1.7. Стадии действия ионизирующих излучений на организм. Молекулярные механизмы лучевого повреждения биосистем

В действии ионизирующих излучений выделяют несколько стадий: физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.

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, что сопровождается разрывами химических связей там, где эти связи менее прочны. Поэтому, хотя на физической стадии поглощение энергии различными молекулярными структурами было не избирательным, по окончании физико-химической стадии разрывы связей обнаруживаются преимущественно в определенных структурах. В белковых молекулах это аминокислоты, содержащие спаренные арильные радикалы (например, 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.

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

Таблица 4

Основные стадии в действии излучений на биологические системы

Стадия	Процессы	Продолжительность стадии
Физическая	Поглощение энергии излучения, образование ионизированных и возбуждённых атомов и молекул	10-6 - 10-15 с
Физико-химическая	Перераспределение поглощённой энергии внутри молекул и между ними, образование свободных радикалов	10-14 - 10-11 с
Химическая	Реакции между свободными радикалами, между радикалами и неактивированными молекулами. Образование широкого спектра молекул с измененной структурой и функциональными свойствами	10-6 - 10-3 с
Биологическая	Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного; активация процессов биологического усиления и репарации повреждений.	Секунды - годы

1.8. Реализация радиобиологических эффектов на клеточном уровне: реакции клеток на облучение.

На клеточном уровне формируются начальные эффекты лучевых воздействий, приводящие к поражениям, проявляющимся позднее на более высоких уровнях биологической организации - тканевом, органном, системном, организменном. Поэтому в радиобиологии уделяют особое внимание процессам, развивающимся после облучения именно в клетках.

Молекулярные повреждения, возникшие в клетках на начальных стадиях действия ионизирующих излучений, изменяют ход тех обменных процессов, которые осуществляются при участии поврежденных структур. Наиболее значимы для судьбы облученной клетки, изменения нуклеинового обмена, белкового обмена, окислительного фосфорилирования.

Практически сразу после облучения в делящихся клетках замедляется синтез ДНК. Активируются эндо- и экзонуклеазы, вследствие чего повышается ферментативный гидролиз молекул ядерной ДНК; увеличение проницаемости внутриклеточных мембран способствует поступлению ферментов во внутриядерное пространство, повышает доступность ядерной ДНК для ферментативной атаки. Распад ДНК приводит к повышению содержания в тканях полидезоксинуклеотдов. Повреждение мембран лизосом и выход за их пределы протеаз способствуют в ранние сроки после облучения активации процессов протеолиза. Нарушается активность ингибиторов протеаз.

Нарушение метаболических процессов, в свою очередь, приводит к увеличению выраженности молекулярных повреждений в клетке. Этот феномен получил наименование “биологического усиления” первичного радиационного повреждения: повреждение казалось незначительного количества макромолекул, но значимых для клеточного метаболизма приводит к лавинообразному нарастанию дисметаболических расстройств и формированию структурных нарушенй в клетке.

Следует помнить, тем не менее, что наряду с процессами повреждения в клетке развиваются и репарационные процессы, следствием которых является полное или частичное восстановление структур и функций. Наиболее важной системой репарации является система ферментативной репарации повреждений ДНК. Повреждения биомолекул других типов чаще всего не являются фатальными для клетки: продукты их распада могут быть удалены из клетки, а функцию инактивированных соединений могут взять на себя сохранившиеся молекулы того же строения. Молекулы ДНК уникальны, и в случае повреждения их функция не может быть продублирована. При репликации нарушенных матриц будут воспроизводиться дефектные копии - будут синтезироваться аномальные продукты, например ферменты с измененными характеристиками. Поэтому возникшие в результате облучения повреждения ДНК, во избежание развития тяжелых для клетки последствий, должны быть репарированы таким образом, чтобы исходное строение этого чрезвычайно сложно устроенного биополимера было точно восстановлено. В клетке существуют системы нескольких типов, способные репарировать большинство нарушений структуры ДНК, связанных с повреждением одной из комплементарных цепей и даже значительной части повреждений, захватывающих обе нити.

Существование в клетках механизмов и ферментных систем, обеспечивающих репарацию большинства начальных повреждений ДНК, эволюционно обусловлено необходимостью поддержания стабильности генома, в условиях постоянно возникающих повреждений ДНК в результате воздействия естественного радиационного фона, присутствия в среде химических мутагенов, случайно возникающих в процессе жизнедеятельности клеток нарушений и сбоев. Если бы не было таких механизмов, жизнь была бы невозможна.

Судьба облученной клетки определяется соотношением эффективности процессов биологического усиления и репарации. Чем выше доза облучения, тем выше вероятность того, что в результате процессов биологического усиления появятся необратимые изменения, приводящие к гибели клетки, ее злокачественному перерождению, нарушению пролиферативной активности, ограничению дифференцировочных потенций, снижению функциональных возможностей. Чем ниже доза, чем меньше повреждений возникло в клетке, тем вероятнее восстановление от возникших повреждений, сохранение жизнеспособности и основных функций клетки.

Во всех делящихся клетках сразу после облучения временно прекращается митотическая активность (“радиационный блок митозов”). Резкое снижение митотического индекса и, как следствие, прекращение увеличения количества клеток наблюдается как в культурах in vitro, так и при облучении многоклеточного организма. Длительность задержки деления тем больше, чем выше доза (обычно не дольше суток).

Подавление синтеза ДНК не может рассматриваться как причина торможения митотической активности: последняя снижается ранее, чем начинает обнаруживаться уменьшение включения в ДНК меченых предшественников. Блок митозов объясняют нарушением процессов, регулирующих клеточное деление. В частности, может иметь значение нарушение образования веретена, обеспечивающего расхождение хромосом в митозе.

Задержка деления в клетках активно пролиферирующих тканей (таких, например, как костный мозг) является существенной причиной их опустошения после облучения.

При дозах облучения, превышающих несколько десятков грей важным послелучевым эффектом является нарушение функциональной активности нервных клеток, связанное с дефицитом макроэргов, в результате расходования их предшественников в процессе репарации разрывов ДНК.

Важнейшим радиобиологическим эффектом является гибель клеток. Различают две основные формы лучевой гибели клеток: репродуктивную, т.е. непосредственно связанную с процессом деления клетки, и интерфазную, которая может произойти в любой фазе клеточного цикла.

Репродуктивная форма гибели клеток. Необходимым подготовительным этапом к делению клетки является репликативный синтез ДНК. Двойная спираль ДНК разделяется на две самостоятельные нити, и на каждой из образовавшихся одиночных цепей, ставшими матрицами, достраивается парная к ней путем последовательного присоединения нуклеотидов, комплементарных матричным. В конце концов, генетическая информация удваивается, и клетка оказывается готовой к делению. Если в результате облучения возникли повреждения ДНК нормальная репликация делается невозможной. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых легальны, поскольку невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Данная форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели.

Интерфазная форма гибели клеток реализуется через универсальные механизмы некроза и апоптоза. Исходным событием для некроза клеток, подвергшихся облучению, является вызванное активацией перекисного окисления липидов повреждение внутриклеточных мембран. Повреждение мембран нарушает работу связанных с мембранами ферментов, подавляет процесс окислительного фосфорилирования; повышение проницаемости мембран приводит к нарушению градиентов концентраций низкомолекулярных веществ в клетке, выходу лизосомальных протеаз и нуклеаз в цитоплазму и проникновению их в ядро. Угнетается клеточное дыхание. В результате всех этих процессов развивается деградация нуклеопротеидных комплексов в ядре, происходит расплавление или (реже) пикноз ядра, цитолиз с выходом содержимого клетки за пределы клеточной мембраны.

Как принято считать, процесс апоптоза запускается включением программы самоуничтожения клетки. Процесс апоптоза реализуется через механизмы межнуклеосомной деградации хроматина, что приводит к фрагментации ядра. Распадается и цитоплазма, участки которой, окружающие осколки ядра получили наименование “апоптотических телец”. Происходит активация участков генома, которые контролируют синтез ферментов, участвующих в деградации хроматина. Механизм апоптоза особенно характерен для интерфазной гибели лимфоидных клеток, лимфоцитов периферической крови.

Нелетальные повреждения генома клетки. В результате лучевого воздействия происходит нарушение структуры ДНК, что может быть основой для наследуемых повреждений генетического материала - мутаций. В результате этого процесса могут возникать злокачественное перерождение клеток.