Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

роцитов человека).

При

этом происходил

выход

калия

из

клетки,

вход

в нее

натрия

и как

следствие нарушения осмотического балан-

са

набухание

лизис эритроцитов. Увеличение проницаемости

наблюдалось также

и в

случае

мембран субклеточных структур,

на-

пример, митохондрий

лизосом.

Пероксиды липидов

могут

вызывать повышение проницаемости

мембран

для

ионов Н

К и Na в

результате

повреждения

как бел-

кового,

так и

липидного компонентов биологической мембраны.

Д.И.Рощупкин

(1980)

предложил

схему

процессов, приводящих

повреждению мембранных

структур

животной клетки

под

действи-

ем УФ-излучения (рис.

7.4).

В нормальной (интактной) биомембране пероксидное фотоокис-

ление липидов, по-видимому, заторможено из-за структурных

ог-

раничений

наличия разнообразных антиоксидантов, включая

природный антиоксидант

—

а—токоферол (витамин

Е).

КОНТРОЛЬНЫЕ

ВОПРОСЫ

Какова роль фотохимических процессов для поддержания жизни на Земле?

Дайте классификацию фотобиологических реакций.

Применение фотохимии в медицине.

Проанализируйте

главные

причины

разрушения озонового защитного пояса

Земли,

существование "озоновой

дыры".

В чем особенности УФ-излучения как физического агента и биологического

фактора?

Дайте спектральную характеристику основные биологических эффектов УФ-

излучения.

Докажите, что наибольшую роль в фотоинактивации белков играют остатки се-

росодержащих

и ароматических аминокислот.

Напишите структурную формулу свободного радикала, образующегося при фо-

толизе

молекул цистина.

Влияет ли конформация белковых молекул на их УФ-чувствителыюсть?

10.

Проанализируйте закономерности и особенности фотохимических превраще-

ний гемопротеидов.

11.

Перечислите основные

типы

фотохимических реакций, приводящих к раз-

личным

повреждениям нуклеиновых кислот.

12.

Напишите уравнения реакции фотодимеризации молекул тимина. Какова

эффективность

протекания данной реакции (квантовый выход димеризации тими-

на)?

13.

Является ли реакция фотодимеризации урацила фотохимически обратимой?

14.

Напишите уравнения реакции фотогидратации урацила и цитозииа.

15.

С помощью каких методов получены доказательства разрыва полинуклеотид-

ной цепи ДНК под влиянием УФ-света?

16.

Дайте определение понятию "фотореактивация": роль фотореактивирующего

фермента

в осуществлении этой реакции.

301

17.

Является ли пероксидное фотоокисление липидов свободнорадикальным про-

цессом?

Каков его

квантовый

выход?

18.

Опишите отдельные стадии процесса образования стабильных продуктов фо-

тоокисления липидов.

19.

В чем заключаются особенности фотохимических превращений белков в со-

ставе

биомембран по сравнению со свободными белками?

20.

Какова

роль

липидов в процессах УФ-модификации биомембран?

21.

Опишите схему процессов, приводящих к повреждению мембранных структур

животной клетки под действием УФ-излучения (по Д.И.Рощупкину).

СПИСОК

РЕКОМЕНДУЕМОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

р т ю х о в В.Г. Фотохимия и фотофизика сложных белков// Вестн. Воро-

не

же

к.

ун-та Серия 2. 1993. Вып.1.

С.20-35.

Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы

фото-

биологических процессов. М., 1989. 199 с.

Конев

СВ., Волотовский И.Д. Введение в молекулярную фотобиологию.

Минск,

1971.232

с.

Конев

СВ., Во л отовс к ий И.Д. Фотобиология. Минск, 1979. 378 с.

Круглякова

К.Е., Жильцова В.М., Грибова З.П. Физико-химиче-

ские

механизмы повреждения ДНК УФ-излучением// Фотобиология животной

клетки. Л., 1979.

С.64-73.

Самойлова К.А. Действие ультрафиолетовой радиации на клетку. Л., 1967.

145

с.

Самойлова К.А.

Сравнительный

анализ действия на клетки нефотосинтези-

рующих организмов ультрафиолетового излучения различных областей спектра: Ав-

тореф.

дис.... докт. биол. наук. Л.,

1979.

52 с.

Сахаров

В.11. Действие коротковолнового ультрафиолетового излучения на

клеточные

структуры

и их функции: экспериментальный анализ методом микрооб-

лучения: Автореф. дис.... докт. биол. наук. М., 1988. 39 с.

Рощупкин Д.И. Молекулярные механизмы повреждения мембран, липидов и

белков под действием ультрафиолетового излучения: Дис. ... докт. биол. наук. М.,

1980.524

с.

э й н Р. Основы и применения фотохимии. М.,

1991.

304 с.

302

ГЛАВА

ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩЕЙ

РАДИАЦИИ

НА

РАЗЛИЧНЫЕ

БИОСИСТЕМЫ

1. Предмет и проблемы радиобиологии

Радиобиология - наука, изучающая закономерности и механиз-

мы действия ионизирующих излучений на биологические системы

различной

сложности организации (макромолекулы, фаги, вирусы,

простейшие,

клеточные, тканевые и органные

структуры,

много-

клеточные растительные и животные организмы, человек, популя-

ции,

биоценозы). Поэтому она

отражает

в той или иной степени все

области биологии. Специфика этой науки обусловлена большой

энергией

квантов излучения и частиц ( а-частиц, электронов, по-

зитронов,

протонов, нейтронов, л-мезонов и др.), значительно пре-

восходящих энергию ионизации атомов, и способностью частиц

проникать

глубь

облучаемого

объекта. Ионизирующее излучение

(радиация)

воздействует

на все

структуры

облучаемого

объекта, со-

ставляющие их молекулы и атомы.

Современная

радиобиология - самостоятельная комплексная дис-

циплина,

имеющая собственные методы исследования и четко вы-

деленные отдельные направления: общая радиобиология, радиаци-

онная

биохимия, радиационная цитология, радиационная генетика,

радиационная

экология, противолучевая защита и терапия радиа-

ционных

поражений, космическая радиобиология, радиационная

иммунология, радиационная гигиена и радиобиология опухолей.

Каждое из этих направлений имеет свои конкретные задачи, выте-

кающие из их названий, для решения которых используются специ-

альные радиобиологические методы анализа, что и объединяет их в

одну

общую

дисциплину - радиобиологию.

Фундаментальной проблемой радиобиологии является вскрытие

общих закономерностей биологического

ответа

на воздействие

ионизирующего излучения. Для решения этой задачи необходимо,

по

выражению Н.В.Тимофеева-Рессовского, понять и объяснить ос-

новной

радиобиологический парадокс. Под последним подразумева-

ется большое несоответствие

между

ничтожной величиной погло-

щенной

энергии и крайней степенью выраженности реакций био-

объекта, вплоть до летального эффекта. Известно, что облучение в

дозе

10 Гр вызывает гибель

всех

млекопитающих (см. Доза ионизи-

рующего

излучения). Что же представляет собой такая доза по сум-

303

марной

энергии, поглощенной в

теле

животного при облучении? Ес-

ли

условно перевести эту энергию без потерь в тепловую энергию,

то окажется, что организм человека нагревается лишь на 0,001 °С.

Отсюда становится понятной необходимость выяснения сущности

основного радиобиологического парадокса.

Радиобиология - дисциплина экспериментальная: ни Одно утвер-

ждение в ней не воспринимается серьезно, если оно лишено путей

экспериментальной

проверки. Другая ее особенность - стремление

овладеть способами искусственного управления лучевыми реакция-

ми

биологических объектов и человека с помощью различных моди-

фицирующих средств (см. Радиопротекторы и радиосенсибилизато-

ры).

Радиобиология прочно служит человеку в самых разнообразных

областях народного хозяйства. Исследования в области радиобиоло-

гии

лежат в основе практического применения ионизирующих из-

лучений в лучевой терапии злокачественных новообразований; на

их базе разработаны эффективные методы лечения лучевой болез-

ни.

В сельском хозяйстве используется предпосевное облучение се-

мян

с целью повышения всхожести и урожайности многих культур.

Достижения радиобиологии послужили теоретическим фундамен-

том для применения ионизирующих излучений в борьбе с сельско-

хозяйственными вредителями. Методы радиационной генетики ши-

роко

используются для выведения новых сортов сельскохозяйствен-

ных растений, для получения интересных и полезных изменений у

животных. На основе радиобиологических предпосылок организо-

вана лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, а также

многих медицинских препаратов. Данные космической радиобиоло-

гии

необходимы для прогнозирования и обеспечения безопасности

полетов человека в космос. Многие открытия в области радиобиоло-

гии

способствовали существенному развитию знаний об общих за-

конах жизни.

2. Доза ионизирующего излучения

Биологический

эффект действия радиации при прочих равных

обстоятельствах прежде всего определяется дозой облучения, в свя-

зи

с этим рассмотрим системные и внесистемные единицы дозы из-

лучения, а также предельно допустимую

дозу

облучения населения

за год.

Доза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего излу-

чения,

поглощенная в единице массы облучаемого вещества или ор-

ганизма. В этом смысле доза излучения называется также погло-

304

щенной

дозой. Поглощенная энергия расходуется на нагрев вещест-

ва, на его химические и физические превращения. Величина дозы

зависит от вида излучения (рентгеновское и гамма-излучение, по-

ток

а-частиц, протонов, нейтронов и т.п.), энергии его частиц,

плотности их потока и состава облучаемого вещества. При прочих

равных условиях доза тем больше, чем больше время облучения (О:

D-Pt,

где Р - мощность дозы, т.е. доза, отнесенная к единице времени.

Мощность

дозы измеряется в рад/с, рад/мин, рад/ч, а в системе

СИ

- в Гр/с, Гр/мин, Гр/ч. Поглощенная доза в системе единиц СИ

измеряется в Дж/кг. Широко распространена внесистемная едини-

ца

поглощенной дозы - рад: 1рад = 10~

Дж/кг - 100 Эрг/г. Для лю-

бого вида ионизирующих излучений поглощенная доза в 1 Дж/кг-

- 100 рад соответствует 1 Гр (Грей).

Экспозиционная

доза

- мера ионизации

воздуха

под действием

рентгеновского и у-излучений. Эта доза измеряется количеством

образованных зарядов. Единицей экспозиционной дозы в системе

СИ

является 1 Кл/кг, где Кл - кулон. Экспозиционная доза в 1

Кл/кг

означает, что суммарный заряд

всех

ионов одного знака, об-

разованных в 1 кг

воздуха,

равен 1 Кл. Широкое распространение

имела внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген: IP -

2,57976-

10" Кл/кг, что соответствует образованию 2,08 • 10 пар

ионов

в 1 см

воздуха

при 0 °С и 760 мм рт.ст. На создание такого

количества ионов необходимо затратить энергию, равную 88 Эрг/г;

другими словами, эта энергия и есть энергетический эквивалент

рентгена. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать по-

глощенную

дозу

ренгеновского и у-излучений в любом веществе:

для достижения этой цели необходимо знать состав вещества и

энергию фотонов излучения.

В радиобиологии различают следующие дозы, приводящие к ги-

бели животных в ранние и поздние сроки после воздействия

иони-

зирующего излучения (радиации): летальная доза

ЛД50/30

- доза,

вызывающая, гибель 50% животных за 30 дней. Выбор 30 дней для

наблюдения за состоянием животных основывается на том факте,

что острый период заболевания у млекопитающих обычно заканчи-

вается к концу первого месяца после облучения.

При

анализе радиочувствительности биообъектов (клетки, ви-

русные частицы, макромолекулы и т.д.) пользуются 37%-ной

(инактивирующей) дозой - Д37. При этой дозе радиации 37% от ис-

ходного количества биообъектов оказываются непораженными (со-

хранившими свои исходные свойства). Значения Дз7 применяют

305

для определения радиочувствительности (S) биосистем: S *

1/Д37,

т.е. под радиочувствительностью биообъектов понимают меру чув-

ствительности их к действию ионизирующего излучения.

Дозы излучения, приводящие разные биообъекты к гибели, раз-

личаются в очень широких пределах. Для одних (например, лимфо-

цитов) достаточно нескольких десятков,

тогда

как для

других

(не-

которые одноклеточные) необходимы тысячи Гр. Приведем величи-

ны

доз гамма-излучения в Гр, вызывающих

50%-ную

смертность

некоторых объектов: овца -

1,5-2,5;

человек -

2,5-3,5;

собака - 2,5-

3,0; обезьяны (разные) -

2,5-6,0;

крысы разных линий -

7,0-9,0;

кролик

9,0-10,0;

птицы -

8,0-20,0;

змеи -

80,0-200,0;

насекомые -

10,0-100,0;

растения -

10,0-1500,0;

простейшие -

1000,0-3000,0.

Крайне

низкой радиочувствительностью (высокой радиорезистент-

ностью) отличались бактерии Micrococcus radiodurens (микрококк

радиоустойчивый), обнаруженные в канале американского ядерно-

го реактора, где мощность дозы (Р) была 12 Гр/с, а поглощенная

доза за сутки составляла <~ 10 Гр. В этих условиях бактерии не

только не погибали, но и продолжали размножаться.

Измерение

дозы излучения с целью предсказания радиационного

эффекта

осуществляют с помощью дозиметрических приборов - до-

зиметров.

В целях регламентации (гигиенического нормирования) радиа-

ционного

воздействия на человека пользуются понятием

предельно

допустимой

дозы

за год (ПДД). Это - наибольшая величина инди-

видуальной эквивалентной дозы за год, которая при равномерном

воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья пер-

сонала (профессиональных работников) неблагоприятных измене-

ний,

обнаруживаемых современными радиобиологическими мето-

дами. Предельную эквивалентную

дозу

за год для ограниченной ча-

сти населения называют

пределом

дозы

за год (ПД). Необходимо

уточнить, что ПДД устанавливается "Нормами радиационной без-

опасности"

(НРБ) для категории А облучаемых лиц, а ПД - для ка-

тегории Б. К категории А относят персонал (профессиональные ра-

ботники)

, непосредственно работающий с источниками ионизирую-

щих излучений, и лиц, которые по

роду

своей производственной де-

ятельности

могут

подвергнуться облучению. Категория Б - ограни-

ченная

часть населения, проживающая на территории наблюдае-

мой

зоны, где дозы облучения

могут

превысить пределы, допусти-

мые для населения. Категория В - население области, края, респуб-

лики,

страны в целом.

НРБ

устанавливаются также три группы критических органов.

306

Под

последними понимают жизненно важные органы или системы,

первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излуче-

ния,

что обусловливает гибель организма в определенные сроки по-

сле облучения.

I группе критических органов относят все тело, гонады и крас-

ный

костный мозг; ко II группе - мышцы, щитовидную

железу,

жи-

ровую

ткань, печень, почки, селезенку, желудочно-кишечный

тракт, легкие, хрусталики глаз и

другие

органы, исключая относя-

щиеся

к I и III группам; к III группе - кожный покров, костную

ткань,

кисти, предплечья, лодыжки и стопы. Наиболее

радиочувст-

вительными являются критические органы I группы.

ПДД для I, II и III групп критических органов составляют соот-

ветственно 5, 15 и 30 бэр/год, а ПД - 0,5; 1,5; 3,0. Видно, что основ-

ные

дозовые пределы для лиц категории Б в десять раз меньше, чем

для персонала категории А. Это вытекает из необходимости предот-

вращения

необоснованного облучения гетерогенного контингента,

включая детей, беременных и лиц пожилого возраста.

3. Относительная биологическая эффективность

ионизирующих излучений (ОБЭ)

ОБЭ

- показатель (коэффициент), с помощью которого опреде-

ляют, во сколько раз биологическое действие ионизирующих излу-

чений

данного типа (например, а-, /9-частицы, нейтроны, протоны

т.д.) больше (или меньше) действия на тот же биологический объ-

ект стандартного излучения. Величину этого коэффициента нахо-

дят сравнением дозы излучения, вызывающей определенный био-

логический эффект, с дозой стандартного излучения, обусловлива-

ющей тот же эффект. Обычно в качестве стандартного излучения

используют рентгеновское излучение с энергией

180-250

кэВ. Для

определения значения ОБЭ используют

формулу:

ОБЭ-DR/DX,

где

- доза рентгеновского излучения; D

- доза изучаемого излу-

чения;

биологический эффект сравнивают по общему критерию.

ОБЭ

возрастает с увеличением линейной передачи энергии

(ЛПЭ),

под которой понимают энергию, переданную заряженной частицей

на

единице длины ее пробега в веществе. Понятие ЛПЭ было введе-

но

в 1954 г. Р.Цирклем. За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ/мкм

ткани

(1 кэВ/мкм - 62 Дж/м). В зависимости от значения ЛПЭ все

ионизирующие излучения подразделяются на редко- и плотноиони-

зирующие.

а-излучение Со и рентгеновское излучение с длиной волны

307

приблизительно 20 нм (250 кэВ) имеют соответственно ЛПЭ около

0,3 и 2 кэВ/мкм, нейтроны с энергией 14 МэВ - 12, а тяжелые заря-

женные ядерные частицы - от 100 до

2000

кэВ/мкм. Однако такое

деление достаточно условно, так как ЛПЭ не только связана с фи-

зической природой излучения, но и зависит от скорости полета час-

тицы. При очень большой скорости движения быстрые протоны и

электроны характеризуются одинаковым уровнем ЛПЭ, так как об-

ладают

равным по величине зарядом.

редкоионизирующим излучениям относят все виды излучений

(независимо от их физической природы), имеющие величины ЛПЭ

меньше 10 кэВ/мкм, а к плотноионизирующим - те излучения, для

которых ЛПЭ превышает это значение.

Рассмотрим

общую

картину связи ОБЭ с ЛПЭ. На рис. 8.1 пред-

ставлены кривые выживания

культуры

клеток человека после их

облучения тремя разными видами ионизирующей радиации, резко

различающимися по величинам ЛПЭ: рентгеновским излучением

250 кэВ, нейтронами 15 МэВ и а-частицами. Их ЛПЭ возрастает от

1,3 кэВ/мкм у рентгеновского излучения до 100 кэВ/мкм у а-час-

тиц.

Видно, что с ростом значения ЛПЭ увеличивается наклон кри-

вых и уменьшается экстраполяционное число (сокращается "плечо"

на

начальном отрезке кривых), достигая единицы при а-облучении

(см.

Принцип попадания и принцип мишени).

Следовательно, по мере роста ЛПЭ повышается поражаемость

!\ПЭ

6 8

Доза

излучения

Гр

Рис.

8.1. Кривые выживае-

мости

культуры

клеток чело-

*"века,

подвергнутых

действию

ионизирующей радиации: 1 -

рентгеновские

лучи;

2 - нейт-

роны;

3 - а-частицы

308

клеток

снижается

их

способность

восстановлению. Кривая,

вы-

ражающая зависимость

между

величинами ОБЭ

ЛПЭ, имеет

мак-

симум

(рис. 8.2).

Заметный рост

ОБЗ

наблюдается

со

значения

ЛПЭ,

равного

кэВ/мкм, достигает максимальной величины

при

ЛПЭ

100

кэВ/мкм,

а с

последующим увеличением ЛПЭ круто пада-

ет.

Это

явление объясняется

тем, что

гибель клетки происходит

по-

сле поглощения достаточного количества энергии

некотором

кри-

тическом объеме:

ростом

ЛПЭ

такая вероятность возрастает.

Од-

нако

после некоторых величин

ЛПЭ

наступает насыщение,

и каж-

дая последующая частица теряет энергию

уже в

убитой клетке.

Другими словами, биологическая эффективность ионизирующих

излучений

такой достаточно высокой

ЛПЭ

снижается,

иак как

энергия

расходуется вхолостую.

Значение

ОБЭ

зависит

не

только

от

вида излучения

и его ЛПЭ,

mil.

ММ

1СС

ЛПЭ,

кэВ/мкм

ткани

ЛПЭ,

кэв/

н«ы

10'

Рис.

8.2. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ и

величины

дозы излучения: А - выживае-

мость

культуры

клеток человека (по Дж.Барсндсену,

1968);

Б - выживаемость кле-

ток хлореллы (по Л.К.Векшиной, 1975)

но

и от

исследуемого эффекта,

также

от

множества

других

факто-

ров,

главные

из

которых

величина

мощность дозы,

до- и

постра-

диационные

условия, режим фракционирования, наличие, дефицит

или

отсутствие кислорода. Весьма важна

практически значима

за-

висимость

ОБЭ от

дозы облучения

и ее

распределения

во

времени

(см.

рис.

8.2).

Кривые

1, 2 и 3

отражают соответственно

80, 10 и

выживаемости клеток человека.

Из

анализа этих кривых вытекает,

что абсолютная величина ОБЭ

не

является постоянной,

зависит

от

степени поражения, снижаясь

с ее

увеличением.

Так, при

80-90%-

309

ных уровнях выживаемости клеток почки человека ОБЭ составляет

около

8, а при

1-10%-ной

выживаемости - около 3.

Один и тот же биологический эффект может быть достигнут при

фракционированном

облучении нейтронами в относительно мень-

ших суммарных дозах (по сравнению с суммарной дозой рентгено-

вского излучения), чем при однократном облучении. Это явление

используют при терапии опухолей нейтронами и другими тяжелы-

ми

ядерными частицами, характеризующимися большими величи-

нами

ЛПЭ. Использование плотноионизирующих излучений (на-

пример,

нейтронов) в лучевой терапии базируется на повышении

их ОБЭ в условиях дефицита кислорода, выявляемого в опухолях, а

тем более в условиях аноксии, из-за устранения защитного дейст-

вия

гипоксического фактора с возрастанием ЛПЭ. Этот феномен

продемонстрировали в своих цитогенетических экспериментах

А.Конжер и Г.Ивенс; они показали на разных объектах, что ОБЭ

быстрых нейтронов, оцененная по аберрациям хромосом в клетках

асцитной

карциномы Эрлиха и по образованию микроядер в клет-

ках конских бобов, составляет в аэробных условиях соответственно

2,5 и 10,5, а в анаэробных - 6 и 18.

Каковы

же границы применения концепции ОБЭ? Суммируя вы-

шеизложенный

материал, можно констатировать, что ОБЭ зависит

от многих факторов и ее абсолютная величина для того или иного

вида излучения может быть различной в разных условиях облуче-

ния,

а также от характера оцениваемого эффекта. Значение ОБЭ

очень сильно зависит от ЛПЭ. Поскольку последняя тесно связана с

проникающей

способностью ионизирующих излучений, точная

оценка

ОБЭ может быть сделана лишь с

учетом

особенностей рас-

пределения дозы в облучаемом биообъекте. При невыполнении это-

го обязательного требования неизбежна неправильная интерпрета-

ция

полученных результатов исследования.

Корректная

оценка ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ

могут

быть

получены лишь в случае, когда в качестве системы изучения ис-

пользуют изолированные клетки или

другие

мелкие объекты, в ко-

торых энергия излучения распределяется равномерно по всему объ-

ему. Вычисление коэффициентов ОБЭ в экспериментах, проведен-

ных на более крупных животных, в большинстве случаев вообще

теряет смысл, так как при этом не может быть обеспечена адекват-

ность условий опытов и прежде всего равномерность распределения

поглощенных доз в тканях для разных видов излучений. В рассмат-

риваемых случаях отношение доз, индуцирующих одинаковый био-

310