Вплив випромінювання на клітини

Іонізуюче випромінювання та його вплив на організм

Іонізуюче випромінювання та його властивості

 

Іонізація та збудження атомів та молекул опроміненої речовини - найважливіші первинні фізичні процеси, що обумовлюють пусковий механізм біологічної дії випромінювань.

Передача енергії випромінювань атомам і молекулам біосубстрату - це тільки найперший, фізичний етап дії, яка відбувається в клітині, а згодом у тканинах і в усьому організмі. Наступний етап – хімічний, аборадіаційно-хімічний етап променевого ураження клітини.

В основі первинних радіаційно-хімічних змін молекул лежать два механізми:

- пряма дія, коли молекула зазнає зміни безпосередньо при взаємодії з опроміненням;

- непряма дія – змінювана молекула безпосередньо не поглинає енергії випромінювання, а одержує її шляхом передачі від іншої молекули.

Первинні фізико-хімічні зміни, що відбуваються у перші частки секунди, призводять до утворення наступних ланок реакцій, що розвиваються вже після безпосереднього акту опромінення і спричинюють глибокі зміни в клітинах і тканинах через досить значні проміжки часу.

Іонізуюче випромінювання проникає в біологічний матеріал і взаємодіє з молекулами і атомами (фізична сфера). Внаслідок цього ефекту уражений орган може змінитися безпосередньо. Однак частіше утворюються проміжні продукти-переважно продукти дисоціації опроміненої води (хімічна сфера): радикали Н* і ОН*, що можуть змінити ферменти або уражений орган. Крім того, утворюються активні сполуки цих радикалів: Н2О2 і О2Н й інші перекиси, які також можуть призвести до зміни ферментів і ураження опроміненого органа (біохімічна сфера). Зміни хромосом, прямі чи побічні, призводять до різних біологічних проявів (біологічна сфера).

Хімічна активність іонізуючого випромінювання дуже висока, а біологічна ще вища, тому смерть організму настає внаслідок дії дуже малих енергетичних доз випромінювання, при яких початкові фізико-хімічні зміни лежать за межами найбільш чутливих аналітичних методів.

При таких дозах енергії безпосередні прямі порушення в хімічних зв’язках біомолекул дуже невеликі і вирішальну роль в ураженні відіграють процеси, за яких відбувається посилення первинного ефекту, що розвиваються вже після впливу іонізуючої радіації.

Істотну роль у дії іонізуючих випромінювань відіграє водна фаза клітин і тканин організмів, за рахунок радикалів, що утворюються при радіолізі води у водних фазах колоїдів клітин і тканин. Значення подібної активації полягає втому, що акт розкладання води на радикали потребує порівняно малої енергії, а утворені радикали мають дуже високу хімічну активність.

Водні фази безпосередньо межують з поверхнями біомолекул, які мають велику кількість активних реакційних груп. Водні містки, що розділюють ці молекули, не перевищують 3-4 молекулярні радіуси. За таких умов радикали, що утворилися, мають можливість безпосередньо реагувати з біомолекулами, а процеси рекомбінації мінімальні.

Радикали, що утворилися при радіолізі води окислюють і відновлюють різні органічні сполуки. В первинній стадії променевого ураження вирішальна роль належить реакціям окиснення, і біологічна дія пов’язується зрадикалами, що окислюють – ОН і ОН 2.

Дію радіації називають прямою, коли іонізуються молекули органічних компонентів клітини, і непрямою, коли випромінювання діє на біосубстрат внаслідок утворення високоактивних продуктів гідролізу води.

Встановлено, що далеко не вся поглинена тканинами енергія іонізуючих випромінювань спричиняє біологічний ефект. Імовірність взаємодії квантів енергії з біосубстратом, коли іонізаційний акт спричинить реакції в клітинах,дуже мала (0,01-0,0001), а кількість енергії, що спричиняє загибель клітин, незначна.

На сьогодення найбільш прогресивною гіпотезою є стохастична, яка враховує як фізіологічні, так і індуковані випромінюванням процеси.

Стохастична гіпотеза розглядає будь-який біологічний об’єкт, клітину, як лабільну динамічну систему, що постійно знаходиться в процесі переходу з одного стану в інший. Внаслідок крайньої складності системи любий перехід супроводжується і пов’язаний з багатьма комплексними і елементарними реакціями окремих клітинних органел і макромолекул. Згідно зі стохастичною гіпотезою, під впливом опромінення підвищується імовірність спонтанних порушень гомеостазу клітини, який підтримується численними механізмами регуляції, а первинні радіаційні фізико-хімічні зміни е лише поштовхом для таких багатокомпонентних процесів, що призводять до виявленого ефекту.

Певну роль у механізмі опосередкованої дії опромінення відіграють радіотоксини. Радіотоксинами можуть бути аномальні метаболіти, а також речовини, які властиві нормальному стану, але утворюються в опроміненому організмі в надлишковій кількості (гормони, продукти обміну і розпаду тканин, медіатори).

Виникаючи токсини (хінони, ортохінони) впливають і на нейроендокринний апарат, що є причиною низки опосередкованих ефектів, типовим прикладом яких можна вважати звісний стан так званого «радіаційного похмілля».

Структурні ушкодження в макромолекулах

 

При опроміненні ДНК мають місце слідуючи типи ушкоджень молекул нуклеїнових кислот:

- одно- та двониткові розриви.

- міжмолекулярні поперечні зшиви полінуклеотидних ланцюгів.

- розгалужені ланцюги внаслідок сумарного ефекту поодиноких і подвійних розривів.

При опроміненні ферментів спостерігаються слідуючи явища:

- зміна амінокислотного складу (зниження вмісту тирозину, цистину, метіоніну);

- поява вільних амідних груп;

- утворення агрегатів;

- розрив сульфгідрильних зв’язків і поява вільних SH - груп;

- поява кількох компонентів ферменту із ферментативною активністю.

Вплив випромінювання на клітини

 

Найбільш універсальною реакцією клітин на опромінення є тимчасова затримка клітинного поділу, яку називають радіаційним блокуванням мітозів. Найрізноманітніші променеві реакції клітин (затримка мітозів, індукція хромосомних аберацій, ступінь пригнічення синтезу ДНК та ін.) виражені в різному ступені і залежать від стадії її життєвого циклу. Найбільш радіо чутливими клітини є під час мітозу.

Результати чисельних досліджень доказали найбільшою радіочутливість ядра клітини і її вирішальну роль в ураженні при опроміненні. Влучення однієї частинки до ядра клітини призводить до її загибелі, що у випадку опромінення цитоплазми клітини реєструється після 15 млн. частинок.

Далекосяжні наслідки може мати така зміна спадкової інформації, коли клітина не гине, але набуває нових властивостей, або втрачає старі якості. Закріплена в спадковості зміна властивостей клітини або організму називається мутацією, змінений організм – мутантним, а зовнішній агент– мутагенним. Чутливість клітин до іонізуючої радіації можна змінити за рахунок фізичних або хімічних факторів, а також за допомогою впливів,які змінюють біологічні характеристики клітин (рівень метаболітів,інтенсивність дихання).