Действие ионизирующих излучений на клетку
РАЗДЕЛ 3
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Общие вопросы биологического действия ионизирующей радиации
Ионизирующееизлучение – одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм неэквивалентны величине поглощающей энергии. Действительно, летальная доза для млекопитающих составляет 10 Гр (1000 рад), поглощаемая при этом тканями и органами энергия могла бы повысить их температуру на тысячные доли градуса. Само по себе такое повышение температуры не могло бы вызвать выраженного эффекта поражения. В связи с этим основным радиобиологическим парадоксом выдвигается гипотеза о возможности существования цепных автокаталитических процессов, усиливающих первичное воздействие.
В механизме биологического действия ИИ на живые объекты условно выделяют 2 этапа:
1 этап – первичное непосредственное действие ИИ на клетки, ткани, органы, организмы. Это этап физико-химических действий ИИ, характеризуется образованием ионизированных и возбужденных атомов и молекул, которые в течение 10-6 с взаимодействуют между собой и с различными молекулярными системами, инициируют образование химически активных веществ (свободных радикалов, ионов) с различными биологическими структурами, при которых отмечаются как их деструкция , так и образование новых, не свойственного для облучаемого организма соединений – радиотоксинов различного происхождения.
|
|
|
2 этап – опосредованного действия, обусловленное нейрогуморальными сдвигами в биологических организмах.
Первичные физико-химические процессы при действии ИИ
При получении биологических объектов 50% поглощенной энергии в клетке приходится на воду, а другие 50% - на органеллы клетки и растворенные вещества.
При взаимодействии ИИ с водой происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием молекулярных:
Н2О Н2О+ + е-1,
Н2О + е-1 Н2О
Возникающие ионы воды в свою очередь распадаются с образованием ряда радикалов, которые также взаимодействуют между собой:
Н2О+ Н+ + ОН*,
Н2О Н+ + ОН*,
Н+ + ОН2 Н2О,
ОН + ОН Н2О2,
Н2О2 + ОН Н2О + НО2.
Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н, ОН, НО2 (гидропероксид).
Гидропероксид обладает высокой окислительной способностью, выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода в тканях в соответствии гипоксии (кислородный эффект).
Возникающие в результате радиолиза воды гидратированные электроны и атомарный водород также обладают высокой реакционной способностью в качестве восстановителей.
|
|
|
Возникшие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенным молекулами различных соединений, давая начало вторично-радиоактивными продуктами. Дальнейшие этапы развития радиационного поражения молекулярных структур и радиочувствительных структур сводятся к изменениям блоков, липидов и углеводов, в результате чего образуются уже органические радикалы.
Облучение белковых молекул приводит к конфигурационным изменениям белковой структуры, агрегации молекул за счет образования дисульфидных, деструкции, связанным с разрывом пептидных или углеродных связей. При облучении целостного организма первую очередь изменяется содержание свободных аминокислот в тканях: понижается уровень метионина на 75%, триптофана – на 26% (при воздействии дозой 5 Гр). Эти изменения оказывают большое влияние на белковый обмен, поскольку недостаток хотя бы одной аминокислоты приводит к резкому изменению биосинтеза белков. Отмечается уменьшение содержания сульфгидрильных групп в тканях облученных животных, оно достигает более 50% по отношению к исходному уровню на 5 сутки.
Ферментные системы на облучение реагируют по-разному: активность одних ферментов возрастает, других – понижается, третьих – остается не изменой, наблюдается стимуляция ферментативных систем, деполяризирующих ДНК, РНК и нарушение их синтеза. Имеет место высвобождение нуклеиновой кислоты из ДНП (дезоксинуклеопротеида) и одновременное накопление нуклеиновых кислот и цитоплазме облученных клеток с поражением связи белок-белок, белок-ДНК.
|
|
|
К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфолирование, нарушение этого процесса отмечается уже через несколько минут после облучения дозой 1 Гр и проявляется в повреждении системы генерирования АТФ, без которого не обходится ни один процесс жизнедеятельности.
Облучение простых сахаров приводит к их окислению и распаду, в результате чего образуются органические кислоты и формальдегид. Облучение растворов полисахаридов (крахмала) сопровождается понижением их вязкости, появление простых сахаров – глюкозы, мальтоза и др.
При дозах порядка 5-10 Гр выявляются изменения в мукополисахаридах, при облучении гепарина происходит его деполяризация, потеря антикоагулянтных свойств. При облучении целостного организма происходит понижение содержания гликогена в мышцах, печени и ряде других тканей, отмечается нарушение процессов распада глюкозы и в первую очередь - анаэробного гликолиза.
|
|
|
При действии на липиды происходит образование перекисей, которые придают особо важное значение в развитии лучевого поражения. Схема радиации в этом случае может быть представлена так:
ROOH R;
ROOH ROO начальное образование радикалов;
R* + O2 RO*2;
ROO* + RH ROOH + R* цепные реакции.
При облучении организма отмечается снижение содержания липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови.
Упрощенная схема первичных физико-химических процессов может быть представлена схематически следующим образом:
Действие ионизирующих излучений на клетку
Клетка – слаженная динамическая система биологически важных макромолекул, которые объединены в субклеточных образованиях, выполняющих определенные физиологические функции.
Наиболее радиочувствительными к облучению органеллами клеток млекопитающих являются ядро и митохондрии, повреждения этих образований происходят уже при малых дозах и проявляются в самые ранние сроки. Так, при облучении митохондрий лимфатических клеток дозой 0,5 Гр и более, наблюдается угнетение процессов окислительного фосфолирования и изменения физико-химических свойств нуклеопротеиновых комплексов, происходят количественные и качественные изменения ДНК, разобщается процесс синтеза ДНК-РНК-белок. Морфологические изменения в митохондриях проявляются в форме набухания их, деструкции крист и просветления матрикса.
В ядрах радиочувствительных клеток угнетаются энергетические процессы, происходит выброс в цитоплазму ионов натрия и калия, нарушается нормальная функция мембран. Одновременно возможны разрывы хромосом, хромосомные аберрации, точковые мутации, в результате которых образуются белки, угнетавшие свою биологическую активность.
Опыты по пересадке ядра клеток показали, что главную ответственность в гибели клеток несет ядро. Он показал, что облучение самок тутового шелкопряда в дозе 50 кР вызывает разрушение яйцеклетки, при спаривании с необлученным самцом самка откладывает яйцеклетки с разрушенным ядром, место которых занимает ядро спермия, при слиянии ядер двух спермиев развивается особь мужского пола.
Эффект воздействия ИИ на клетки – результат комплексного воздействия взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов. По А.М. Кузину, радиационные поражения клетки осуществляются в 3 этапа.
На первом этапе излучение воздействует на сложные макромолекулярные соединения в клетке образуется до 3х106 ионизированных и возбужденных молекул. Поглощенная энергия может мигрировать по макромолекулам, реализуясь в SH-группах белков, хромофорных группах ДНК, ненасыщенных липидов.
Второй этап – химические преобразования. Они соответствуют процессам взаимодействия свободных радикалов с белками, липидами, нуклеиновыми кислотами и возникновению органических перекисей, которые приводят к появлению множества измененных молекул.
Третий этап – этап биологических изменений, сопровождается высвобождением ферментов из органелл клетки вследствие повреждения их мембран органическими перекисями. Из лизосомальных образований высвобождаются гидрологические ферменты, из митохондрий и ядер – ДНКазы, РНКазы, катепсины, фосфатазы и др. Под воздействием этих ферментов происходит распад высокомолекулярных компонентов клетки, в том числе белков и нуклеиновых кислот. Таким образом, действие ничтожно малых количеств поглощенной энергии оказывается для клетки губительным из-за физического, химического и биохимического усиления радиационного эффекта, и основную роль в развитии этого эффекта играет повреждение надмолекулярных структур, обладающих высокой радиочувствительностью.
В целом радиочувствительность клеток зависит от количества их структур: диплоидные клетки более устойчивы или радиорезистентны, чем гаплоидные клетки (половые), уменьшение числа митохондрий повышает удельный вес поражения каждой из них, в результате чего радиочувствительность возрастает. Радиочувствительность возрастает у клеток, для которых характерны интенсивно протекающие биохимические процессы - делящиеся, дифференцирующиеся и созревающие клетки красного косного мозга, половые клетки, клетки кишечного эпителии и роговицы глаза (состоянии митоза), и снижается у клеток, пребывающих а стационарной фазе (профаза и пресинтетическая фаза клеточного цикла).
Следует подчеркнуть, что конечных эффект облучения также является результатом последующих процессов репарации или восстановления, так как значительная часть первичных повреждений возникает в виде потенциальных (возможных) повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов и наоборот.
Таковы современные взгляды на механизм развития на клеточном уровне, возникающие при радиационном воздействии на биологические объекты.
По степени проявления морфологических изменений клетки и ткани млекопитающих, т.е. по степени возрастания радиочувствительности можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткань, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки. Половые железы, лимфоидная ткань и костный мозг.
Дата добавления: 2021-03-18; просмотров: 101; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!