Лекция ИИ3 (Электронные лекции)

Жорина Л.В., Змиевской Г.Н. «Основы взаимодействия физических полей с биообъектами. Часть 1»

§6. Физико – химические эффекты действия ИИ. Биодействие ИИ.

п.1. Прямое и непрямое действие ИИ. Кислородный эффект.

При облучении биообъектов, содержащих в своем составе воду, принято считать, что 50% поглощенной дозы в “средней” клетке приходится на воду, другие 50% - на ее органеллы и растворенные вещества [3]. В соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) говорят о непрямом и прямом действии ИИ. Соответственно и биомолекула, субклеточная структура под действием могут быть повреждены в результате двух механизмов, которые определяются как прямое и непрямое действие ИИ. Прямое действие обусловлено непосредственным взаимодействием заряженной частицы с биомолекулой или субклеточной структурой. Непрямое (косвенное) действие ИИ обусловлено повреждением биомолекулы в результате её взаимодействия с радиационными химическими продуктами, образовавшимися в окружающей среде.

Непрямое действие ИИ: возникшие в результате взаимодействия с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений клеток давая начало вторично-радикальным продуктам.

При взаимодействии ИИ с водой происходят следующие процессы:

H₂O  H₂O⁺ + e^-; H₂O + e^-  H₂O^-.

Возникающие ионы воды в свою очередь распадаются с образованием ряда радикалов, которые взаимодействуют между собой:

H₂O⁺  H⁺ + HO; H₂O^- H + OH^-; H + OH  H₂O;

OH + OH  H₂O₂; H₂O₂ + OH  H₂O + HO₂.

С точки зрения биохимии считается, что основной эффект лучевого поражения обусловлен радикалами H, OH, H₂O₂ и особенно HO₂ (гидропероксид или пергидроксил). Радикал HO₂ обладает высокой окислительной способностью. Строение этого свободного радикала таково: Н-О-О-. Его выход уменьшается пропорционально падению парциального давления O₂, т.к. HO₂ образуется при облучении воды в присутствии кислорода. Поэтому при снижении концентрации O₂ в период облучения уменьшается эффект лучевого поражения (кислородный эффект). На молекулярном уровне кислородный эффект проявляется в усилении радиационной инактивации ферментов, повреждении углеводов, ДНК, и т.д. На клеточном уровне кислородный эффект проявляется в увеличении частоты генетических повреждений, гибели клеток. Не следует путать описанный здесь кислородный эффект при взаимодействии РИ с водой и передачу энергии молекуле кислорода с образованием синглетного кислорода в оптическом диапазоне (см. гл.3, §12).

Прямое действие: пути превращений энергии могут быть представлены на первом этапе возникновением ионизированных и возбужденных молекул (A*):

A  A⁺ + e^-, A  A*,

Важнейшими процессами, ведущим к химическим преобразованиям (а, следовательно, к поражению) биомолекул является диссоциация А* на молекулярные продукты и взаимодействие с сенсибилизатором (например, с кислородом):

А* + O₂  А*O₂ .

Из экспериментальных данных следует, что в клетках прямые и непрямые эффекты сопоставимы между собой. Эффекты прямого действия неизменяемы химическими агентами. Модифицируется только часть эффектов, связанных с косвенным действием ИИ. В этом случае фактически речь идёт либо о перехвате и нейтрализации радикалов, либо, наоборот, о повышении выхода радикалов и усилении непрямого действия ИИ.

Итак, радиационное поражение осуществляется в 3 этапа:

1) физическое, физико–химическое;

2) химическое;

3) биохимическое (биологическое).

Поглощение энергии молекулами структур клетки – физическая стадия действия излучения - заканчивается за 10^-13 с. Происходящие процессы невозможно модифицировать, т.к. число первичных актов ионизации и возбуждения не зависит от состояния объекта и определяется лишь свойствами излучения. При дозе 1000 рад в клетке образуется приблизительно 10⁶ активных центров (т.е. ионизированных и возбужденных молекул). Например, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что часть первичных летальных повреждений молекул ДНК в клетках возникает в процессах прямого действия излучения за времена менее 10^-10 – 10^-12 с. В этом случае химическая защита или сенсибилизация представляются мало реальными [16].

Рассмотрим передачу энергии заряженной частицы среде. По закону Резерфорда при взаимодействии заряженной частицы со средой число событий с передачей энергии Е обратно пропорционально квадрату этой энергии:

.

Таким образом, энергия чаще всего передаётся электронам среды малыми порциями. При прохождении быстрой заряженной частицы через слой вещества потеря энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды удовлетворительно описывается квантово-механической формулой Бете-Блоха:

где (Ze) – заряд бомбардирующей частицы; v – – скорость этой частицы; (nZ) – концентрация электронов тормозящей среды; m – масса электрона; =v/c, с – скорость света; I – средний потенциал ионизации атомов тормозящей среды.

Функция В слабо зависит от v² и

(1.1)

Формулу (1.1) можно использовать в широком диапазоне скоростей.

При малых скоростях движения заряженной частицы (иона) в среде имеют место несколько процессов взаимодействия:

- неупругие: а) обычные (ударные) процессы ионизации и возбуждения;

б) процессы перезарядки (захват и потеря электронов мишени);

- упругие ядерные столкновения.

Возникновение биорадикалов в связи с внутримолекулярной миграцией энергии и диффузией радикалов воды – физико–химическая стадия действия излучения, длится приблизительно 10^-10 с. Модифицировать физико–химиче­ский этап лучевого поражения могут агенты, способные изменять характер ми­грации энергии или вступающие в реакции со свободными радикалами.

После облучения ионизированные и возбуждённые атомы и молекулы вещества клетки в течение 10^-6 с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, давая начало химически активным центрам (свободные радикалы, ионы, ион–радикалы и т.п.). В тот же период возможно образование разрывов связей в молекулах как за счет непосредственного взаимодействия с ионизирующими агентами, так и за счет внутри- и межмолекулярной передачи энергии возбуждения. Последующее взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами приводит к возникновению стойких молекулярных изменений: повреждению в структуре молекул, составляющих клетку. Это химическая стадия действия ИИ, длится приблизительно 10^-6 с.

Далее – реакции химически активных веществ с различными биоструктурами, при которых отмечаются деструкция и образование новых, не свойственных облучаемому организму, соединений. Как следствие – нарушение обмена веществ в биосистемах с изменением соответствующих функций.

п.2. Действие ИИ на белки, нуклеиновые кислоты,

простые сахара (углеводы), липиды, клетку.

Напомним структуру белков и ДНК.

Первичная структура белка – последовательность аминокислот; вторичная – локальная упорядоченность; третичная (конформация) – пространственная структура в определённом объёме, определяется выполняемой функцией; четвертичная – сосуществование различных глобул, как, например, в молекуле гемоглобина. Белки выполняют различные функции: соединительную, иммунную, транспортную и т.д.

Ферменты – белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. Они являются биологическими катализаторами, т.е. ускоряют биологические реакции. Ферментативные реакции делятся на анаболические (реакции синтеза крупных молекул из более мелких и простых) и катаболические (реакции распада крупных молекул на более мелкие и простые). Для анаболических реакций необходима затрата энергии, катаболические реакции обычно идут с выделением энергии. Совокупность всех этих реакций в любой данный момент составляет метаболизм (клетки, органа, организма).

Структура ДНК: первичная – последовательность нуклеотидов в полинуклеотидной цепи; вторичная – пространственное расположение цепи.

Облучение белковых растворов приводит к нарушению первичной структуры белков (выборочное разрушение отдельных аминокислот, изменения в аминокислотах: разрывы связей С-С и С-N, отщепление карбоксильной группы, атома Н), изменению вторичной структуры, нарушению конформации, возможно нарушение активного центра ферментов. Может возникнуть агрегация молекул за счет образования дисульфидных связей, деструкции, связанной с разрывом пептидных или углеводородных связей. Возможна также денатурация белка, т.е. утрата трехмерной конформации данной молекулы. При этом аминокислотная последовательность белка остается неизменной. При этом теряется способность выполнять свою обычную биологическую функцию, теряется способность к межмолекулярному узнаванию (потеря иммунитета). Наиболее слабое место при облучении белков SH – группы.

Все эти процессы наблюдаются при поглощении достаточно высоких доз ( 10⁵ рад). При дозах 500 Р замедляется биосинтез белка за счет снижения уровня доноров метильных групп и триптофана для аминокислот. При небольших дозах с помощью системы репарации происходит восстановление повреждений, вызванных ИИ. Тест-эффектом облучения ферментов является потеря ими активности.

При действии ИИ на нуклеиновые кислоты происходит повреждение нуклеотидов (пуриновых и пиримидиновых оснований, окисление спиртовых групп, разрывы С-С связей); одно- (ОР) и двухнитивые (ДР) разрывы (разрывы водородных связей и частичная денатурация ДНК), возникновение межмолекулярных сшивок (ДНК-ДНК, ДНК-белок). Могут оказаться поврежденными иРНК и тРНК и рибосомы. Наиболее слабое место при облучении ДНК – хромофорные группы тимина.

ОР и ДР считаются ответственными за летальные события в клетке. В клетках млекопитающих эффективно репарируются как ОР, так и ДР.

Однонитевые разрывы определяются как:

- разрыв в одной из нитей;

- разрыв в обеих нитях, при этом расстояние по нуклеотидной цепочке между этими разрывами достаточно большое. Такие ОР называют также двойными ОР.

Двунитевым разрывом является разрыв в обеих нитях, и при этом расстояние между этими событиями по цепи не больше 3-5 нуклеотид.

Можно считать установленным, что

- выход ОР пропорционален дозе облучения ИИ;

• выход ОР уменьшается с ростом линейной передачи энергии (ЛПЭ). ЛПЭ – тормозная способность вещества (близка к потере энергии на единицы пути

• (см. формулу (1.1))).

- число ОР существенно уменьшается со временем из-за репарационных процессов. В клетках млекопитающих ОР практически полностью репарируются. При одинаковой поглощённой дозе отношение числа ДР к ОР

С биофизической точки зрения причиной такое соотношения служит то, что ДР может наступить только тогда, когда в очень малом пространстве с длиной пути частицы около 2 нм и сечением, равном длине 3-5 нуклеотидов, происходит, по крайней мере, два события энергопоглощения, что значительно менее вероятно, чем единичный акт.

С ростом числа заряженных частиц выход ДР увеличивается, достигая наибольшего значения при величине ЛПЭ равной 100-200 кэВ/мкм. При дальнейшем увеличении ЛПЭ выход ДР снижается.

Репарация ДР в 10% клеток млекопитающих не происходит по тем или иным причинам, которые погибают в результате воздействия ИИ.

Структурные повреждения ДНК в результате действия ИИ будут служить препятствием для нормального протекания процессов репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.

Облучение значительными дозами (до 10 и более миллионов рад) приводит к окислению и распаду простых сахаров, в результате чего образуется органические кислоты и формальдегид.

В результате облучения липидов инициируются реакции свободнорадикального перекисного окисления, которым придают особо важное значение в развитии лучевой болезни. При облучении организма отмечается снижение содержания липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови. Перекисное окисление липидов может привести к поражению мембранносвязанных белков, а также к нарушению проницаемости мембран, смещению ионных градиентов, выходу ферментов из лизосом, нарушению окислительного фосфорилирования. Нарушение ядерной мембраны может привести к разрушению генетического аппарата, например, вследствие проникновения в ядро гидролитических ферментов – РНК-аз, окислительных фосфатаз и других. Обнаруживается в результате действия ИИ изменения во внутриклеточных структурах и, в частности, в митохондриях и микросомах. Накапливаются токсичные для клетки продукты окисления тканевых липидов.