Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
Различные структурные повреждения молекул клетки могут привести к разнообразным функциональным нарушениям, составляющим последнюю, биологическую, стадию действия излучения. Ферменты в этом случае утрачивают каталитические свойства, субстратную специфичность, чувствительность к соответствующим активаторам и ингибиторам или аллостерические свойства. Различные типы инактивации имеют неодинаковые последствия для клеточного гомеостаза: одни ферменты оказываются исключенными из цепи метаболических реакций, другие нарабатывают токсические продукты, третьи перестают регулироваться соответствующими эффекторами
Структурные повреждения нуклеиновых кислот будут служить препятствием для нормального протекания процессов репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.
Вовлечение липидов мембран в процессы перекисного окисления может привести ж поражению мембраносвязанных белков и разнообразным деструктивным изменениям в мембранах: нарушится проницаемость, сместятся ионные градиенты, ферменты выйдут из мест специфической локализации, иапример из лизосом, нарушится окислительное фосфорилирование. Деградация ядерной
мембраны будет иметь глубокие последствия для генетического аппарата, например, вследствие проникновения в ядро гидролитических ферментов — РНКаз, кислых фосфатаз и др. Накопление продуктов окисления липидов приведет « развитию лучевого токсического эффекта. Разнообразные функциональные изменения, происходящие на биологической стадии, формируются в течение секунд, часов, дней или месяцев. Они могут закончиться гибелью клетки.
В последнее десятилетие получены убедительные доказательства в пользу того, что в облученной клетке осуществляется именно такая последовательность этапов размена энергии ионизирующей радиации, приводящая к закономерному переходу начального радиационного повреждения с одного уровня на другой.
Переход молекул в метастабильное состояние и последующие процессы переноса энергии можно зарегистрировать методом ЭПР. Первые исследования спектров ЭПР облученных тканей правел в начале 60-х гг. Циммер. В .последующие годы число таких «исследований непрерывно возрастало. Установлено, что в облученной «летке возникают свободные радикалы, их число зависит от дозы облучения. В диапазоне низких доз число радикалов возрастает быстро с увеличением дозы облучения, в области высоких доз — значительно медленнее. Вероятно, это связано с рекомбинацией радикалов, возникающих в высоких концентрациях при больших дозах облучения. Идентификация свободных радикалов затруднительна. Различные биологически активные молекулы имеют близкие значения радиационно-химических выходов радикалов. Следовательно, на единицу .поглощенной энергии возникает примерно равное количество радикалов ДНК, белков, липидов и других органических молекул. Все они, .по-видимому, вносят вклад в суммарный сигнал ЭПР. Помимо метода ЭПР для выявления свободнорадикальных состояний в клетках используют и другие биофизические методы. Б. Н. Тарусов и его сотр. на ‘кафедре биофизики МГУ регистрировали хемилюминес-ценцию облученных тканей, в работах Ю. П. Козлова использовали метод привитой сополимеризации мономеров, вводимых в ткани до облучения.
Существуют данные, указывающие на связь между индуцируемыми облучением свободными радикалами и конечным биологическим поражением клеток. Воздействия, модифицирующие начальный уровень радикалов или характер их дальнейших превращений, как правило, изменяют характер лучевого поражения клеток. Так, замораживание в равной мере предотвращает снижение уровня свободных радикалов и развитие лучевого поражения. При помещении клеток после облучения в атмосферу чистого кислорода наблюдают быстрое исчезновение радикалов и более глубокое, чем в обычных условиях, лучевое поражение. Аналогичное действие оказывает высокая температура. По-видимому, в обоих случаях быстрое исчезновение числа свободных ра-
дикалов связано с образованием стабильных поврежденных молекул, приводящих к развитию биологического поражения. Интересные данные получены при обработке облученных клеток сероводородом: число свободных радикалов быстро снижалось, однако биологическое поражение было выражено значительно слабее, чем у контрольных клеток. Вероятно, в присутствии сероводорода исчезновение свободнорадикальных состояний приводит к образованию стабильных сепарированных молекул за счет миграции энергии с биорадикала на молекулу SH2. Таким образом, с уменьшением числа свободных радикалов поражение облученной клетки либо усиливается, либо ослабляется. Однако сам факт модификации лучевого поражения воздействиями, изменяющими уровень свободных радикалов, свидетельствует о вкладе свободнорадикальных состояний в развитие биологического поражения облученных клеток.
Вклад диффундирующих продуктов радиолиза воды в эффект клеточной гибели можно продемонстрировать различными путями. Во многих исследованиях сопоставляли радиочувствительность высушенных или замороженных клеток с радиочувствительностью клеток, облученных во влажном состоянии. В первых двух случаях преобладает прямое действие радиации, а в последнем >— прямое я опосредованное .продуктами ради о ли за воды. Как правило, сухие или замороженные клетки в 2—3 раза устойчивее к действию радиации. Этот результат указывает на роль диффундирующих радикалов воды в поражении внутриклеточных структур, определяющих чувствительность клетки к радиационному воздействию. Были проведены прямые эксперименты то сопоставлению радиочувствительности макромолекул во влажных и обезвоженных клетках. Критерием радиочувствительности служила величина дозы, вызывающей инактивацию 63% макромолекул (D37). Оказалось, что доза D37 для инактивации ряда ферментов значительно ниже во влажных клетках, чем в высушенных или замороженных. Например, активность алкагольдегидрогеназы во влажных дрожжевых «летках снижается до 37% от исходной величины в результате облучения в дозе 1,2 Мрад; в сухих клетках аналогичная степень инактивации .наблюдалась после облучения в дозе 28 Мрад. Для инвертазы во влажных клетках доза Z)37 — 6 Мрад, а в замороженных — 12 Мрад. По-видимому, более эффективное поражение макромолекул во влажных клетках связано с действием активных (продуктов радиолиза воды. Не все изученные ферменты поражаются в (клетке радикалами воды. Например, р-галактозидаза и ацетилхолинэстераза в равной степени инактивировались во влажных, обезвоженных и замороженных клетках. Возможно, некоторые макромолекулы локализованы в клетках таким образом, что становятся недоступными для продуктов радиолиза воды. В связи с этим приобретает значительный интерес вопрос о возможном расстоянии диффузии радика-лсш воды от места возникновения до поражаемой структуры. Ес-
