Глава 2. Биологическое действие излучений

Относительный вклад прямого и косвенного действия радиации в повреждение биологических систем зависит от размера и природы молекул, а также от концентрации их раствора. При облучении макромолекул небольших размеров в растворах преобладает косвенное действие радиации, в сухих препаратах – прямое действие. Роль прямого действия выше для относительно слабо гидратированных структур, таких, например, как ДНК хроматина. Непрямое действие радиации имеет определяющее значение при повреждении фосфолипидов, составляющих структурную основу клеточных мембран. С другой стороны возникшие повреждения могут быть репарированы с восстановлением нормальной жизнедеятельности клетки. Естественно, чем выше доза облучения, тем больше возникает первичных повреждений и тем меньше возможность их достаточной репарации.

К высокореактивным продуктам, вступающим в реакции на химической стадии, относятся, прежде всего, радикалы ОН^· и Н^· и гидратированный электрон (e^–_гидр.):

Н^· + Н^· →Н₂

ОН^· + ОН^· → Н₂О₂

Cl^– + OH^· → Cl^· + OH^–

>С = С< + ОН^· → >С^· – СОН< RRH + OH^· → RR^· + H₂O НО^· + Н₂ → Н₂О + Н^·.

>С = С < + Н^· → >С^· – СН< RRH + H^· → RR^· + H₂

E^–_гидр. + NH₃⁺CH(CH₂ SH)COO^– (цистеин) → H₂S + NH₂CH(CH₂)COO^–.

Кроме того, при взаимодействии первичных продуктов радиолиза воды с кислородом образуются ионы Н₃О⁺, пероксид водорода Н₂О₂, а также супероксидный анион-радикал O₂^–· и гидропероксид HO₂^·, обладающие даже более высокой реакционной способностью, чем первичные радикалы.

Эндогенный NO, основной регулятор локального тонуса артериальных сосудов, является также радикалом и активно взаимодействует с супероксид-анион-радикалом с образованием пероксинитрит-аниона:

О₂^– + NO^· → ONOO^–.

Пероксинитрит, являясь токсическим веществом, способным повреждать белки и ДНК, при своем распаде вновь образует высокореактивные продукты – гидроксильный радикал НО^·, диоксид азота NO₂ и нитроний ион NO²⁺.

При взаимодействии с органическими веществами радикала водорода Н^. происходит отщепление водорода:

RH + H^· → R^· + H₂,

а при наличии свободной аминогруппы все завершается дезаминированием:

RNH₂ + H^· → R^· + NH₃.

Образующиеся в результате как прямого, так и непрямого действия радиации органические радикалы также обладают высокой реакционной способностью. Они могут вступать в реакции

• гидроксилирования:

R^· + OH → ROH;

• гидрирования:

R^· + H → RH;

• образования гидроперекисных радикалов:

R^· + O₂ → ROO^·

ROO^· + RH → ROOH + R^·.

Соединяясь с кислородом, органические радикалы образуют пероксидные радикалы типа RO₂^·, которые, в свою очередь, могут переходить в гидроперекиси, отщепляя водород от других соединений:

RO₂^· + RSH → ROOH + RS^·.

При распаде после внутримолекулярных перестроек, при повторном взаимодействии с продуктами радиолиза воды или после реагирования друг с другом радикалы органических молекул могут перейти в стабильное состояние путем следующих процессов:

• диспропорционирования:

R^· + R^· → R₁ + R₂;

• димеризации:

R^· + R^· → R – R;

• полимеризации:

R^· + R → – R – R –.

Чаще всего, вступая в разнообразные реакции, органические радикалы инактивируются. Однако образовавшийся в результате облучения свободный радикал может прореагировать с нормальным радикалом, участвующим в важной ферментативной реакции, и инактивировать его. В этом случае повреждающее действие радикалов может быть связано с ингибированием соответствующей реакции.

Физическая, химическая и физико-химическая стадии действия радиации получили наименование первичных (или добиологических). Они осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 млс) и являются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материю.

Биологическая стадия, сущность которой составляют вторичные, так называемые радиобиологические эффекты, прослеживаемые на всех уровнях организации живого, начиная с субклеточного и завершая организменным. Если для осуществления добиологических стадий требуется промежуток времени, измеряемый в пределах тысячной доли секунды, биологическая стадия может длиться годами и десятилетиями, нередко в течение всей жизни индивидуума, подвергшегося облучению, а иногда и у его потомков.

2.2. Молекулярные и биохимические основы биологических эффектов

В результате процессов, происходящих на первичных стадиях действия излучений, изменения могут возникнуть в любых молекулярных структурах, входящих в состав живой клетки: нуклеиновых кислотах, белках, жирах, углеводах.

К наиболее биологически значимым (и к тому же появляющимся после облучения в сравнительно невысоких дозах) повреждениям должны быть отнесены, в первую очередь нарушения структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это, прежде всего, повреждения оснований, выщепление отдельных оснований из цепи, разрушение фосфороэфирных связей, лежащее в основе одиночных и двойных разрывов цепочек ДНК, распад дезоксирибозы, повреждения ДНК-мембранного комплекса, разрушение водородных связей, нарушение связей ДНК-белок, повышающее атакуемость ДНК вторичными радикалами и ферментами, сшивки ДНК–ДНК и ДНК белок. Некоторые варианты радиационного повреждения молекул ДНК изображены на рис. 8.

Рис. 8. Схема радиационного повреждения ДНК (по Гембицкому Е.В., Владимирову В.Г., 1985).

Показано, что около 1 % энергии ионизирующего излучения поглощается непосредственно в ядерной ДНК (прямое действие радиации). При ионизации ДНК поглощенная энергия может мигрировать по нуклеотидной цепи до локализации в «слабых» местах: фосфатно-углеродная связь, а также пуриновые и пиримидиновые кольца. Большая часть поглощенной энергии (~ 80–90 %) расходуется на разрушение структуры азотистых оснований, а оставшаяся часть вызывает разрывы сахаро-фосфатного остова ДНК.

При непрямом действии радиации первичные радикалы ДНК образуются под воздействием продуктов радиолиза воды: гидроксильного радикала и гидратированного электрона. Гидроксильный радикал является основным агентом, вызывающим радиолиз азотистых оснований и дезоксирибозо-фосфатного фрагмента ДНК, а поражающий эффект гидратированного электрона на молекулу ДНК возможен только в бескислородной среде.

Аналогичные радиационно-химические изменения наблюдаются и в облученной рибонуклеиновой кислоте (РНК). Разница состоит лишь в том, что в РНК, в связи с ее однонитчатой структурной, не может быть двунитиевых разрывов.

Не менее значимыми для жизнедеятельности клетки являются и вызванные прямым или непрямым действием радиации повреждения белка.

Чувствительность гликопротеинов к радиации, прежде всего, предопределяется радиолизом их углеводного компонента. Образующиеся в присутствии кислорода и воды свободные радикалы могут приводить к разрыву пептидной связи, образованию амида, кетокислоты и гидроперекисного радикала. Все это, в свою очередь, приводит к нарушению структуры белка: разрыву дисульфидных мостиков, водородных связей, пептидной цепи, образованию сшивок между пептидными цепями, отщеплению аммиака, сероводорода, окислению сульфгидрильных групп и ароматических аминокислот, конформационным изменениям вторичной и третичной структуры белка.

Первичные изменения, вызываемые поглощением энергии излучений, сначала распределяются по всей молекуле белка случайно. Однако затем, благодаря внутримолекулярной миграции, возможна концентрация энергии в определенных, наиболее уязвимых участках: по месту локализации атомов двухвалентной серы или спаренных (конденсированных) циклов триптофана. В итоге в этих местах изменения реализуются уже в виде определенных структурных нарушений, которые можно проследить по изменению ряда физико-химических характеристик белков (показателям вязкости, эффектам оптического преломления и вращения, спектрам электронного и парамагнитного резонанса и т.д.). Перераспределению энергии возбуждения в молекулах белков способствуют бензольные кольца циклических аминокислот, а также α-спирали полипептидов.

При облучении растворов белка большую роль в повреждении его структуры играют продукты радиолиза воды. В частности, возникают реакции окисления белковых SH-групп, которые нередко протекают по цепному механизму с образованием дисульфидов:

R – SH + HO^· → R – S^· + H₂O;

R – SH + HO₂^· → R – S^· + H₂O₂;

R – S^· + R – SH → R – S – S – R + H^·.

Дисульфиды могут образовываться, кроме того, путем рекомбинации появляющихся при облучении радикалов R – S^·:

2R – S^· → R – S – S – R

или в результате взаимодействия тиолов с Н₂О₂:

2R – SH + H₂O₂ → R – S – S – R + H₂O.

Радиационно-химические повреждения структуры белка могут возникать и в результате реакций дезаминирования:

H₃N⁺ – CH₂ – COO^– + HO^· → HO – CH₂ – COO^– + N⁺H₂.

Радиационно-химические изменения белков, прежде всего, изменения их вторичной и третичной структуры, могут привести к изменению биологических свойств, в том числе ферментативной активности. Инактивация белков при воздействии ионизирующих излучений может происходить в результате развития упомянутых реакций в активных центрах ферментов, а также вследствие разрывов полипептидных цепей, явлений димеризации и ряда других процессов, изменяющих конформационную и химическую структуру белковой молекулы.

В липидной фракции первичные изменения при воздействии ионизирующих излучений состоят в образовании свободных радикалов, которые, взаимодействуя с кислородом, являются источником возникновения перекисных соединений. Последние, в свою очередь, могут вступать в реакцию с жирами, в результате чего образуются гидроперекиси: