Действие ионизирующего излучения на биологические молекулы и клетки.

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 14Следующая ⇒

Биологические молекулы – это органические молекулы, из которых построен живой организм и которые выполняют важную роль в жизнедеятельности организма. Различают:

– малые биомолекулы – молекулы аминокислот, глицерола, холина, высших карбоновых кислот, моносахаридов и т. п.

– молекулы биополимеров – макромолекулы, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев – мономеров.

В результате воздействия ионизирующего излучения на живую материю происходят процессы, в которых можно выделить следующие этапы:

– физический – поглощение энергии и возникновение возбужденных и ионизироанных молекул;

– физико-химический – перераспределение поглощенной энергии излучения возбужденными молекулами;

– химический – образование свободных радикалов. ( Радикалы – атомы или атомные группировки с неспаренными электронами. Отличаются высокой химической активностью (время жизни свободных радикалов составляет всего 10^-15с.)

– молекулярно-биологический – изменение в структуре биологических молекул и клеток, которые могут приводить к нарушению выполняемых ими функций.

Каждый из этих процессов происходит спустя какое-то время после воздействия излучения на организм. Ниже перечислены основные процессы, протекающие в организме при облучении, и время, прошедшее после облучения, когда реализуются эти процессы (время проявления).

Действие ионизирующего излучения на биологические объекты может быть прямым и косвенным.

Прямое действие излучения приводит к возбуждению и ионизации биологических молекул, появлению радикалов. Становятся возможными химические реакции с участием образующихся под действием излучения ионов и радикалов. В результате происходит химическое преобразование биологических молекул, которое может привести к повреждению клетки.

Косвенное действие излучения связано, главным образом, с радиолизом воды – ее химическим преобразованием под действием ионизирующего излучения.

Тело человека, в основном, состоит из воды. Ее содержание в отдельных видах клеток может достигать 90 % клеточной массы.

Под влиянием ионизирующего излучения молекула воды способна терять электрон с образованием положительно заряженного иона.

Н₂О → Н₂0⁺ + е

Освободившийся электрон, передавая энергию окружающим молекулам воды, переводит их в возбужденное состояние (Н₂0⁺). Возбужденная молекула – молекула, в которой один или несколько электронов входящих в нее атомов находятся в возбужденном состоянии, однако энергии возбуждения недостаточно для отрыва электрона от молекулы.

Возбужденные молекулы воды диссоциируют с образованием радикалов Н иОН:

Н₂О → Н + ОН

Образовавшиеся свободные радикалы Н и ОН химически активны и могут легко взаимодействовать друг с другом с образованием разнообразных продуктов (молекул воды, водорода и пероксида водорода):

Н + ОН→ Н₂О

Н+Н → Н₂

ОН + ОН → Н₂О₂.

Свободные радикалы могут взаимодействовать и с другими веществами, присутствующими в водной среде, в том числе и с органическими молекулами. Происходящие химические преобразования органических молекул в основном обусловлены действием высокоактивных радикалов Н и ОН, которые способны разрушать химические связи в биологических молекулах.

Если формулу органической молекулы условно представить в виде RH, где Н – реакционноспособный атом водорода, а R – остальная часть молекулы, то взаимодействие с радикалами Н и ОН можно описать в таком виде:

RH + ОН → R + Н₂О

RH + Н → R + Н₂

Органические радикалы R, так же как и свободные радикалы, образующиеся при радиолизе воды, могут вступать в реакции с другими молекулами, что, в конце концов, и приводит к биологическим нарушениям.

Радикалы R могут взаимодействовать и с кислородом, поступающим в организм из воздуха в процессе дыхания. При этом образуются перекисные радикалы RО₂:

Биологические нарушения — изменения структуры и функций биологических молекул в живых клетках, которые приводят к биохимическим, физиологическим и другим изменениям в организме. преимущественно с участием свободных радикалов. Каждый из радикалов вступает в специфические реакции с макромолекулами (биополимерами), в результате чего возникают биологические молекулы с измененными структурными и функциональными характеристиками. Эти молекулы взаимодействуют друг с другом и с окружающими молекулами, что может приводить к биологическим нарушениям, вплоть до таких, которые могут стать причиной гибели клеток.

Действие ионизирующего излучения на молекулы ДНК. Существует два способа повреждения ДНК ионизирующим излучением: прямое и косвенное. При прямом повреждающем действии излучение может непосредственно ионизировать молекулу ДНК, что и приведет к изменению ее структуры. Структура молекулы ДНК может меняться и косвенным путем – при взаимодействии ДНК со свободными радикалами, образующимися в результате радиолиза воды, входящей в состав клетки.

Различают следующие виды повреждения ДНК:

-однонитевые разрывы – разрыв одной из цепочек ДНК,

-двунитевые разрывы – разрыв обеих цепочек ДНК,

-изменение структуры азотистых оснований.

Под действием ионизирующего излучения чаще всего повреждается одна нить ДНК. В целом, повреждения ДНК зависят от величины поглощенной дозы. Далеко не все повреждения ДНК приводят к существенным генным и хромосомным изменениям, так как в клетках интенсивно идут восстановительные процессы. В ходе этих процессов до 90 % всех первичных повреждений исправляется полностью или частично.

Вероятность повреждения ДНК зависит от вида ионизирующего излучения. При воздействии на ДНК бета- и гамма-излучений вероятность повреждения обеих цепочек ДНК меньше, чем при воздействии альфа-излучения. Восстановление структуры поврежденной ДНК называют репарацией ДНК. Если ущерб нанесен только одной цепочке ДНК, то репарация осуществляется за счет информации с неповрежденной второй цепочки. Нарушения структуры ДНК могут устраняться путем удаления части цепочки с поврежденными звеньями ДНК и использования неповрежденной цепи в качестве основы для повторного синтеза нарушенного участка ДНК. Репарация ДНК при повреждении двух цепочек затруднена.

Однонитевые, двунитевые разрывы ДНК и изменения структуры азотистых оснований могут привести к искажению либо утрате информации, хранящейся в генах. Ген – участок молекулы ДНК, ответственный за хранение информации по определенному наследуемому признаку организма

При большой поглощенной дозе, величиной 1 Гр в каждой облученной клетке человека, повреждается до 5000 оснований молекул ДНК, возникает около 1000 одиночных и от 10 до 100 двойных разрывов.

Действие ионизирующего излучения на молекулы белка. Молекулы белков отличаются огромным разнообразием. Последствия их облучения зависят от типа облучаемого белка, вида и энергии излучения, продолжительности облучения.

Изменения, которые могут происходить в белковых молекулах под действием ионизирующего излучения, представлены в Приложении В.

Большое количество разнообразных, белковых молекул и их постоянное обновление в организме позволяет организму противостоять воздействию радиации.

Действие ионизирующего излучения на липиды. Липиды – жироподобные органические вещества, нерастворимые в воде. Они входят в состав биологических мембран, а также играют роль запасных питательных веществ в организме, накапливаясь в отдельных частях тела.

Липиды являются основой клеточных мембран. Многие процессы клеточного метаболизма происходят именно в мембранах. Поэтому перекисное окисление липидов, которое может быть вызвано облучением, влечет за собой изменение биохимических процессов в клетке, а нарушение целостности наружной мембраны – к сдвигу ионного баланса клетки.

Действие ионизирующего излучения на липиды и изменения, которые могут происходить в клетках при облучении, отражает Приложение В1.

Действие ионизирующего излучения на углеводы. Углеводы (сахара) – источник энергии в организме. Как энергетический резерв они присутствуют в организме человека в виде гликогена. Общая формула углеводов может быть представлена в виде C_n(H₂O)_m. Большинство природных углеводов – производные циклических форм моносахаридов. Под действием излучения возможен отрыв атома водорода от молекулы углевода. При этом образуются свободные радикалы, а затем перекиси. В результате облучения из продуктов распада углеводов возможен синтез органического вещества, которое тормозит синтез ДНК и белка и подавляет деление клеток.

Разрушение углеводов сокращает запасы веществ, являющихся источниками энергии в организме, что может отразиться на функционировании многих жизненно важных систем организма.

Действие ионизирующего излучения на ткани, органы и системы органов. Группы клеток в многоклеточном организме, сходные по происхождению, строению и функциям, вместе с межклеточным веществом образуют ткани.

У человека выделяют четыре типа тканей: эпителиальные, соединительные, мышечные и нервная. Ткани образуют органы (сердце, почки, печень, желудок и т. д.). Клетки, входящие в состав ткани или органа, зависимы друг от друга и от окружающей среды.

Системы органов (скелетная, пищеварительная, кроветворная и др.) обеспечивают жизнедеятельность организма.

Реакция ткани, органа или системы органов человека на радиационное воздействие зависит от нарушений, появляющихся в клетках, из которых они построены. Однако реакция на действие ионизирующего излучения не сводится только к сумме эффектов, возникающих при облучении клеток. Величина облучаемого участка тела, особенности его строения и функционирования, интенсивность кровообращения и другие факторы также влияют на радиочувствительность ткани, органа или системы органов

Радиочувствительность органов и тканей. Радиационные эффекты, возникающие в биологических тканях и органах человека, непосредственно связаны с повреждением, а иногда и с гибелью клеток, из которых они сформированы. В то же время клетки обладают уникальной способностью к самовосстановлению, и при небольших дозах облучения ткани и органы способны восстанавливать свои функции.

Относительную чувствительность тканей и органов человека к действию ионизирующих излучений (их радиочувствительность), как уже отмечалось ранее, учитывают с помощью взвешивающих коэффициентов для тканей и органов (W_T).

По способности делиться все клетки организма человека делят на делящиеся, слабоделящиеся и неделящиеся (Приложение В3). На ранней стадии развития организма все клетки способны к делению. В процессе развития организма возникают различия между клетками, и часть клеток утрачивает способность делиться. Делящиеся клетки менее устойчивы к действию ионизирующего излучения, чем неделящиеся.

Органы кроветворения (костный мозг, лимфатические узлы, селезенка) и пищеварения (слизистые оболочки желудка и кишечника), половые железы (семенники и яичники) состоят из интенсивно делящихся клеток и относятся к наиболее радиочувствительным органам. По этой же причине сформировавшийся организм более устойчив к действию радиации, чем формирующийся организм ребенка или подростка

При высоких уровнях поглощенных доз в тканях и органах человека возникают серьезные нарушения. В Приложении В4 описаны нарушения, которые, в основном, наблюдались при высоких уровнях поглощенных доз гамма- или рентгеновского излучения в результате однократного внешнего воздействия радиации на организм человека.

Хромосомные аберрации – структурные перестройки хромосом, сопровождающиеся их разрывом, за которыми обычно следует соединение разорванных концов в новых сочетаниях. При этом возможна утрата части генного материала клетки. Из данных, приведенных в таблице, видно, что при высоких уровнях дозовых нагрузок в большинстве органов и систем органов возникают значительные нарушения. Все приведенные выше радиационные эффекты являются детерминированными. Они неизбежно возникают при достижении указанных уровней поглощенных доз гамма- или рентгеновского излучения

Действие ионизирующего излучения на организм человека. Ионизирующее излучение может вызвать поражение и организма человека в целом. Степень и характер этого поражения определяют:

– величина дозы,

– продолжительность облучения,

– способ облучения (внешнее или внутреннее),

– радиочувствительность тканей, органов и систем органов, подвергшихся воздействию излучения,

– индивидуальные особенности организма,

– другие факторы.

Организм каждого человека обладает индивидуальной радиочувствительностью. Индивидуальная радиочувствительность организма зависит от:

-Возраста (определяет интенсивность процессов клеточного деления в момент облучения)

-Половой принадлежности

-Физиологического и психо-эмоционального состояния человека

Понятие о критических органах. При достижении определенных, высоких уровней доз облучения, происходит поражение тех или иных систем организма, которое может приводить к возникновению радиационных синдромов.

Критическим является такой жизненно важный орган (ткань или система органов), который при равномерном облучении всего тела является наиболее радиочувствительным и первым повреждается в данном диапазоне доз.

Радиационное поражение критического органа связано с поражением или гибелью определенной части клеток, из которых сформирован этот орган.

При небольших уровнях поглощенных доз, благодаря способности клеток к восстановлению, ткани и органы способны относительно быстро восстанавливать свои функции.

Необратимое поражение критического органа (ткани или системы органов) наблюдается, как правило, при высоких уровнях доз. Такие нарушения приводят к гибели организма в определенные сроки после облучения.

Радиационный синдром – это необратимое повреждение жизненно важной системы органов под действием ионизирующего излучения.

При необратимом поражении кроветворной системы развивается костно-мозговой (кроветворный) синдром, кишечника – желудочно-кишечный, центральной нервной системы – церебральный.

Как видно из приложения В5, радиационные синдромы наблюдаются при высоких уровнях поглощенных доз. При таких дозах облучения в кроветворной и желудочно-кишечной системах развиваются сходные изменения:

– происходит гибель молодых, делящихся клеток,

– прекращается клеточное деление и возобновление клеток.

Клетки, завершившие свой жизненный цикл, отмирают, и их количество перестает восполняться.

В результате, число зрелых клеток сокращается. Однако кроветворная система обладает способностью к регенерации.

Последствия облучения организма человека. Последствия облучения зависят от радиочувствительности тканей, органов и систем органов, подвергшихся воздействию излучения.

При внешнем воздействии ионизирующего излучения последствия облучения человека, помимо перечисленных выше факторов, зависят от характера облучения:

– равномерное или неравномерное,

– острое или хроническое,

– однократное или многократное.

Равномерное облучение – это облучение с одинаковой эквивалентной дозой для всех органов и тканей организма (Приложение В6).

При неравномерном или локальном действии ионизирующего излучения в больших дозах последствия облучения зависят от степени повреждения критических органов, тканей или систем органов, поражение которых в наибольшей степени будет влиять на жизнедеятельность организма.

Внутреннее облучение вызывают радионуклиды, попавшие в организм:

– с пищей и водой,

– с вдыхаемым воздухом,

– через кожу.

Опасность радиоактивных веществ оценивают по следующим параметрам:

– величине коэффициента всасывания радионуклидов в кровь (в легких, кишечнике, коже),

– продолжительности периода полувыведения,

– кратности накопления радионуклидов в том или ином органе или ткани (или в организме человека в целом).

Коэффициент всасывания (резорбции) – это доля радионуклида, поступившего в кровь в одном из перечисленных органов или системе органов, от общего количества радионуклида, поступившего в организм с воздухом в процессе дыхания, пищей и водой или через кожу. Различают коэффициенты всасывания (резорбции) К_вс.радионуклидов в кровь

– в легких,

– в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ),

– в коже.

Период биологического полувыведения (Т_Б ) — это промежуток времени, в течение которого активность накопленного в организме (или в отдельном органе) радионуклида сокращается наполовину в результате естественных биологических процессов.

Эффективный период полувыведения – это промежуток времени, в течение которого активность радионуклида в организме уменьшается вдвое за счет процессов биологического выведения и радиоактивного распада радионуклида:

Т_эф=	Т_1/2*Т_Б
Т_1/2+Т_Б

Где Т_эф эффективный период полувыведения,

Т_1/2 период полураспада,

Т_Б период биологического полувыведения радионуклида.

В Приложении В7 приведены Периоды полураспада (Т1/2), биологического полувыведения (Тб) и эффективные периоды полувыведения (Тэф) некоторых радионуклидов из организма человека

Кратность накопления радионуклида (КН) − это отношение максимально накопленного количества радионуклида в органе (ткани) или в организме в целом к количеству радионуклида, ежесуточно поступающего в организм.

Если кратность накопления превышает единицу (КН > 1), в органе (ткани) или в организме в целом происходит накопление радионуклида. При кратности накопления, равной единице (КН = 1), содержание радионуклида остается постоянным. При кратности накопления меньше единицы (КН < 1 ) радионуклид выводится из органа (ткани) или организма.

49 Детерминированные и стохастические эффекты воздействия ионизирующего излучения на организм.

Острые иотдаленные последствия облучения

Действие ионизирующего излучения на организм человека может приводить к острым иотдаленным последствиям.

Острые последствия проявляются сразу или в короткие сроки после облучения (в течение нескольких часов, дней, недель).

Острые последствия облучения обычно проявляются в органах и тканях с быстро делящимися клетками и в большинстве случаев приводят к гибели значительного числа клеток.

В органах и тканях, сформированных из медленно делящихся и неделящихся клеток, в результате кратковременного поглощения большой дозы ионизирующего излучения происходят изменения, которые могут привести к заболеваниям через значительный промежуток времени (иногда через 10-20 лет) после облучения. Подобные эффекты называют отдаленными последствиями облучения.

Отдаленные последствия облучения – это заболевания, вызванные действием ионизирующего излучения на организм и возникающие спустя длительное время после облучения.

Как показали наблюдения, при средних и малых дозах облучения сокращение жизни, в основном, связано с увеличения частоты заболеваний крови (лейкозов) и раковых заболеваний отдельных органов и тканей. Первое место в этой группе заболеваний занимают лейкозы. При медицинском обследовании выживших после бомбардировок в Хиросиме и Нагасаки, после двухлетнего скрытого (латентного) периода наблюдали развитие лейкозов, а в среднем через 6-7 лет после облучения регистрировали максимальную частоту лейкозов. Действие ионизирующего излучения на человека может также вызывать рак молочной и щитовидной желез. Попадание радионуклидов с воздухом в организм человека может приводить к развитию рака легких. Облучение может вызывать и рак кожи. Все эти заболевания, вызванные действием ионизирующего излучения на организм человека, являются отдаленными последствиями облучения.

Эффекты, возникающие в результате действия ионизирующего излучения на организм человека, разделяют на детерминированные (предопределенные, закономерные) и стохастические (случайные, вероятностные).

Д етерминированные и стохастические эффекты от воздействия радионуклидов на организм человека. Детерминированные эффекты неизбежно возникают при достижении определенных пороговых уровней доз и обычно больших поглощенных доз ионизирующего излучения.

К детерминированным эффектам относятся все острые последствия облучения (радиационные ожоги, лучевая болезнь и др.), а также эффекты, вызванные хроническим облучением при накоплении доз до определенных уровней (например, радиационная катаракта). После достижения порогового значения дозы радиационные эффекты проявляются тем раньше, чем больше доза, и усиливаются по мере увеличения дозы или мощности дозы облучения.

Каждому человеку свойственна индивидуальная чувствительность к действию ионизирующего излучения. У людей с неодинаковой радиочувствительностью сходные детерминированные эффекты могут проявляться при разных дозах облучения.

Это означает, что пороговые значения доз, при которых проявляются детерминированные эффекты облучения, зависят от индивидуальной радиочувствительности человека.

Поглощенная доза (в среднем на организм):

0, 5-1 Гр – вероятность детерминированных эффектов практически равна нулю,

3-6 Гр – доза смертельна примерно для половины облученных людей, не получивших соответствующего лечения,

6 Гр и выше – в случае получения дозы в течение короткого промежутка времени неизбежен смертельный исход.

Если организм человека подвергается облучению многократно, поглощенная доза накапливается поэтапно, и величины пороговых доз, при которых возникают детерминированные эффекты, как правило, возрастают. Некоторые детерминированные эффекты проявляются через продолжительное время после облучения. В этом случае могут нарушаться функции отдельных частей тела или возникать незлокачественные новообразования. Такие эффекты обычно не приводят к смерти, однако они могут причинить человеку страдания и сделать его недееспособным.

К подобным детерминированным эффектам относится и катаракта, вызванная действием ионизирующего излучения в больших дозах (обычно в несколько Грэй) на органы зрения. Облучение глазного яблока может привести к повреждению клеточных волокон, составляющих хрусталик. В результате, происходит помутнение хрусталика и, как следствие, ухудшение зрения.

Возникновение катаракты наблюдается при превышении определенного порогового уровня дозы облучения. При однократном воздействии гамма-излучения минимальная доза, вызывающая помутнение хрусталика, составляет 2 Гр. Если получение дозы растянуто во времени, то заболеваемость катарактой сокращается. При поглощенной дозе гамма-излучения, равной 6 Гр, катаракта возникает у большинства облученных людей

В процессе выведения радионуклидов из организма сосуды почек и почечная ткань подвергаются облучению. При больших поглощенных дозах в органах выделения возможно возникновение нефросклероза, когда пораженные участки утрачивают функциональную активность и заменяются соединительной тканью.

Стохастические эффекты – это эффекты, о которых невозможно определенно сказать, реализуются они у конкретного лица или нет.

Стохастические эффекты характерны для более низких доз, чем детерминированные эффекты, и наблюдаются при средних (от 0, 2 до 1 Гр) и малых (менее 0, 2 Гр) дозах облучения. Обычно они наблюдаются в тех случаях, когда доза накапливается в течение продолжительного периода времени и дате деления новое поколение измененных клеток. Если эти клетки не будут уничтожены защитной системой организма, то после продолжительного латентного периода может развиться раковое заболевание. При изменениях в половых клетках могут проявиться генетические (наследственные) нарушения у некоторых представителей последующих поколений.

В настоящее время полагают, что стохастические эффекты (в отличие от детерминированных эффектов) являются беспороговыми, то есть могут возникать при любых сколь угодно малых дозах облучения.

Изменение структуры белка

Таблица

Прямое	Косвенное
возникновение свободных радикалов в цепях аминокислот	образование свободных радикалов в результате взаимодействия белковых молекул с продуктами радиолиза воды
Изменение структуры белка
разрыв водородных и дисульфидных связей	модификации аминокислот в цепи	образование сшивок и агрегатов
Нарушение функций белка
структурной	регуляторной (гормоны)	каталитической (ферменты)	защитной (антитела)	транспортной (гемоглобин)	энергетической

Действие ионизирующего излучения на липиды

Таблица

Действие ионизирующего излучения на липиды
ê
образование свободных радикалов
ê + кислород
перекисное окисление липидов
ê	ê
изменение биохимических процессов в клетке	сдвиг ионного баланса в клетке

⇐ Предыдущая 5 6 7 8 9 10 111213 14 Следующая ⇒