Механизм воздействия радиации на молекулы биологической ткани и способность их к самовыживанию.

При облучении биологической ткани ионизирующими излу-чениями схематично все процессы можно выразить следующим образом: физический этап (поглощение энергии), физико-химический этап (возбуждение атомов или их ионизация), химиче-ский этап (образование свободных радикалов), биомолекулярные повреждения (изменения молекул белков, нуклеиновых кислот), биологические и физиологические изменения в организме. Схема-тично эти процессы отражены на рис.13.

Вслед за поглощением энергии ионизирующего излучения, сопровождаемым физическими изменениями клеток, происходят процессы химического и биологического характера, которые зако-номерно приводят, прежде всего, к повреждению жизненно важ-ных биомолекул в клетке.

Эффекты воздействия ионизирующего излучения могут длиться от долей секунды до столетий (табл. 7).

В результате действия излучений на организм наблюдаются изменения на всех уровнях организации живой материи (табл. 8).

От чего же зависит действие радиоактивных веществ на орга-низм?

Так называемая биологическая эффективность зависит от многих факторов:

• вида радиоактивного вещества;

• энергии излучения;

• периода полураспада;

• величины всасывания (накопления);

• скорости выведения из организма.

МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ НА МОЛЕКУЛЫ И КЛЕТКИ

Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. Реакции вовлека-ют в химические превращения сотни и тысячи молекул. Первичное действие излучений на организм может быть непосредственным и косвенным.

Прямое действие ионизирующих излучений вызывает иони-зацию атомов и молекул, образование ионов, возникновение воз-бужденных атомов, появление радикалов. Активные молекулы и обломки молекул индуцируют различные химические реакции, повреждая комплексы клеток.

Косвенное действие излучений заключается в том, что обра-зованные радикалы воды и пероксиды вступают в химические ре-акции с молекулами белка, с липидами и т.д. и приводят к струк-турным изменениям тканей и клеток.

Молекула воды

Наиболее многочисленными в организме человека являются молекулы воды. При облучении молекул воды ионизирующими излучениями образуются различные радикалы:

Н2О Н2О+ + е– Н2О* Н* + ОН*

Н2О Н+ + ОН* Н* + ОН* Н2О*

Н2О + е– Н2О* ОН* + ОН* Н2О2

Н2О+ + Н2О Н3О+ + ОН*

Свободные радикалы Н*, ОН* особенно химически активны. Время их жизни 10–15с. За это время они либо реагируют между собой с образованием молекулы воды, пероксидов водорода, либо с растворенным субстратом.

Продукты радиолиза воды (пероксид водорода) вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хромати-на), происходит разрыв углеродных связей, нарушения фермента-тивных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные про-цессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энер-гии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель кле-ток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравле-ние организма, что приводит к преждевременному старению.

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

Молекула ДНК

Из основ биологии известно, что молекула ДНК – это хра-нитель генетической информации, и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. Она является составной частью всех живых организмов, входит в состав хромосом, которые имеются в ядре клетки. 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.

Если между нуклеотидами происходят однонитчатые разры-вы, то работает механизм репарации (восстановления) под генети-ческим контролем.

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

По мере накопления дозы облучения растет и количество хромосомных аберраций по линейно-квадратичному закону (рис.15) и зависит от вида облучения (рис.14).

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

Молекула белка

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

Белки в организме разнообразны. Свыше 10 миллионов бел-ков выполняют разные функции: структурные, регуляторные (гормоны), каталитические (ферменты), защитные (антитела), транспортные (гемоглобин), энергетические и др.

Постоянное обновление белка лежит в основе обмена ве-ществ, и он играет важную роль в жизнедеятельности организма. До 20% поглощенной энергии облучения связано с повреждением белка. При облучении молекул белка ионизирующими излучения-ми она возбуждается в целом и за счет миграции энергии (как в молекуле ДНК), 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.

Нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций. Но большое количество молекул белка в организме, их постоянное обновление позволяет на биологическом уровне про-тивостоять радиации с учетом степени их облучения.

Липиды

Липиды – жироподобные вещества и жиры, плохо раство-римые в воде. Они входят в состав клеточных перегородок (мем-бран). В связи с плохой проводимостью тепла, они выполняют за-щитную функцию, а также играют и роль запасных питательных веществ в организме человека.

При облучении липидов ионизирующими излучениями по-следствия во многом зависят от того, какие именно липиды облу-чаются. Если липиды не активно участвуют в процессах обмена веществ, то они мало влияют на здоровье человека.

Действие ионизирующих излучений на липиды следующее. Под влиянием облучения происходит образование свободных ра-дикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодей-ствии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это про-цесс перекисного окисления липидов. Так как липиды – основа биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой измене-ние их свойств. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран, и многие процессы клеточного метабо-лизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение це-лостности наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия (в клетке – повышенное количество калия, в межклеточном про-странстве – натрия).

Углеводы

Общая формула углеводов может быть представлена в виде Сn(H2O)m. Учитывая, что молекула углерода более устойчива к облучению, чем молекула воды, то при облучении возникают ра-дикалы воды, о свойствах которых уже говорилось ранее. По-скольку углеводы – источник энергии в организме, то при их раз-рушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению мно-гих жизненно важных систем организма.