Ю.А. Александров
Основы радиационной экологии
Учебное пособие. – Йошкар-Ола: Мар. гос. ун-т, 2007. – 268 с.

Раздел 3. Биологическое действие ионизирующих излучений

3.4. Молекулярные повреждения, возникающие в клетках

В результате процессов, происходящих на первичных стадиях действия излучений, изменения могут возникнуть в любых молекулярных структурах, входящих в состав живой клетки.

К наиболее биологически значимым  повреждениям должны быть отнесены в первую очередь нарушения структуры ДНК. Прежде всего, это повреждения оснований, выщепление отдельных оснований из цепи, разрушение фосфоэфирных 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.

Аналогичные радиационно-химические изменения наблюдаются и в облученной РНК. Разница состоит лишь в том, что в РНК, в связи с ее однонитчатой структурой, не может быть двунитевых разрывов.

Не менее значимыми для жизнедеятельности клетки являются и вызванные прямым или непрямым действием радиации повреждения белка. В белковых молекулах участками, в которых чаще всего реализуется поглощенная энергия, являются тиоловые и дисульфидные группировки, а также аминокислоты, содержащие спаренные циклы (триптофан, фенилаланин, тирозин). В результате, хотя все аминокислоты поглощают энергию облучения с равной вероятностью, в конце физико-химической стадии некоторые из них оказываются избирательно пораженными.

При смертельных уровнях облучения (6-10 Гр) инактивация белков и ферментов незначительна и не обнаруживается сразу после облучения. Образующиеся в присутствии кислорода и воды свободные радикалы могут приводить к разрыву пептидной связи, образованию амида, кетокислоты и гидропе-рекисного радикала. Все это 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, к конформационным изменениям вторичной и третичной структуры белка.

В частности, возникают реакции окисления белковых SH-групп, которые нередко протекают по цепному механизму с образованием дисульфидов:

R–SH + НО^* -> R–S^* + Н₂О;

R–SH +  ->  R–S^* + Н₂О₂;

R–S^* + R–SH -> R–S–S–R + Н^*.

Кроме того, дисульфиды могут образовываться путем рекомбинации появляющихся при облучении радикалов R–S^*:

2R–S^* -> R–S–S–R

или в результате взаимодействия тиолов с Н₂О₂:

2R–SH + Н₂О₂  -> R–S–S–R + H₂O.

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

H₃N⁺ – СН₂ – СОО^– + НО^*   ->   НО – СН₂ – 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.

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:

LH  -> L^* + Н^*;

L^* + О₂  ->   + LH  ->  LOOH + L^*;

L^* +   ->  LOOH,

где   L^* – радикал липида.

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

LOOH  ->  L^*+ НО₂;  LOOH  ->  LO^* + НО^–; LOOH  ->  + Н^*.

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

Перекисные соединения разрушаются в дальнейшем с образованием оксикислот, альдегидов и других продуктов окисления жиров. При облучении большими дозами радиации происходит декарбоксилирование жирных кислот и даже их распад.

Важные последствия лучевых повреждений структуры липидов проявляются в нарушении строения клеточных мембран. Вовлечение липидов мембран в процессы перекисного окисления может вызывать деструкцию липопротеидных комплексов, что служит причиной изменения проницаемости мембран, смещения ионных градиентов в клетке, нарушения процессов адсорбции и активного транспорта ряда веществ. Нарушаются также процессы окислительного фосфорилирования, нормальное течение которых обеспечивается упорядоченной локализацией ферментов на мембранах. Повреждение мембран лизосом приводит к выходу и активации гидролитических ферментов.

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, и им отводится существенная роль в дальнейшем развитии лучевого поражения клетки. К первичным радиотоксинам относят также обнаруживаемые в облучаемых клетках хиноны и семихиноны – продукты окисления фенолов (по  Ю.Б. Кудряшову, 2001).

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 гиалуроновые кислоты. Довольно существенное значение для развития изменений в соединительнотканных структурах имеет распад мукополисахаридов, в частности, гиалуроновой кислоты.

По степени проявления морфологических изменений клетки и ткани млекопитающих, т.е. по степени возрастания радиочувствительности можно расположить в следующем порядке: нервная ткань, хрящевая и костная ткань, мышечная ткань, соединительная ткань, щитовидная железа, пищеварительные железы, легкие, кожа, слизистые оболочки, половые железы, лимфоидная ткань и костный мозг.

Таблица  34  –  Радиочувствительность клеток по Д₀ , Гр

Примечание. Д₀ – доза, при которой доля живых клеток уменьшается в сравнении с исходной в  е  раз (е – основание натуральных логарифмов = 2,72). 

Исходы поражения зародышевых и соматических клеток при воздействии ионизирующей радиации различны. Когда поражаются зародышевые клетки, возникающие мутации (генные и хромосомные) с той или иной скоростью, зависящей от степени доминантности и от степени снижения жизнеспособности, элиминируются (выводятся) из популяции. Но многие мутации, в особенности рецесивные, благодаря генетическому дрейфу и эффекту родоначальника, могут размножаться в популяции и приводить к увеличению числа случаев врожденных уродств, аномалий обмена веществ и т.д.

Мутационные изменения в соматических клетках могут выражаться в гибели клеток или в приобретении клеткой новых наследственных свойств, которые проявляются процессами малигнизации, преждевременного старения клеток и тканей, развитием новообразований.

Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что критической мишенью радиационного поражения клеток является ДНК, облучение на клеточном уровне приводит к замедлению прохождения цикла деления клетки, образованию хроматидных и хромосомных аберраций, возникновению микроядер, гибели клеток по апоптотическому и некротическому пути в интерфазе деления и после вступления в митоз.

Мутагенное воздействие ИИ впервые установили отечественные ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в 1925 г. в опытах на дрожжах. В 1927 году это открытие было подтверждено Г. Меллером на классическом генетическом объекте – дрозофиле. ИИ способны вызывать все виды наследственных изменений – генные, хромосомные, геномные. Эти изменения носят дозозависимый характер и современными представлениями считается, что любая дополнительная выше природного радиационного фона (ПРФ) доза ИИ, независимо от величины и мощности приводит к опасности кумулятивного генетического эффекта и способна вызвать генетические изменения, поскольку биологическая репарация мутации невозможна  (Коглл Дж., 1986).

Таким образом, прямое и косвенное действие ионизирующего излучения на биологические молекулы приводит к тому, что в живом организме отмечается много разных биологических эффектов, наблюдаемых после облучения, которые представлены в таблице 35.

Таблица  35 – Типы радиологических повреждений