Глава 2. Биологическое действие излучений

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:

LН → L^· + Н^· ;

L^· + О₂ → LО₂^· + LН → LООН + L^· ;

L^· + НО^·₂ → LООН.

Гидроперекиси очень нестойки и при наличии ионов металлов с переменной валентностью легко распадаются с образованием ряда высоко активных радикалов:

LООН → L^· + НО₂^·

LООН → LО^· + НО^·

LООН → LО₂^· + Н^· .

Образовавшиеся радикалы могут дать толчок к развитию цепных реакций окисления, в том числе перекисного окисления липидов (рис. 9).

Рис. 9. Цепные свободно-радикальные процессы перекисного окисления липидов в клетке (по Кудряшову Ю.Б. [7]).

Если создаются условия для взаимодействия радикалов между собой, то образуются стабильные вещества, что приводит к обрыву цепной реакции:

L^· + L^· → LL;

LОО^· + LОО^· → LООL + О₂;

LО^· + LО^· → LООL;

LО^· + L^· → LОL;

LОО^· + L^· → LООL.

Продукты перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот вследствие обнаруженных у них радиомиметических свойств (способность вызывать разрывы цепей ДНК, возникновение хромосомных аберраций, подавление репарации повреждений ДНК) получили наименование первичных, или липидных, радиотоксинов. К первичным радиотоксинам относят гидроперекиси, перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны, а также обнаруживаемые в облучаемых клетках хиноны и семихиноны – продукты окисления фенолов.

Следует отметить, что оксидактивная деградация биологических мембран и ДНК не ограничивается действием продуктов перекисного окисления липидов (липидных радиотоксинов). Так же, как и другие клеточные элементы, мембраны и ДНК могут быть непосредственно атакованы различными водо- и жирорастворимыми прооксидантами, краткая характеристика которых и их содержание в интактной клетке представлены в табл. 7.

Изменения структуры углеводов наблюдаются, преимущественно, при воздействии высоких доз ионизирующих излучений. Они сводятся к деполимеризации и окислению полисахаридов, что приводит к распаду углеводородной цепи и образованию кислоты формальдегида. Среди продуктов распада углеводов могут обнаруживаться глиоксаль и глюкуроновые кислоты. Довольно существенное значение для развития изменений в соединительнотканных структурах имеет распад мукополисахаридов, в частности, гиалуроновой кислоты.

Доля поврежденных биомолекул положительно связана с их молекулярной массой. Например, после облучения в дозе 10 Гр в клетке оказываются поврежденными 0,015 % молекул олигосахаридов, 0,023 % – нуклеотидов, 0,36 % – аминокислот. Для белков в растворенном состоянии при той же дозе это число составляет 1 на 100 молекул, а для ДНК – 220 на 1 молекулу. У ДНК, находящейся в составе надмолекулярных структур, в каждой молекуле оказываются пораженными около 10 нуклеотидов.

Радиационные повреждения биомолекул и надмолекулярных структур не могут не сказаться на ходе метаболических процессов, в которых участвуют эти структуры. Искажение этих процессов может привести к появлению новых структурных повреждений, новых «поломов», которые, в свою очередь, могут инициировать новые метаболические нарушения и т.д.

Таблица 7. Содержание и некоторые характеристики оксидантов в интактной клетке (по Кудряшову Ю.Б. [7]).