4. Основы радиационной безопасности биологических систем

 

4.1. Биологическое действие ионизирующих излучений

 

Тело человека состоит:

-         вода – 65%;

-         белки, клетки – 18%;

-         жиры – 10%;

-         углеводы – 5%;

-         другие органические и неорганические соединения – 2%.

Если исключить воду, получим:

-         белки – 51,5%;

-         липиды – 47,7%;

-         клетки – 3%.

 

Воздействие ионизирующих излучений на биологическую ткань

Все процессы при воздействии ионизирующих излучений можно выразить:

-         поглощение энергии – физический этап;

-         возбуждение атомов или их ионизация – физико-химический этап;

-         образование свободных радикалов – химический этап;

-         биомолекулярные повреждения – изменение молекул белков и нуклеиновых кислот;

-         биологические и физические изменения в организме.

Эффекты воздействия могут длиться от долей секунды до столетий.

 

При ионизации воды возникает масса свободных радикалов:

 

H2O ® H2O+ + ē

H2O ® H+ + OH-

H2O + ē ® H2O-

H2O + H2O1 ® H2O+ + OH-

H2O- ® H+ + OH-

H+ + OH- ® H2O-

OH+ + OH+ ® H2O2

 

Эти радикалы очень активны. Они вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур, разрушению углеродных связей. Нарушается синтез ДНК и белка.

В итоге замедляется или прекращается рост тканей, наступает гибель клеток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

Основу жизни на Земле составляет молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Она входит в состав клеток.

 

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)

ДНК - хранитель генетической информации, руководит синтезом белка, входит в состав хромосом, которые имеются в ядре клетки. При облучении ДНК возбуждается, рвутся водородные связи между отдельными участками. Начинается реакция с продуктами радиолиза воды. В молекуле ДНК может восстанавливаться без последствий до 7 разорванных связей, если их больше, то разорванные концы соединяются хаотично, гены искажаются, возможна гибель ДНК.

Молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление клеток, приводящее к раку.

 

Молекулы белка

Молекула белка – одна из молекул жизни. Она первой появилась на Земле. Молекула белка состоит из 20 аминокислот. Аминокислоты появились на Земле, когда в атмосфере появились метан, аммиак и пары воды. Под воздействием ультрафиолета из солнца образовался формальдегид, затем – цианистый водород.

Из 20 аминокислот в организме человека синтезируются только 12, остальные – в готовом виде поступают с пищей.

Белки в организме выполняют различные функции:

-         структурные;

-         регуляторные (гормоны);

-         каталитические (ферменты);

-         защитные (антитела);

-         транспортные (гемоглобин);

-         энергетические и другие.

Постоянное обновление белка – основа обмена веществ. Молекула белка системы защиты от радиации не имеет. Рвутся связи между аминокислотами, возникают свободные радикалы, меняется структура белка.

В силу того, что имеется много разновидностей белков, ими выполняются разные функции, то при облучении возникают разные последствия.

Например, только ферментов, ускоряющих реакции более 1000. Разрушение отдельных белков угнетает какие-то функции.

Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белка. Менее всего подвержена облучению первичная структура, она самая прочная.

 

Липиды

Липиды - жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде. Входят в состав клеточных перегородок, мембран, а также играют роль запасных питательных веществ. Выполняют и защитную функцию в связи с плохой проводимостью тепла.

Под влиянием облучения в липидах образуются свободные радикалы ненасыщенных жирных кислот, которые при возможности с кислородом образуют перекисные радикалы, которые реагируют с жирными кислотами – это процесс перекисного окисления липидов.

Так как клетка – это система взаимосвязанных мембран, то в клетке нарушаются биохимические процессы.

 

Углеводы

Общая формула углеводов – Сn(H2O)m.

Углерод более устойчив к облучению, чем молекула H2O. При облучении возникает радикал воды, структура разрушается. Поскольку углеводы – источник энергии, то при их разрушении этот источник исчезает, что приводит к угнетению многих систем организма.

 

Клетка

Клетка – основной структурный элемент живой материи. В одном грамме человеческой ткани – 600 млн. клеток.

В химическом составе клетки – более 100 элементов, но основными являются:

 

 

-          O2 – 65-75%

-          C -  15-18%

-          H2 -  8-10%

-          N2 -  1,5-3%

}

98%

 

Воды в клетке – 70-80%, белков – 10-20%, жиров – 1-1,5%, углеводов – 2%, нуклеиновых кислот – 1-2%.

Разные клетки выполняют разные функции.

Различают клетки:

-         половые;

-         соматические;

-         жировые;

-         лейкоциты;

-         лимфоциты и другие.

Радиобиологи выделяют два типа клеток:

-         делящиеся, они радиочувствительны. Ими являются кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий. У детей все клетки делятся до окончания роста. У взрослых делятся только клетки кожи, желудочно-кишечного тракта, глаз и крови. Остальные клетки периодически обновляются;

-  неделящиеся, они радиоустойчивы. Это мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки.

Наибольший вред организму приносит облучение соматических клеток и клеток крови.

При облучении клетки, прежде всего, повреждается мембрана. Так как давление внутри клетки выше, чем в межклеточном пространстве, начинает вытекать цитоплазма. В этом случае ядро вырабатывает ферменты, которые транспортные молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) транспортируют к местам повреждений. РНК вместо своего прямого дела, транспортировки аминокислот в рибосомы для синтеза белка, занимается "ремонтом" мембраны. Если интенсивность облучения превышает некоторый предел, то РНК задачу ремонта мембраны решить не может и клетка погибает. При облучении рибосом в них начинает строиться другой белок, который ведет себя как инородное тело.

Драматическая ситуация складывается при поражении хромосомы и ее главной части - молекулы ДНК. В этом случае клетка или погибает или начинает бесконтрольно делиться.

Наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений - временная задержка деления. Длительность зависит от дозы. При увеличении дозы, увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время деления каждой клетки и развивается митотическая гибель клетки. Это относится к клеткам, которые не делятся или делятся редко. Показателем выживаемости клетки является ее способность проходить пять и более делений.

 

Варианты гибели клеток:

-         клетка гибнет в процессе первых 4-х делений, невзирая на отсутствие видимых изменений;

-         облученные клетки после первого деления образуют так называемые «гигантские клетки», они способны делиться не более 2-3 раз.

Степень разрушения клетки зависит не только от поглощенной дозы, но и от распределения ее по времени. Если доза растянута во времени, ущерб меньше.

Последствия для клеток во многом зависят от того, на какой фазе деления клетки имело место облучение.

Возможны три варианта последствий облучения клетки:

-         полное выживание клетки без последствий;

-         процесс выживания и деления осложнен, клетка погибает;

-         появление живой, но измененной клетки – наиболее опасный случай.

При облучении делящейся клетки возможно развитие рака, т.к. может начаться процесс бесконтрольного деления измененных клеток.

При облучение половых клеток в первые пять суток гибель зародыша наиболее вероятна. Затем могут быть поражения мозга, уродства. Облучение зародыша после органообразовывания вызывает рождение хилого потомства.

Очень чувствительны к облучению клетки крови. Кровь состоит из двух частей:

-         плазма – 60% общего объема крови. Состоит на 90-91% из воды и сухого остатка – белков и солей;

-         ферменты – эритроциты, лейкоциты, тромбоциты.

Эритроциты – основная масса форменных ферментов. Они:

-         поглощают кислород из легких, переносят его в капилляры;

-         поглощают углекислоту в капиллярах и доставляют в легкие;

-         поддерживают ионный состав крови;

-         адсорбируют токсины;

-         участвуют в водно-солевом обмене.

При облучении количество эритроцитов снижается и за месяц может уменьшиться на 25%. В результате развивается анемия, замедляются процессы репарации, а дефицит кислорода в костном мозге нарушает его способность восстанавливать кроветворение.

Лейкоциты – борются с инфекцией. При облучении количество их сокращается, снижается сопротивляемость организма инфекциям.

Лимфоциты – по ним видна тяжесть поражения. Сразу после облучения сокращается их число, максимум достигается на 1-е и 3-и сутки. Подавляется иммунная система организма.

Тромбоциты – при уменьшении их количества появляются проблемы со свертываемостью крови.

Лейкоз – избыточное образование неполноценных клеток крови. Это, так называемый, "рак крови" или белокровие.

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

 

Вероятность заболевания раком:

 

                 лейкоз                                другие виды рака

 

 

 

                  

           2      6           10                      20                       30

                            число лет после облучения

 

Радиочувствительность -

это чувствительность биологических систем к действию ионизирующих излучений. Альтернативное понятие – радиоустойчивость (радиорезестивность). Мерой радиочувствительности является летальная доза ЛД50 – доза облучения, вызывающая гибель 50% облученных человек.

Наиболее радиочувствительны ткани, имеющие активно размножающиеся клетки (кроветворные, эпителии тонкого кишечника). Наименее радиочувствительны ткани малообновляющиеся – мышечная ткань, костная, нервная. Исключение составляют только лимфоциты.

 

Особенности радиоустойчивости органов при внешнем облучении

Внешнее облучение создается гамма-излучением,  рентгеновским и нейтронным излучением. Его поражающая способность зависит от:

-         энергии,

-         продолжительности,

-         расстояния от источника,

-         защитных мероприятий.

 

Семенники – в них постоянно идет размножение сперматозоидов. При дозе 0,15 Гр размножение прекращается, при дозе 3,5-6 Гр – постоянная стерильность.

Яичники – при дозе 1-2 Гр на оба яичника – временное бесплодие, прекращение менструаций на 1-3 года. При облучении 2,5-6 Гр – стойкое бесплодие.

Органы пищеварения – наиболее радиочувствителен тонкий кишечник, далее – полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая кишка, поджелудочная железа, печень.

Сердечно-сосудистая система – радиочувствителен наружный слой сосудистой стенки. Сердце радиоустойчиво, но при 5-10 Гр можно обнаружить изменение миокарда.

Органы дыхания – легкие – стабильный орган, последствия проявляются не сразу. Может развиваться радиационный пневмонит.

Почки – радиоустойчивы, если облучение составляет более 30 Гр за 5 недель, возникает хронический нефрит.

Центральная нервная система – радиоустойчива, клеточная гибель происходит при дозах более 100 Гр.

Кости, сухожилия, мышцы – радиоустойчивы.

 

Таким образом, при внешнем облучении поражение органов располагается в последовательности:

-         органы кроветворения, костный мозг, половые железы, селезенка;

-         желудочно-кишечный тракт, печень, органы дыхания;

-         железы внутренней секреции (надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, поджелудочная железа);

-         органы выделения, мышечная и соединительная ткани.

 

Если облучается весь организм в целом, последствия более чем трагичны:

 

Доза в Гр

Действие на человека

0 – 0,25

Отсутствие явных поражений

0,2 – 0,5

Возможное изменение состава крови

0,5 – 1

Изменение состава крови, усталость, слабая тошнота

1 – 2

Изменение состава крови, рвота, явные патологические изменения. Нижний уровень развития легкой степени лучевой болезни

2 – 4

нетрудоспособность (кровоизлияние, временная стерильность)

4

Смертность около 50%, тяжелая степень лучевой болезни

6

Поражение центральной нервной системы, смертность около 100%

более 8

Смерть неизбежна

 

При дозе 1-10 Гр – продолжительность жизни – не более 40 суток.

При дозе 10-80 Гр - продолжительность жизни – около 8 суток (поражение кишечника).

При дозе 80-100 Гр - продолжительность жизни – менее 2 суток (необратимые изменения в центральной нервной системе).