Лекция ИИ41 (Электронные лекции)

Лекция ИИ4

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 единицу 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.

К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование. Доза 100 Р. проявляется в повреждении системы генерирования аденозинтрифосфата (АТФ), без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.

Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма млекопитающих являются ядро и митохондрии. Повреждение происходит при малых дозах (50 Р).

Рассмотренная выше химическая стадия действия ИИ на клетку, приводит к нарушениям, наступающим в результате высвобождения ферментов из клеточных органелл и изменения их активности. Эти нарушения соответствуют биохимическому этапу лучевого поражения клетки. Высвободившиеся ферменты путем диффузии достигают любой органеллы и проникают в нее благодаря увеличению проницаемости мембран. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот и белков.

Разнообразные функциональные изменения, происходящие на биологической стадии, формируются в течение секунд, часов, дней или месяцев. Они могут закончиться гибелью клетки.

Наиболее важные изменения в клетке после облучения:

а) повреждение механизма митоза (деления) и хромосомного аппарата. Причём самые ранние эффекты связаны с повреждением мембран.

б) блокирование процесса обновления и дифференцировки клеток;

в) блокирование процессов пролифирации и последующей физиологической регенерации тканей.

Радиочувствительность клетки зависит от скорости протекающих в ней обменных процессов. Клетки, пребывающие в стационарной фазе, менее чувствительны, а клетки, для которых характерны интенсивно протекающие биосинтетические процессы, высокий уровень окислительного фосфорилирования и значительная скорость роста, более чувствительны. В малообновляемых тканях скрытое лучевое повреждение может храниться долгое время, с этим связана способность тканей суммировать эффект лучевого поражения при длительном фракционированном облучении с малой мощностью дозы.

п. 3. Биологические реакции человека на действие ИИ.

Летальная доза – такая доза облучения, при которой организм погибает мгновенно. Летальная доза для млекопитающих составляет 300  900 Р. Поглощаемая при этом тканями и органами энергия могла бы повысить их температуру всего на сотые доли градуса.

Как уже было сказано ранее (глава 1 §4) при действии на млекопитающих различают:

1. Соматические (телесные) эффекты, которые проявляются в индивидууме, непосредственно подвергшемуся облучению, а не на его потомстве.

2. Генетические (врождённые) эффекты, проявляющиеся в следующем поколении как уродства. Возникают в результате мутаций и других нарушений в половых клеточных структурах, ведающих наследственностью.

Поглощение организмом млекопитающего до 10 Гр ИИ вызывает острую лучевую болезнь. В частности, для человека укажем острые поражения:

1) менее 100 бэр – легкие (изменение формулы крови, изменение некоторых вегетативных функций);

2) более 100 бэр – острая лучевая болезнь. Дозы однократного облучения 500-600 бэр – смертельны.

3) лучевые ожоги: до 500 бэр и более 1200 бэр (4 степени) от выпадения волос и шелушения и пигментации кожи до язвенно–некротических поражений с образованием трофических язв.

4) при длительном, повторяющемся или внутреннем облучении возможно развитие хронической лучевой болезни.

Отдаленные последствия (соматические): лейкемия, злокачественные новообразования, катаракта (помутнение) хрусталика глаза, сокращение продолжительности жизни. Соматические эффекты делятся на стохастические (вероятностные) и нестохастические. К нестохастическим относят поражения, вероятность возникновения и степень тяжести которых растёт по мере увеличения дозы облучения и для возникновения которых существует дозовый порог (наименьшая доза, при которой возможен эффект): лучевой ожёг, катаракта глаз, повреждение половых клеток (кратковременная или постоянная стерилизация) и др. Стохастические эффекты, вызванные ИИ – те, для которых от дозы зависит только вероятность возникновения, а не их тяжесть. Основные – канцерогенные и генетические эффекты. Они имеют длительный латентный (скрытый) период, измеряемый десятилетиями после облучения.

Действие на наследственность: у человека возможны все виды мутаций. Цитогенетические эффекты облучения зародышевых клеток состоят в образовании гамет с измененным набором хромосом, и мутациях в самих генах. Генные мутации делятся на доминантные (которые проявляются сразу в первом поколении) и рецессивные (которые могут проявиться лишь в том случае, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген; такие мутации могут не проявиться на протяжении многих поколений или не обнаружиться вообще).

Следует отметить особо, что никакая доза облучения не приводит к перечисленным выше последствиям во всех случаях. Любой человек, подвергшийся облучению, совсем необязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней. Однако вероятность, или риск, наступления таких последствий у него больше, чем у человека, который не был облучён. И риск тем больше, чем больше доза облучения.