Прямое действие ионизирующего излучения

В основе повреждающего действия радиации на органические молекулы (в том числе такие жизненно важные молекулы-мишени, как ДНК, белки и др.) могут лежать 2 механизма (рис. 1). Первый механизм обусловлен повреждением молекулы-мишени в результате непосредственного взаимодействия излучения с этой молекулой, т.е. в результате прямого действия излучения. Второй механизм обусловлен повреждением молекулы-мишени, осуществляемым активными продуктами (например, радикалами), образовавшимися из других молекул в результате их непосредственного взаимодействия с излучением. Таким образом, в этом случае повреждение молекулы-мишени происходит в результате непрямого (или косвенного) действия излучения.

Исторически произошло так, что вначале в качестве молекул-посредников рассматривались только молекулы воды, в результате радиолиза которых образуется ряд активных продуктов, способных производить повреждения многих макромолекул. Поэтому в более узком смысле под непрямым действием излучения понимают радиационно-химические изменения растворенных в воде молекул, обусловленные активными продуктами радиолиза воды. Именно в таком виде в начале 40‑х годов прошлого века возникли представления о непрямом действии излучения, в соответствии с которыми поражение макромолекул и структур живых клеток осуществляется посредством воздействия на них продуктов радиолиза воды, т.е. продуктов возникающих при облучении воды. Позже в 50‑60‑е годы было высказано предположение, что молекулы липидов (прежде всего ненасыщенных жирных кислот) также могут выступать в качестве молекул-посредников, из которых под действием излучения образуются активные радикальные продукты, дающие начало процессам свободнорадикального перекисного окисления липидов с последующим повреждением критических структур и биологически важных макромолекул в клетке (Б.Н. Тарусов, Ю.Б. Кудряшов).

Эффект разведения. Теория непрямого действия излучения возникла в связи с тем, что некоторые радиационные эффекты, известные в то время, не находили объяснения с позиций прямого действия излучения. Одним из этих эффектов был т.н. «эффект разведения» (или как его стали позже называть — «эффект Дейла»). Суть этого эффекта заключается в следующем: при облучении водных растворов различных молекул (например, молекул простых органических соединений или ферментов) число пораженных молекул (абсолютное число) не зависит от их исходной концентрации в определенном концентрационном диапазоне.

Впервые подобные эксперименты были проведены в 30‑е годы прошлого столетия Г. Фрикке с использованием растворов простых органических соединений и У. Дейлом в 40‑е годы с использованием растворов ферментов (карбоксипептидазы и др.).

Так, Г. Фрикке обнаружил, что облучение рентгеновским излучением водных растворов муравьиной кислоты с концентрацией 10‑4 и 10‑1 М приводит к образованию одного и того же количества газообразного водорода независимо от исходной концентрации муравьиной кислоты (т.е. к распаду одного и того же количества молекул муравьиной кислоты).

С позиций прямого действия излучения этот эффект объяснить было невозможно, т.к. при прямом действии излучения с ростом концентрации растворенных молекул (т.е. с увеличением количества мишеней) число пораженных молекул (мишеней) должно возрастать (как это представлено на рис. 3, А) вследствие повышения вероятности попадания в них кванта излучения. При этом доля пораженных молекул должна оставаться неизменной (рис. 3, Б).

Именно поэтому и было сделано заключение, что повреждение растворенных в воде молекул может осуществляться не только в результате прямого взаимодействия с ними излучения, но и в результате непрямого (косвенного) действия, а именно через активные продукты радиолиза воды. Исходя из предположения о наличии непрямого действия излучения, отсутствие зависимости радиационного эффекта от концентрации растворенных молекул объясняется тем, что, начиная с какой-то концентрации, не всем растворенным молекулам «достаются» активные продукты радиолиза воды, образующиеся в определенном количестве при данной дозе облучения. Т.е. лимитирующим параметром становится не концентрация молекул растворенного вещества, а количество образовавшихся при данной дозе облучения активных продуктов радиолиза воды. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации растворенных молекул не приводит к росту числа пораженных молекул (рис. 4, А). Повышение же числа поврежденных молекул при больших исходных концентрациях растворенных молекул (изображено пунктиром) связано с тем, что здесь заметный вклад в их повреждение начинает вносить прямое действие излучения. Это означает, что непрямое действие излучения преобладает только в сильно разбавленных растворах. Очевидно, что доля пораженных молекул при непрямом действии излучения снижается с увеличением исходной концентрации этих молекул (рис. 4, Б).

Таким образом, эффект Дейла можно использовать в качестве одного из критериев наличия прямого и непрямого действия излучения на радиационные повреждения макромолекул в простых модельных системах (т.е. в водных растворах). Однако, в отношении клеток этот критерий неприменим, т.к. при разбавлении клеточной суспензии увеличивается расстояние только между клетками, тогда как содержимое самих клеток не разбавляется.

В качестве других критериев оценки вклада прямого и непрямого действия излучения на какие-либо органические соединения и макромолекулы используют сравнение эффективности облучения этих объектов в растворенном и сухом (или замороженном) состоянии. В сухом (или замороженном) состоянии эффект поражающего действия радиации происходит в основном в результате прямого действия излучения. Поэтому, если в растворенном состоянии эти объекты становятся значительно более чувствительными к облучению, то считают, что существенный вклад в их повреждение вносят продукты радиолиза воды.

Обычно в растворенном в воде состоянии макромолекулы на несколько порядков более чувствительны к облучению, чем в сухом состоянии. Например, при облучении РНК-азы γ‑излучением 60Со доза D37 составляет 42 Мрад в сухом состоянии и 0,42 Мрад в водном растворе, т.е. различается в 100 раз. Это говорит о том, что в водном растворе только 1% молекул РНК-азы инактивируется непосредственно за счет поглощения энергии излучения, тогда как 99% инактивируются продуктами радиолиза воды.

В настоящее время считают, что на уровне клетки непрямое действие ионизирующего излучения обеспечивает 70‑90% лучевых повреждений критических клеточных структур, в том числе молекул ДНК.

Продукты радиолиза воды. Процесс радиолиза воды весьма сложен и окончательно еще не выяснен. Основные реакции, протекающие при радиолизе воды, приведены ниже.

I. Поглощение энергии ионизирующего излучения молекулой воды может привести к ее ионизации (энергия, которая для этого необходима, составляет 12,56 эВ):

,

т.е. из молекулы воды выбивается электрон. Образовавшийся положительный ион воды взаимодействует с молекулой воды с образованием иона гидроксония H₃O+ и гидроксильного радикала:

,

а электрон взаимодействует с молекулой воды с образованием гидроксильного иона и радикала водорода:.

Электрон может также стабилизироваться до относительно долгоживущего состояния, известного под названием «гидратированный электрон» (егидр, или еaq), путем структуризации вокруг себя молекул воды, являющихся, как известно, полярными молекулами. Первая гидратная оболочка гидратированного электрона состоит из 6 молекул воды, расположенных в вершинах октаэдра и повернутых в сторону электрона одним из своих атомов водорода. Гидратированный электрон может диффундировать на значительно более далекие расстояния, чем обычный электрон, и взаимодействует с растворенными биологическими молекулами уже вдали от места своего появления в результате радиолиза воды.

II. Если поглощенная молекулой воды энергия излучения не достаточна для ионизации, но составляет по крайней мере 7 эВ, то молекула воды переходит в возбужденное состояние и распадается непосредственно с образованием двух радикалов — радикала водорода и гидроксильного радикала:

.

При рекомбинации радикалов Н и ОН возникают вторичные молекулярные продукты радиолиза воды — водород Н2 и перекись водорода Н2О2:

.

В области рН от 3 до 10 радиационно-химический выход G[1] для указанных продуктов радиолиза воды имеет следующие значения:

При радиолизе воды образуются и другие продукты, однако, их радиационно-химический выход существенно ниже, чем для перечисленных выше.

При наличии в воде растворенного кислорода О2 количество возможных продуктов, образующихся в результате радиолиза воды возрастает. Так, например, могут возникать:

— супероксиданионрадикал по реакции: ,

— перекисный радикал (Н—О—О) по реакции: .

В целом, наибольшее биологическое значение имеют продукты радиолиза воды, представленные на рис. 5.

Как видно, среди них есть и радикалы (радикал водорода H•, гидроксильный радикал OH•, супероксиданионрадикал и перекисный радикал ), и нерадикальные продукты (гидратированный электрон еaq и перекись водорода H2O2). Гидроксильный радикал OH• является мощным окислителем и считается наиболее химически активным продуктом радиолиза воды. Гидратированный электрон также обладает высокой реакционной способностью, однако, уже в качестве восстановителя. Перекись водорода, хотя и не является радикалом, представляет собой очень неустойчивое соединение и является источником радикальных продуктов. В присутствии ионов Fe2+ перекись водорода распадается с образованием гидроксильного радикала (реакция Фентона):

.

Продукты радиолиза воды могут диффундировать от места образования к жизненно важным молекулам клетки и вызывать их модификацию, т.е. повреждение, например, в результате следующих реакций (МН здесь любая молекула — ДНК, белка, липида и др.):

MH + H → M + H2,

MH + H → MH2,

MH + OH → M + H2O,

MH + OH → MHOH,

MH + HO2 → MOOH + H.

Образовавшиеся в этих реакциях свободные радикалы жизненно важных молекул могут привести как к внутримолекулярным перестройкам этих молекул (например, сшивкам), так и к взаимодействию этих молекул с другими имеющимися в клетке соединениями (например, с кислородом или какими-либо органическими веществами). В результате этих изменений биомолекулы могут изменить свои физико-химические свойства и потерять функциональную активность.

Следует отметить, что и радикальные, и нерадикальные продукты, образующиеся при радиолизе воды, не являются какими-либо специфическими соединениями, возникающими только в процессе радиолиза. Все эти продукты образуются и в различных метаболических процессах, протекающих в клетке в норме в отсутствие облучения. В нормальных условиях, однако, их уровень существенно ниже. Повышенный уровень радикальных продуктов может наблюдаться и при многих других патологических состояниях, а не только при облучении. Кроме того, в клетке при различных метаболических процессах образуются и другие радикальные продукты. Большинство из этих радикальных продуктов имеют в своем составе кислород и поэтому получили название активных форм кислорода (АФК, Reactive Oxygen Species — ROS).

Для предотвращения избыточного накопления АФК и интенсификации деструктивных окислительных процессов в организме имеется сложный комплекс защитных антиоксидантных (антиокислительных) систем как ферментативной, так и неферментативной природы.

  1. Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). Учебник / Под ред. В.К. Мазурика и М.Ф. Ломанова. — М.: Физматлит, 2004. — 443 с.
  2. Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А. Радиобиология человека и животных. Учеб. пособие / Под ред. С.П. Ярмоненко. — М.: Высшая школа, 2004. — 550 с.
  3. Hall E.J., Giaccia A.J. Radiobiology for the Radiologist. 6th edition. — Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2006. — 546 p.

Источник

Рейтинг
Ufactor
Добавить комментарий