Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
* *
*
Материал этой главы посвящен рассмотрению биофизических подходов к анализу механизмов инактивации биомакромолекул ионизирующим излучением. В общем ряду радиобиологических проблем этот вопрос имеет первостепенное значение: радиационное поражение любой биологической системы, от вируса до многоклеточного организма, начинается с инактивации небольшого числа молекул, составляющих биологический объект.
Облученные сухие гомогенные препараты ферментов или нуклеиновых кислот — «идеальная» система для первоначального биофизического анализа. В живой клетке на первичные радиационные повреждения макромолекул накладываются эффекты, гораздо более сложные и пока еще не определенные: расширение поражения за счет метаболических реакций, восстановление пораженной молекулы за счет функционирования репарирующих систем, эффекты, связанные с гетерогенностью облучаемой системы, присутствием воды, липидов и низкомолекулярных субстратов и т. д. Следовательно, изучение механизмов инактивации сухих препаратов — только первый необходимый этап на пути познания природы радиобиологических процессов, протекающих при облучении клетки и организма.
В то же время изучение инактивирующего действия ионизирующей радиации на макромолекулах представляет и самостоятельный интерес как метод анализа функциональных свойств отдельных суб-молекулярных структур. В этом случае ионизирующее излучение выступает в качестве уникального «инструмента» биофизического анализа ферментов, нуклеиновых кислот и различных надмолекулярных комплексов: ДНП, хроматина, рибосом и т. д.
Используя математический аппарат теории мишени, можно на основании экспериментальных кривых «доза-эффект» установить геометрические размеры мишени, ответственной за данный тип инактивации макромолекулы. Модифицируя условия облучения, в ряде случаев можно добиться возникновения селективных поражений макромолекулы и оценить их роль в эффекте инактивации (например, если в результате облучения фермента разрушается определенный аминокислотный остаток и при этом нарушается конформация активного центра и исчезает сродство к субстрату, то можно предположить, что данный структурный участок регулирует конформацию активного центра).
168
Гл. IV. Прямое действие ионизирующих излучений
Преимущество использования радиационного воздействия состоит еще и в том, что с его помощью можно добиться возникновения узколокальных повреждений в любом участке молекулы;при этом другие структурные звенья останутся неповрежденными (существенно, что при этом макромолекулы могут оставаться сухими, находиться в вакууме или в любой газовой смеси, быть замороженными до любой температуры или параллельно подвергаться иным воздействиям).
Тем не менее, предстоит еще многое сделать для воссоздания целостной картины, которая развертывается от момента ионизации или возбуждения макромолекулы, поглотившей энергию излучения, до ее химического повреждения и инактивации. Необходим дальнейший глубокий теоретический анализ спектра первичных возбуждений макромолекул, детальное выяснение процессов миграции энергии и заряда внутри молекулы и между молекулами. В результате экспериментальных исследований предстоит установить спектр первичных продуктов и характер их дальнейших преобразований до возникновения стабильного радиационного повреждения. И, наконец, предстоит выяснить вклад определенных типов структурного повреждения в суммарный эффект функциональной инактивации макромолекул.
Глава V
НЕПРЯМОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1. Общая характеристика непрямого действия ионизирующих излучений на макромолекулы в водных
растворах
В общих чертах механизм лучевого поражения биомакромолекул представляет следующую цепь процессов. К молекуле переносится и поглощается ею дискретная порция энергии излучения (вероятнее всего, она составляет 10-30 эВ над основным состоянием). Поглощенная энергия растрачивается на ионизацию, сверхвозбуждение и возбуждение. Ионизированные и возбужденные молекулы нестабильны — для образования стабильных структур электронные конфигурации их должны претерпеть определенную перестройку за счет миграции энергии внутри молекулы или между молекулами. В конечном итоге избыточная энергия оказывается в определенном «слабом звене», которое испытывает химическое изменение. Возникшее структурное повреждение может привести к определенному типу инактивации (характер инактивации определяется функциональной ролью пораженного структурного звена макромолекулы).
Представим, что облучению подвергаются не высушенные или кристаллические препараты, а водные растворы их в низкой концентрации, в которых каждую биомакромолекулу окружает множество молекул воды. Вероятность поглощения энергии ионизирующего излучения водой или органической молекулой примерно одинакова (см. уравнение (П.15)). Поэтому в разбавленных водных растворах бблыпая часть энергии будет поглощаться молекулами воды, которых значительно больше, чем растворенных биомакромолекул.
