Схема процесса радиолиза воды

Лекция № 2 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ПЛАН

1. Краткая историческая справка об изучении биологического действия ионизирующих излучений.

2. Особенности взаимодействия ионизирующего излучения с биологическими объектами. Физико-химические процессы, происходящие в живых тканях при действии ионизирующих излучений.

3. Теории биологического действия излучений.

4. Прямое и непрямое (опосредованное) действие излучений.

5. Структурно-метаболическая теория биологического действия излучений.

ЭТАПЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Чтобы яснее представлять последовательность этапов воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты, приведем табл. 1.

Таблица 1

Этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты

Порядковый номер стадии	Явление	Длительность этапа, стадии
1.	Физико-химическая стадия (перенос энергии в виде ионизации и возбуждения на первичной траектории)	10^-12 – 10^-8 с
2.	Химические повреждения (свободные радикалы, возбужденные молекулы – до теплового равновесия)	10^-7 с – несколько часов
3.	Биомолекулярные повреждения (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.)	Микросекунды – несколько часов
4.	Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель животных)	Часы – недели
5.	Отдаленные биологические эффекты, в том числе возникновение опухолей, генетические эффекты	Годы – столетия

В главе 2 мы рассмотрели физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Эти процессы происходят как в живой, так и в неживой материи и протекают за очень короткое время (10^-24 – 10^-14 с). Что происходит дальше и какие события приводят к биологическому эффекту? Чтобы ответить на этот вопрос, вначале будем рассматривать живую материю как огромное число молекул разной величины, каждая из которых состоит из атомов.

Наименее изучены химические и биомолекулярные процессы, а также взаимосвязь 2-й – 4-й стадий с 5-й. Пока не представляется возможным полностью описать всю цепочку процессов, связывающих физическое поглощение энергии с конечными биологическими эффектами, поэтому рассмотрим лишь некоторые наиболее изученные процессы, происходящие на 3-й стадии.

Свободнорадикальные процессы при облучении воды и водных растворов мы рассмотрели ранее.

ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ

Рассмотренные химические реакции — основа так называемого «косвенного действия» излучения, когда свободные радикалы, окруженные молекулами воды, выступают в качестве посредников при переносе энергии излучения биологическим молекулам. Прямое действие излучения — это непосредственное взаимодействие ионизирующего излучения с критическими молекулами, которые превращаются в свободные радикалы:

На рис.8 условно показано различие между прямым и косвенным действием ионизирующего излучения. Как правило, считают, что вклад косвенного действия более существен, так как клетки большинства тканей состоят приблизительно на 70–90 % из воды, хотя биологически не важно, как происходит повреждение.

Рис. 8. Прямое (а) и косвенное (б) действие ионизирующего излучения:

1 – ионизирующее излучение Е, 2 – критическая молекула; 3 – ионизирующее излучение ; 4 – диффузия свободных радикалов к критической молекуле

Свободные радикалы могут также взаимодействовать с молекулами растворенного кислорода, приводя к появлению перекисных радикалов водорода. Повышенная эффективность воздействия излучения на живые клетки в присутствии кислорода известна как кислородный эффект. Он связан с увеличением количества свободных радикалов, образующихся в присутствии кислорода под действием ионизирующего излучения. Взаимодействие кислорода с гидратированными свободными радикалами, например, , приводит к появлению относительно стабильных гидроперекисных радикалов и перекиси водорода:

Однако не важно, прямым или косвенным образом биомолекула стала радикалом, в любом случае она может взаимодействовать с растворенным кислородом следующим образом:

(органический перекисный радикал). И этот момент является уже существенным потому, что при большом количестве R Н можно получить цепную реакцию:

Две последние реакции равноценны с точки зрения нанесения биологического повреждения. Они происходят примерно в 30 раз быстрее, чем конкурирующие реакции, например: R + цистеин или другой донор водорода, где образуется стабильная молекула R Н, т.е. происходит восстановление. Процессы взаимодействия свободных радикалов и механизмы их возникновения изучает радиационная химия. Для нас важно понять, что одни из этих процессов приводят к появлению биологически повреждающих продуктов, другие — к образованию непосредственно биологически опасных продуктов, третьи — к цепным реакциям. Большинство из этих реакций активизируется в присутствии растворенного кислорода. Например, существуют прямые доказательства того, что радикал ОН участвует в процессах образования одиночных разрывов нитей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), хромосомных аберраций (отклонений от нормы), гибели клеток бактерий и млекопитающих.

Схема процесса радиолиза воды

Н₂О

H⁺ OH^– H₃O⁺ OH^– H₂ H₂O₂

возможные реакции

гидратированного электрона

При поглощении высоких доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как и после воздействия высокой температуры или сильного яда. Нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. После поглощения меньших доз радиации, когда клетка остается еще живой, в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, особенно в клеточном ядре.

Сначала рассмотрим действие радиации на белки. Особенности того или иного белка определяются последовательностью и природой аминокислот в цепи (первичная структура) и сложной конфигурацией цепей аминокислот (вторичная и третичная структуры). Одни белки выполняют роль структурных компонентов клетки, другие (ферменты) — органических катализаторов клеточных биохимических реакций. Радиобиологи исследуют как физико-химическое, так и биологическое действие ионизирующих излучений на ферменты. К физико-химическим критериям повреждения относятся: уменьшение молекулярной массы вследствие разрыва полипептидных цепей (цепей аминокислот), изменение растворимости, нарушение вторичной и третичной структур, образование сшивок и агрегатов (соединений друг с другом различных частей белков), а также разрушение аминокислот в цепи. Биохимическим критерием повреждения является потеря ферментами способности осуществлять свои реакции. Для повреждения известных ферментов требуется облучение гораздо в более высоких дозах, чем для возникновения серьезных изменений в клетке, приводящих ее к гибели. Этот факт объясняют малой чувствительностью биохимических методов или тем, что в клетке есть более чувствительные к облучению мишени, чем ферменты.

Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 52; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 4 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!