Основы биологического действия ионизирующих излучений Первичные стадии в действии излучений

В действии ионизирующих излучений на биологический объект выделяют несколько стадий.

В стадии физических процессов образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность поглощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.

На стадии физико-химических явлений поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распределяется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны. В белковых молекулах это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы (напр., триптофан), а также тиоловые и дисульфидные группировки; в нуклеиновых кислотах - это азотистые (в первую очередь, пиримидиновые) основания. Разрывы химических связей приводят к образованию свободных радикалов, отличающихся очень высокой химической активностью.

Во время химической стадии образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции, как между собой, так и с другими молекулами.

Названные эффекты могут быть следствием поглощения энергии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В этом случае говорят о прямом действии излучения. Энергия излучения может также поглощаться молекулами воды, которые подвергаются радиолизу. Повреждение биомолекул химически высокоактивными продуктами радиолиза воды называют непрямым действием излучения.

Рассмотренные стадии в действии излучений получили наименование первичных. Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 миллисекунды), и являются общими для действия излучений, как на живую, так и на неживую материю.

Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время и продолжается иногда в течение всей жизни.

Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

Относительное количество молекул малого размера, повреждаемых в течение первичных стадий действия излучений невелико. При дозе облучения 10 Гр (абсолютно летальная доза для млекопитающих) из числа молекул, находящихся в клетке, доля поврежденных составляет для углеводов 0,015%, для нуклеотидов - 0,023%, для аминокислот - 0,36%. Однако, в расчете на одну макромолекулу, в полимерах с боль­шой молекулярной массой число повреждений может быть достаточно большим. В растворах белков при облучении их в той же дозе возникает 1 повреждение на 100 мо­лекул, а в молекулах ДНК (МВ - более 6.10⁶ дапьтон) - 220 на 1 молекулу. В каждой молекуле ДНК оказываются пораженными около 10 нуклеотидов.

Наиболее биологически значимыми в облученной клетке являются изменения ДНК. Это повреждения, ле­жащее в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК. Кроме того, наблюдаются повреждения ДНК-мембранного комплекса, разруше­ние связей ДНК-белок, повышающее уязвимость ДНК при атаке вторичными радикалами и ферментами, нарушения вторичной, третичной и четвертичной структуры этого биополимера.

В липидной фракции в присутствии кислорода вследствие активации свободнорадикальных процессов накапливаются продукты перекисного окисления, в первую очередь перекиси и гидроперекиси ненасыщенных жирных кислот. Липиды являются структурными компонентами внутриклеточных мембран, и их повреждение приводит к существенному нарушению метаболических процессов в клетке, вносит значимый вклад в патогенез лучевого поражения. Некоторые продукты перекисного окисления липидов (гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды, кетоны) обладают выраженными радиомиметическими свойствами: под их влиянием в клетках возникают повреждения, во многом сходные с теми, которые вызываются самим облучением. Такие продукты получили наименование первичных радиотоксинов. Они нарушают регуляцию биохимических процессов, вызывают глубокие нарушения ультраструктуры клеток.

К первичным радиотоксинам относят также образующиеся в облученных клетках продукты окисления фенолов - хиноны и семихиноны.

Изменения обнаруживаются и в других молекулярных компонентах клетки. Наблюдаются повреждения азотистых оснований и разрывы цепей РНК, распад мукополисахаридов, в частности, гиалуроновой кислоты, нарушения первичной и вторичной структуры ферментов, изменения их функциональных свойств и химических характеристик и т.п.