Тема 2 (частина 1). Механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання на клітини живого організму.
Питання теми та основні терміни
Ø Пряма і непряма дія іонізуючого випромінювання на водний розчин.
Ø Вплив іонізуючого випромінювання на органічні речовини
Основні терміни теми: молекула, атом, електрон, протон, заряд, радіонукліди, іонізуюче опромінення, гама-квант, альфа частинки, бета частинки, речовина , вода, організм людини, живі організми, продукти окислення, вільні радикали.
Інформаційні матеріали теми
Механізм біологічної дії іонізуючого випромінювання на клітини
живого організму
Проблемна ситуація. Організм людини – це складна органічна система, тому відслідкувати всі механізми дії іонізуючого випромінювання на нього дуже складно. Але, це важливо з точки зору захисту людини від ураження. Вченні розглядають один із напрямів дослідження це вплив радіонуклідів на молекули води. Також, цікаво володіти інформацією щодо впливу на органічні речовини, які є в живому організмі іонізуючого випромінювання.
1 н.п. Пряма і непряма дія іонізуючого випромінювання на водний розчин
Енергія випромінювань передається молекулам і атомам навколишнього природного середовища. Далі відбувається ряд перетворень.
В основі первинних радіаційно-хімічних змін молекул існує два механізми:
1. Пряма дія, за якою дана молекула підлягає змінам безпосередньо при проходженні неї електрону.
2. Непряма дія – молекула, що змінюється, безпосередньо не поглинає енергію випромінювання, а отримує її шляхом передачі від іншої молекули.
Різниця між прямою і непрямою дією найбільш чітко виявляється при опромінення водних розчинів.
Оскільки основною складовою частиною усіх живих організмів, в яких інтенсивно проходять процеси обміну речовин, є вода, і деякі органи на 80 % складаються з води, то представляє значний інтерес вивчення процесів, що відбуваються при опроміненні води. Ці питання є предметом дослідження радіаційної хімії води.
Розглянемо, що відбувається при опроміненні чистої води. При проходженні будь-якого виду опромінення молекули води будуть іонізуватися.
З нейтральної молекули вибивається електрон і вона перетворюється на позитивний іон:
Н2О hv Н2О+ + е-
Вільний електрон, взаємодіючи з іншою нейтральною молекулою води, перетворює її на від’ємний іон:
Н2О + е- Н2О -
Ці іони дуже нестійкі на відміну від іонів Н+ та ОН- , що утворюються в розчинах при дисоціації.
Іони Н2О+ та Н2О – одразу починають розкладатися з утворенням вільних радикалів:
Н2О+ Н• + Н-
Н2О – Н+ + Н•
“ • “ – вільний радикал.
Якщо електрон знов сполучиться з молекулою, з якої він вилетів, то молекула знов стане електронейтральною, але у збудженому стані. Надлишкова енергія буде витрачена на розщеплення молекули з утворенням вільних радикалів:
Н2О hv Н2О+ + е- Н2О• Н• + ОН•
Вільні радикали не мають електричного заряду, але вони дуже реакційно здатні.
Іонізована молекула може реагувати з нейтральною:
Н2О+ + Н2О Н3О+ + ОН•
Вільні радикали мають неспарені електрони, саме тому вони реакційно здатні.
Час життя – 10-5 с, за цей час вони або рекомбінують, або починають реагувати із субстратом, або розчиненою речовиною.
При наявності у воді розчиненого кисню найбільш ймовірні наступні реакції:
Н2О + О2 hv ОН• + Н2О• ,
або
Н• + О2 НО2• (гідропероксид)
У рідинах організму, як правило розчинений кисень присутній, тому утворення гідроперексиду є першою стадією перетворення енергії іонізуючого опромінення в енергію хімічних зв’язків.
НО2• + НО2• Н2О2 + О2
Якщо у розчині є інші сполуки, то радикал НО2• віднімає електрон від іншої сполуки, перетворюючись на НО2-, а останній у всіх розчинах за виключенням сильно лужних переходять в перекис:
НО2- + Н+ Н2О2
Тобто при опроміненні води, яка містить кисень, утворюється перекис водню. Це відбувається при гама та рентгенівському опроміненні. Перекис кількісно визначають хімічними методами.
Для визначення вмісту вільних радикалів використовують електромагнітний резонанс, який дає інформацію про вміст неспарених електронів.
При взаємодії вільних радикалів з розчиненими речовинами проходять, як правило реакції окислення.
Органічні речовини, що розчинені у воді, дають наступні реакції з вільними радикалами:
RН + ОН• R• + Н2О
У цій реакції від органічної речовини віднімається водень з утворенням вільного радикалу органічної речовини. Подальший напрямок реакції залежить від наявності кисню в системі:
R• + О2 RОО•
RОО• + R1•H R• + ROOH, тощо.
2. н.п. Вплив іонізуючого випромінювання на органічні речовини
Вчених у першу чергу цікавлять, якого роду органічні речовини в клітинах та тканинах реагують з вільними радикалами.
Визначено, що початковими продуктами впливу випромінювання є ненасичені жирні кислоти.
Продукти окислення жирів є токсичними для клітини, з їх утворенням починається ланцюг реакцій, який визначають як первинний процес дії іонізуючого опромінення.
Отже, якщо зміни речовин біологічного походження відбуваються в результаті реакцій із вільними радикалами – продуктами радіолізу молекул води, то такий вплив радіаційного опромінення вважається непрямим.
Якщо іонізація виникає безпосередньо в органічному об’єкті – білку, в ферменті тощо, тоді вплив вважається прямим.
Але в живих організмах, як правило, не може відбуватися тільки прямий вплив (приблизно 75 % організму – вода).
Бажання дослідників розібратися в тому, які хімічні зміни в живих організмах виникають після іонізації призвели до необхідності вивчити їх у речовин біологічного походження поза організмом у максимально спрощених умовах.
Розглянемо основні:
Амінокислоти – складові частини білків.
Найбільш загальний вплив опромінення на АК, що розчинені у воді – відщеплення аміаку (дезамінування), але такі зміни відбуваються при значних дозах, які викликають загибель організму.
Лише в одній АК відбуваються істотні хімічні зміни при невеликих дозах опромінення – це цистеїн, що містить сульфгідрильну групу SH.
Під впливом двох вільних радикалів ОН• з двох молекул цистеїну утворюється нова АК – цистін.
Білки – важлива складова організму (транспортна, пластична, енергетична, каталітична). Синтез інсуліну в пробірці приводиться 3 роки, в організмі в підшлунковій залозі синтез відбувається за 2-3 с.
При низьких концентраціях білку і малих дозах опромінення хімічні зміни в білку виникають при дії продуктів радіолізу води (вільних радикалів) і викликають денатурацію (згорання білку).
Ферменти при дії опромінення ін активуються, і в першу чергу ті, які містять сульфгідрильні групи, які окислюються, що призводить до розвитку променевої хвороби.
Нуклеїнові кислоти (ДНК – дезоксирибонуклеїнова кислота, РНК – рибонуклеїнова кислота, від рибози). При опроміненні виникає де полімеризація з утворенням вторинних зв’язків, що є порушенням генної інформації.
Полісахариди – є відносно радіо стабільні при дії невеликих доз радіації.
Жири і жирні кислоти. Особливо ненасичені жирні кислоти змінюють фізики-хімічні властивості з утворенням перекисів.
Ефект післядії.
При опроміненні ДНК в пробірці спостерігається продовження зниження в’язкості після опромінення. Те ж саме відмічається і при інактивації ферментів. Вважають, що це результат проходження вільно радикальних процесів.
Радіочутливість клітин обумовлюється пригніченням поділу клітин (блок мітозів). Явище використовується для пригнічення росту пухлин. Причому ядро найбільш радіочутливе, ніж цитоплазма.
Розвиток поглядів на першопричину радіаційного ураження клітин як акта взаємодії іонізуючого випромінювання зі структурами клітин відображається в “теорії мішені”.
Ця теорія становить основу теоретичної радіобіології та радіоекології, що відрізняється значною евристичністю (змінністю).
Теорія мішені ґрунтується на трьох принципах: влучання, мішені й посилювача.
Принципи влучання й мішені базуються на таких аксіоматичних твердженнях:
• передавання енергії іонізуючого випромінювання речовині характеризується дискретністю й статистичними особливостями просторового розподілу актів влучань;
• молекули або складніші субклітинні структури, яким передається енергія випромінювання, що спричиняє їх ураження, мають неоднакове значення в життєдіяльності клітини.
Принцип влучання. За цим принципом фізичною основою променевого ураження клітини є випадковий акт влучання фотона або зарядженої частинки в певну її ділянку, де відбувається дискретне передавання енергії випромінювання речовині.
(Простіше кажучи, для інактивації клітини потрібно, щоб випромінювання віддало певну частину своєї енергії речовинам цієї клітини).
Таке передавання енергії здійснюється за механізмами пружного співударяння — фотоелектричного ефекту або не пружного розсіяння — ефекту Комптона. Отже, передумовою влучання є проходження крізь клітину треку гамма-фотона або зарядженої частинки й здійснення іонізації або збудження на частині треку в межах клітини.
Для випромінювань із малими значеннями ЛПЕ трек може перетинати клітину, й це може не супроводжуватись актами іонізації та збудження молекул. У цьому разі влучання не здійснилося. Така ситуація менш імовірна для випромінювань із великими значеннями ЛПЕ.
Принцип влучання в певному сенсі збігається з основним законом фотохімії, за яким фотохімічні зміни відбуваються лише в разі дії світла, що не лише проходить крізь систему, а й поглинається нею.
Принцип мішені формулюється так: інактивація клітини відбувається лише за умови влучання в певні її ультраструктури.
Це означає, що не всі молекули й складніші ультраструктури клітини рівнозначні в системі клітинних процесів. Справді, будь-яка клітина характеризується дуже істотною структурно-функціональною гетерогенністю, й функціональні значення окремих її компартментів дуже відрізняються.
Наприклад, у рослинній клітині вакуолярний компартмент за значенням виконуваних ним функцій не може порівнюватися з клітинним ядром.
Молекули й складніші ультраструктури клітини, влучання в які призводить до її інактивації, є реальною структурою мішені.
Безперечно, будь-якій мішені необхідно ставити у відповідність реальні клітинні структури. Проте для побудови формальної теорії, що дає кількісну картину радіаційного ураження, не потрібна конкретизація. Слід зазначити, що поняття «мішень» виникло задовго до того, як виразно окреслилися поняття про ті структури, що є мі¬шенями.
До основних понять, якими оперує теорія мішені, належать:
• подія влучання—поглинання дискретної кількості енергії, яка реалізується в процесі іонізації або збудження молекули;
• мішень, одиниця, що реагує, — молекула або надмолекулярна структура, ушкодження якої супроводжується проявами конкретного радіобіологічного ефекту, що є одиницею реакції. Найвиразнішою одиницею реакції є проліферативна загибель клітини;
• місце дії — ділянка в мішені, в якій відбуваються зміни, зумовлені поглинанням енергії;
• ефективний об'єм — простір, що оточує мішень, у межах якого енергія, передана під час взаємодії випромінювання з речовиною, може мігрувати до мішені (очевидно, в рівнянні, що описує дозову залежність радіобіологічного ефекту, v — ефективний об'єм).
Біологічний зміст понять «мішень» та «ефективний об'єм» такий.
Мішень — це структура, ушкодження якої спричинює інактивацію клітини. Ушкодження мішені може бути наслідком прямого влучання у відповідну молекулярну структуру або ж непрямої дії випромінювання, за якої в місце перебігу критичної радіаційно-хімічної реакції енергія передається від хімічно активних форм, що виникли під впливом опромінення за межами мішені.
Ефективний об'єм складається з власне мішені й так званого «приєднаного об'єму» — простору, в якому може здійснюватися дифузія хімічно активних форм у мішень.
Очевидно, просторові параметри приєднаного об'єму залежать від значень пробігу хімічно активних форм, що виникають унаслідок опромінення.
Принцип посилювача. Інактивація мішені досягається в акті передавання енергії випромінювання речовині, внаслідок чого молекули зазнають іонізації або збудження. На цей процес витрачається незначна кількість енергії, яка відповідає потенціалу іонізації, що становить кілька десятків електрон-вольтів. Разом із тим, власне інактивація клітини, яка є наслідком початкового поглинання такої незначної кількості енергії, опосередковується здійсненням множинних процесів, і для їх реалізації потрібні набагато більші кількості енергії. Отже, поглинання малої кількості енергії, що ініціює інактивацію, спричинює розвиток інактивації клітини, якій передують складні процеси з перетворенням різноманітних молекул і складних надмолекулярних структур, наприклад, у разі формування хромосомної аберації. Власне в цій закономірності — неадекватності масштабів ініціюючої й результативної подій у разі дії іонізуючого випромінювання — й полягає принцип посилювача.
Один із прикладів прояву принципу посилювача — формування інактивації клітини після ушкодження неампліфікованого гена. З ушкодженням цього гена поступово зростає дефіцит його продукту — відповідних білкових молекул. Цей дефіцит багаторазово індукує транскрипцію ушкодженого гена й процес трансляції на ушкодженій матричній РНК, що не усуває дефіциту генного продукту й перевантажує клітину не властивими для норми молекулами білкової природи. Це явище й визначатиме розвиток подальших подій, які завершаться інактивацією клітини, або ж ініціюватиме ще складніші події в багатоклітинній системі. Як бачимо, посилення ефекту має дуже виразний характер.
Узагальнення.
Розглянувши питання впливу іонізуючого випромінювання на водні розчини та органічні речовини можна передбачити механізм зміни хімічного складу живої тканини.
Із-за комплексної дії, практично, на всі органічні сполуки та на водні розчини, які є невід’ємною частиною людського організму можемо спостерігати пагубну дію іонізуючого випромінювання на людський організм.
Література для самоосвіти: 1, 2, 5, 8, 9, 12, 13, 14.
Питання для самоконтролю:
1. Яка різниця між прямою і непрямою дією іонізуючого випромінювання на органічні та неорганічні сполуки?
2. Що відбувається при опроміненні чистої води?
3. Чим характерні вільні радикали?
4. Які реакції ймовірні при опромінені води з розчиненим киснем?
5. Як реагують органічні речовини клітини живого організму на радіаційне опромінення?