4.1 Воздействие ионизирующей радиации на атомном и молекулярном уровнях

При облучении биологической ткани ионизирующими излучениями все процессы можно выразить следующими этапами:

1. Физический этап – поглощение энергии ( рентгеновское, гамма, нейтронное излучение). Продолжительность 10 ^{– 24 –} 10 ^{– 4} с.

2. Физический и химический этапы (т.е. перераспределение энергии за счёт ионизации, электронное возбуждение молекул). Продолжительность 10 ^{– 12} – 10 ^{– 8} с.

3. Химические повреждения. Прямое действие. Косвенное действие, т.е. образование свободных радикалов из воды. Возбуждение молекул до теплового равновесия. Продолжительность от 10~ ^{– 7} с. до нескольких часов.

4. Биомолекулярные повреждения, т.е. повреждение белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена. Продолжительность от микросекунд до нескольких часов.

5. Ранние биологические и физиологические эффекты, т.е. – биохимические повреждения, гибель клеток, органов, всего организма. Длится стадия от нескольких минут до нескольких недель.

6. Отдалённые биологические эффекты (стойкое нарушение функций, возникновение опухолей, генетические мутации, действие на потомство. Соматические эффекты: лейкоз, рак, сокращение продолжительности жизни, гибель организма). Длится годы, столетия.

Известно, что тело человека состоит: из воды примерно на 65%, белков и человеческих клеток на 18 – 20 %, жиров на 8 – 10%, углеводов на 5% и других веществ на 2%.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется, и образуются ионы с разными зарядами.

При облучении воды ионизирующими излучениями в них идут процессы ионизации с образованием быстрых свободных электронов и положительно заряженных ионов воды Н₂0+ . Образованные свободные электроны быстро взаимодействуют с молекулами воды, в результате чего возникает возбужденная молекула воды, которая в свою очередь диссоциирует с образованием радикалов Н*, ОН*. Время их жизни 10 ^{– 5} с. За это время они реагируют либо между собой с образованием молекулы воды, пероксидов водорода, либо с растворенным субстратом,

Свободные радикалы Н*, ОН* особенно химически активны.

Продукты радиолиза воды Н₂0₂ (пероксид водорода) вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), происходит разрыв углеродных связей, нарушение ферментативных систем, синтеза ДНК, белка.

Нарушаются обменные процессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энергии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель клеток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

В организме человека имеются «гигантские молекулы» – нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды. Основу жизни на Земле составляет молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Она входит в состав клеток.

Молекула ДНК

Молекула ДНК – это хранитель генетической информации, и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. При облучении молекулы ДНК она возбуждается в целом, но из – за миграции энергии в молекуле происходит разрыв в самом слабом месте, а именно: рвутся водородные связи между отдельными участками молекулы.

Установлено, что в молекуле может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однотиевых разрывах и при этом поражение генов молекулы не наблюдается. Но если количество однонитиевых разрывов больше 7 или имеются двухнитиевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации – перекомбинации(разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем «склеиваются» в новых сочетаниях, и закодированная в генах информация искажается или теряется совсем).

Таким образом, в результате аберраций искажаются гены, возможна и гибель молекулы ДНК. Находясь в составе хромосом соматической клетки, молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление, приводящее к раку.

Молекула белка

Ученые считают, что именно молекула белка, как одна из молекул жизни, появилась первой на Земле.

Белок – это высокомолекулярное органическое соединение, построенное из 20 аминокислот. Из 20 аминокислот в организме человека синтезируется только 12, остальные 8 в готовом виде поступают в организм вместе с пищей.

До 20% поглощенной энергии связано с повреждением белка. При облучении молекулы белка ионизирующими излучениями она возбуждается в целом, и за счет миграции энергии разрыв происходит в наиболее слабых местах, а именно в связях между аминокислотами. В отличие от молекулы ДНК, молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

Таким образом, в результате прямого действия ионизирующих излучений в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. Образование свободных радикалов влечет за собой изменения структуры белка:

– разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей;

– модификация аминокислот в цепи;

– образование сшивок и агрегатов;

– нарушение вторичной и третичной структуры белка.

Углеводы

Учитывая, что молекула углерода более устойчива к облучению, чем молекула воды, то при облучении возникают радикалы воды, о свойствах которых уже говорилось ранее. Поскольку углеводы – источник энергии в организме, то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем организма.

Под действием излучения происходит отрыв атома водорода от кольца углеводной молекулы, образуются свободные радикалы, а затем – перекиси.

Клетка

Клетка – это один из основных структурных, функциональных и воспроизводящих элементов живой материи, ее элементарная живая система.

В 1 г человеческой ткани примерно 600 миллионов клеток. У новорожденного человека число клеток составляет 2*1012, которое еще больше возрастает по мере роста организма и может достигать более 1023 клеток.

Клетка имеет достаточно сложное строение и изучается в биологии.

В организме человека можно выделить много видов клеток, выполняющих различные функции.

Различают клетки: половые, жировые, лейкоциты, лимфоциты и другие.

Радиобиологический закон выделяет виды клеток:

– делящиеся – относятся к радиочувствительным. Такими являются кроветворные клетки: костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий;

– неделящиеся клетки относят к радиоустойчивым: мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки.

Наибольший вред организму приносит облучение соматических клеток и клеток крови.

Клетка состоит из мембраны, ядра, цитоплазмы, рибосом, митохондрий, транспортных молекул тРНК (рибонуклеиновой кислоты), матричных мРНК, молекул АТФ (аденозинтрифосфата), рибосомных рРНК и др. В ядре клетки находится 46 хромосом (рисунок 4.1). При облучении клетки, например, бета – частицами, прежде всего, повреждается мембрана. Если интенсивность облучения превышает некоторый предел, то тРНК задачу «ремонта» мембраны решить не могут, и клетка погибает.

Дальнейшее проникновение бета – частиц в клетку может вызвать разрушения любых органелл.

Наиболее драматичная ситуация возникает, если поражаются хромосомы и их главная часть – молекулы ДНК. В этом случае клетка или погибает, или начинает бесконтрольно делиться.

Выделяют следующие последствия:

– при облучении ядра клетки возможны: подавление клеточного деления (если клетка делится), двунитчатые разрывы нуклиотидов и хромосомные аберрации, однонитчатые разрывы нуклеотидов и репарация (восстановление) связей, нарушение синтеза ДНК и остановка деления (для делящихся клеток), генные мутации, нарушение транспортной функции и репарация, нарушение синтеза клеточных белков, запуск механизма бесконтрольного деления (в соматических клетках);

– нарушение проницаемости цитоплазматической мембраны;

– цитолиз лизосом (лизосомы – цитоплазматические включения, с которыми связано накопление некоторых ферментов и процессы внутриклеточного пищеварения);

– нарушение энергетического обмена за счет разрушения (повреждения) митохондрий и молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

– радиационный автолиз эндоплазматической сети (специальная структура цитоплазмы).

Последствия облучения половой клетки. Первая эмбриональная клетка, образующаяся после слияния сперматозоида с яйцом, особенно чувствительна к облучению. В первые 5 суток гибель зародыша наиболее вероятна, затем могут быть поражения мозга, уродства.

Облучение после органообразования у зародыша вызывает рождение хилого потомства. От радиации обычно быстро гибнут клетки лимфоцитов, незрелые клетки костного мозга, половые железы и клетки хрусталика глаза.

Клетки крови чувствительны к облучению и поэтому ее заболевания – одна из проблем радиационной безопасности.

Основную массу форменных элементов крови составляют эритроциты. Они выполняют ряд важных функций:

1) поглощение кислорода в легких и перенос его в капилляры, поглощение углекислоты в капиллярах тканей и доставка ее в легкие; 2) сохранение активной реакции крови; 3) поддержание ионного состава крови; 4) участие в водно – солевом обмене; 5) адсорбция токсинов.

При облучении крови количество эритроцитов ежесуточно снижается и за месяц их потеря может достигнуть 25% от исходного уровня. В результате развивающаяся анемия замедляет процессы репарации, а дефицит кислорода в костном мозге нарушает его способность восстанавливать кроветворение.

Лейкоциты – типичные ядерные клетки. Они выполняют защитную функцию в борьбе с инфекцией.

При облучении количество лейкоцитов уменьшается пропорционально полученной дозе. Сокращение лейкоцитов снижает сопротивляемость организма человека инфекциям.

Лимфоциты – наиболее чувствительный показатель тяжести поражения от ионизирующих излучений. Сокращение числа лимфоцитов наблюдается сразу после облучения и достигает максимума на 1–е – 3–и сутки, тем самым подавляется иммунная система.

Тромбоциты играют важную роль в процессе свертывания крови.

Под действием радиации могут возникнуть нарушения кроветворения на различных этапах клеточного обновления. Самым серьезным из названных заболеваний является нарушение дифференциации клеток, приводящее к лейкозу.

Лейкоз – это заболевание, характеризующееся избыточным образованием неполноценных клеток крови (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов).

ВЫВОДЫ:

1. Молекулы ДНК и клетки человека могут противостоять радиоактивному облучению, но только при определенной интенсивности и времени действия облучения.

2. Гибель отдельных клеток не означает гибели органа или организма в целом, вместо погибших клеток стимулируется деление новых. Появление живой, но измененной клетки вызывает опасность развития рака.

3. Наиболее разрушительными для организма человека являются радикалы воды.

Особенность раковых заболеваний – длительный латентный период, т.е. рак проявляется не сразу, а через значительное время после облучения.