облучение растворов ДНК вызывает структурное изменение молекулы ДНК. Целостность “скелета” ДНК, или первичной структуры, определяется ме­ж­углеродными связями С₃¢ – C₄¢; C₄¢ – C₅¢ и фосфорными связями C₅¢ – OPO – C₃¢. Разрушение любой из этих связей приводит к одиночному (однонитевому) разрыву нуклеотидной цепи. Одиночные разрывы обнаруживают по уменьше­нию молеку­ляр­ного веса одиночных нитей ДНК, а также по концентрации вы­делившегося фосфата, по выходу МДА (млоидиальдегида). По мере накопле­ния одиночных разрывов (при увеличении дозы облучения) расстояние между ними в комплиментарных цепях уменьшается и возникают двойные разрывы, приводящие к уменьшению молекулярного веса ДНК. Количество двойных разрывов накапливается пропор­циональ­но квадрату дозы облучения. При облучении ДНК редкоионизирующим излучением соотно­ше­ние между двой­ными и одиночными разрывами составляет от 1:20 до 1:50. Оно снижается с увеличением плотности ионизации.

Изменения во вторичной структуре молекулы проявляются в виде разры­вов водородных связей между комплиментарными основаниями, что вызывает частичную денатурацию молекулы ДНК. Выход разрывов водородных связей рассчитывается по доле оснований, оставшихся спаренными в ДНК после облучения. Все разрывы молекулы ДНК разделяются на две группы: первичные, которые происходят в момент облучения под действием излучения, и пострадиационные, которые происходят после облучения, в резуль­тате радиационно-химических реакций молекулы ДНК с другими молекулами и свободными радикалами. На рисунке приведены схемы структурно-радиационных повреждений молекулы ДНК. На рис 4. указаны места в моле­куле ДНК, где наиболее легко реализуется поглощенная энергия после миграции по молекуле.

 

 

Рис.4. Основные радиационно-химические повреждения

молекулы ДНК

 

Обозначения: а) одиночные разрывы; б) двойные разрывы; в) частичная денатурация молекулы в ре­зультате распада п водородных мостиков; г) радиационные изме­нения оснований; д) отщепление оснований; е) образование сшивок; ж) распад дезоксирибозы.

При облучении сухой ДНК и ДНК, содержащей небольшое количество воды, было обнаружено увеличение ее молекулярного веса и зафиксировано образо­вание разветвленных структур. Облученная в вакууме ДНК теряет раствори­мость. Эти факты объясняются образованием ковалентных сшивок (слипание нитей) в молекуле ДНК при облучении. Присутствие воды увеличивает образо­вание сшивок, а наличие кислорода препятствует этому процессу. Известны сшивки нескольких типов: продольные (между поврежденными основаниями), поперечные (между двумя нитями ДНК) и сшивки между нитями ДНК и молекулами белка. Возникновение сшивок является результатом образования ковалентных связей 3-х типов: между двумя реакционно–способными концами полимерной цепи, между поврежденными основаниями и между поврежденными основа­ниями и сахарофосфатными остатками. Однако механизм образования и мо­лекуляр­ная природа сшивок не выяснены до конца.

Выход повреждений ДНК при облучении клеток дозами, вызывающими репродуктивную гибель клеток, т.е. потерю способности клеток к делению, не­значителен. Однако и при очень малом выходе повреждений могут нарушаться структура и функции этих молекул в клетке. ДНК клетки, как объект радио­биологических реакций, существенно отличается от ДНК простых радиобио­логических систем. В составе хромосом ДНК находится в виде двойной незам­кнутой спирали. В митахондриях, пластидах и в клетках прокариот (клетки без ядер) ДНК представлена в виде двойной цепочки, замкнутой в кольцо. Клеточная (ядерная) ДНК хранит генетическую информацию клетки в виде генети­ческого кода. Генетический код – это последовательность чередования нуклео­тидов в молекуле ДНК, которая определяет порядок расположения амино­кислот в белке. Облучение ДНК может привести к нарушению генети­ческого кода и к появлению генных мутаций.

К настоящему времени доказано, что при облучении хромосомной ДНК клеток наблюдаются следующие первичные реакции: окисление пиримидиновых оснований и распад пуриновых оснований, обратимые и необратимые разрывы водородных связей, конфигурационные изменения надмолеку­ляр­ных структур ДНК, внутри- и межмолекулярные сшивки полимерных цепей. В живых клетках ДНК связана с белками –гистонами, образуя самый сложный комплекс – хроматин, куда входят ДНК, РНК и белковые компоненты. Синтез ДНК и его задержка совпадают с этими же процессами у гистонов. Элементарная хромосомная нить образована спиралью ДНК, скрепленной гистонами. Облучение вызывает образование сшивок ДНК–белок. Главную роль в образовании сшивок играют продукты радиолиза пиримидиновых оснований (пиримидиновые и перекисные радикалы) и меньшую роль – продукты повреждения пуриновых оснований. При облучении клеток однонитевые разрывы вызывают потерю способности молекулы скручиваться в спираль и структура молекулы становится кольцевой. Двунитевые разрывы вызывают переход кольцевой структуры в линейную. Повреждения сахарофосфатных связей приводят к возникновению поперечных ковалентных сшивок ДНК–ДНК. При облучении клетки повышается активация ферментов ДНК–аз, которые вызывают деполимеризацию ДНК. Разрушение ядерных и цитоплазматических мембран при облучении создает условия для ферментативного повреждения молекулы ДНК. В клетке имеет место дис­танционное действие на ДНК радиотоксинов – стабильных продуктов радио­лиза клеточных и межклеточных молекул.

Следует отметить, что реакции, связанные с потерями и модификациями оснований, так же как и разрывы фосфороэфирных и межуглеродных связей, неспецифичны для ионизирующего излучения, так как выход многих продук­тов этих реакций наблюдается при воздействии некоторых химических и физических факторов, клеточных ферментов типа эндо- и экзонуклеаз, ультра­фиолетового излучения.

РНК, представленная в клетке несколькими формами (матричная, рибо­сомальная, транспортная), относится к массовым молекулярным структурам клетки, т.е. формы повторяются или содержатся в нескольких копиях, и, в отличие от ДНК, могут синтезироваться в требуемом количестве в клетке. Поэтому их радиационное повреждение менее значимо при лучевом по­ражении клетки. В основном, типы радиационного повреждения молекул РНК такие же, как и молекулы ДНК.

Клетка – элементарная биологическая система, способная к размноже­нию. В живой клетке, как в отрегулированной биологической системе, изменение в какой-либо её части отражается на функционировании всей клетки.

Морфологические изменения в клетках обнаруживаются не сразу после облучения, а через некоторое время, которое неодинаково для разных клеток. Видимые изменения – это результат многочисленных сложных процессов в обмене веществ и невидимых изменений клеточных структур. При облучении клеток наблюдаются следующие морфологические изменения: увеличение размеров клеток, увеличение ядер, образование двухядерных и трехядерных клеток, дробление ядер, изменение формы клеток, многополюсные митозы, увеличение объема хромосом, слипание хромосом, образование фрагментов хромосом, которые могут вызывать гибель клеток.

Согласно правилу французских ученых Бергонье и Трибондо радиационная гибель клеток прямо пропорциональна интенсивности их деления и о