Схема процесса радиолиза воды
Лекция № 2 БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
ПЛАН
1. Краткая историческая справка об изучении биологического действия ионизирующих излучений.
2. Особенности взаимодействия ионизирующего излучения с биологическими объектами. Физико-химические процессы, происходящие в живых тканях при действии ионизирующих излучений.
3. Теории биологического действия излучений.
4. Прямое и непрямое (опосредованное) действие излучений.
5. Структурно-метаболическая теория биологического действия излучений.
ЭТАПЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ
Чтобы яснее представлять последовательность этапов воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты, приведем табл. 1.
Таблица 1
Этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты
Порядковый номер стадии | Явление | Длительность этапа, стадии |
1. | Физико-химическая стадия (перенос энергии в виде ионизации и возбуждения на первичной траектории) | 10-12 – 10-8 с |
2. | Химические повреждения (свободные радикалы, возбужденные молекулы – до теплового равновесия) | 10-7 с – несколько часов |
3. | Биомолекулярные повреждения (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.) | Микросекунды – несколько часов |
4. | Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель животных) | Часы – недели |
5. | Отдаленные биологические эффекты, в том числе возникновение опухолей, генетические эффекты | Годы – столетия |
|
|
В главе 2 мы рассмотрели физические процессы взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Эти процессы происходят как в живой, так и в неживой материи и протекают за очень короткое время (10-24 – 10-14 с). Что происходит дальше и какие события приводят к биологическому эффекту? Чтобы ответить на этот вопрос, вначале будем рассматривать живую материю как огромное число молекул разной величины, каждая из которых состоит из атомов.
Наименее изучены химические и биомолекулярные процессы, а также взаимосвязь 2-й – 4-й стадий с 5-й. Пока не представляется возможным полностью описать всю цепочку процессов, связывающих физическое поглощение энергии с конечными биологическими эффектами, поэтому рассмотрим лишь некоторые наиболее изученные процессы, происходящие на 3-й стадии.
Свободнорадикальные процессы при облучении воды и водных растворов мы рассмотрели ранее.
ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА И БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ
Рассмотренные химические реакции — основа так называемого «косвенного действия» излучения, когда свободные радикалы, окруженные молекулами воды, выступают в качестве посредников при переносе энергии излучения биологическим молекулам. Прямое действие излучения — это непосредственное взаимодействие ионизирующего излучения с критическими молекулами, которые превращаются в свободные радикалы:
|
|
.
На рис.8 условно показано различие между прямым и косвенным действием ионизирующего излучения. Как правило, считают, что вклад косвенного действия более существен, так как клетки большинства тканей состоят приблизительно на 70–90 % из воды, хотя биологически не важно, как происходит повреждение.
Рис. 8. Прямое (а) и косвенное (б) действие ионизирующего излучения:
1 – ионизирующее излучение Е, 2 – критическая молекула; 3 – ионизирующее излучение ; 4 – диффузия свободных радикалов к критической молекуле
Свободные радикалы могут также взаимодействовать с молекулами растворенного кислорода, приводя к появлению перекисных радикалов водорода. Повышенная эффективность воздействия излучения на живые клетки в присутствии кислорода известна как кислородный эффект. Он связан с увеличением количества свободных радикалов, образующихся в присутствии кислорода под действием ионизирующего излучения. Взаимодействие кислорода с гидратированными свободными радикалами, например, , приводит к появлению относительно стабильных гидроперекисных радикалов и перекиси водорода:
|
|
Однако не важно, прямым или косвенным образом биомолекула стала радикалом, в любом случае она может взаимодействовать с растворенным кислородом следующим образом:
(органический перекисный радикал). И этот момент является уже существенным потому, что при большом количестве R Н можно получить цепную реакцию:
.
Две последние реакции равноценны с точки зрения нанесения биологического повреждения. Они происходят примерно в 30 раз быстрее, чем конкурирующие реакции, например: R + цистеин или другой донор водорода, где образуется стабильная молекула R Н, т.е. происходит восстановление. Процессы взаимодействия свободных радикалов и механизмы их возникновения изучает радиационная химия. Для нас важно понять, что одни из этих процессов приводят к появлению биологически повреждающих продуктов, другие — к образованию непосредственно биологически опасных продуктов, третьи — к цепным реакциям. Большинство из этих реакций активизируется в присутствии растворенного кислорода. Например, существуют прямые доказательства того, что радикал ОН участвует в процессах образования одиночных разрывов нитей ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), хромосомных аберраций (отклонений от нормы), гибели клеток бактерий и млекопитающих.
|
|
Схема процесса радиолиза воды
hh
Н2О
H+ OH– H3O+ OH– H2 H2O2
возможные реакции
гидратированного электрона
При поглощении высоких доз радиации клетка под микроскопом выглядит в общих чертах так же, как и после воздействия высокой температуры или сильного яда. Нарушается целостность и гладкость ее оболочки (плазматической мембраны), мембран ядра и других клеточных органелл, ядро уплотняется, разрывается или, наоборот, разжижается. После поглощения меньших доз радиации, когда клетка остается еще живой, в ее органеллах происходят более или менее существенные изменения, особенно в клеточном ядре.
Сначала рассмотрим действие радиации на белки. Особенности того или иного белка определяются последовательностью и природой аминокислот в цепи (первичная структура) и сложной конфигурацией цепей аминокислот (вторичная и третичная структуры). Одни белки выполняют роль структурных компонентов клетки, другие (ферменты) — органических катализаторов клеточных биохимических реакций. Радиобиологи исследуют как физико-химическое, так и биологическое действие ионизирующих излучений на ферменты. К физико-химическим критериям повреждения относятся: уменьшение молекулярной массы вследствие разрыва полипептидных цепей (цепей аминокислот), изменение растворимости, нарушение вторичной и третичной структур, образование сшивок и агрегатов (соединений друг с другом различных частей белков), а также разрушение аминокислот в цепи. Биохимическим критерием повреждения является потеря ферментами способности осуществлять свои реакции. Для повреждения известных ферментов требуется облучение гораздо в более высоких дозах, чем для возникновения серьезных изменений в клетке, приводящих ее к гибели. Этот факт объясняют малой чувствительностью биохимических методов или тем, что в клетке есть более чувствительные к облучению мишени, чем ферменты.
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 52; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!