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

Подождите немного. Документ загружается.

37%

непораженных

мишеней

некоторые

из 63%

мишеней

испытали

по два и

более попа-

даний

(рис. 8.4, Б).

Примеча-

тельно,

что

при очень большой

дозе облучения

все же

какое-

то число объектов оказалось

не

пораженным

облучением

(рис.

8.4,

В).

Графически зависимость

до-

ли

"выживших" объектов

от

величины дозы облучения

вы-

ражается экспонентой

(рис.

8.4,

Г):

Непораженная

мишень

N/N.

0,37

Величина

D37, как

отмеча-

лось выше, служит мерой

ра-

диочувствительности клеток

определяется

по

кривой выжи-

вания

(см. рис. 8.4, Г) как до-

за,

при

которой выживает

37%

клеток

от

исходного количест-

ва.

Аналогичные рассуждения

можно использовать

для рас-

смотрения

вопроса

об

"одно-

ударных процессах", возника-

ющих

при

действии рентгено-

вского

или

гамма-излучений,

вызывающих редкорасполо-

женные акты ионизации

по

всему объему облучаемого

объ-

екта.

Теоретические положения

теории мишени, основанные

на

предположении

об

"одно-

ударности" процесса попадания, предсказывают экспоненциальную

зависимость "доза

эффект"

(см. рис. 8.4, Г). В

реальных условиях

эксперимента

экспоненциальную зависимость наблюдали при

облу-

чении

макромолекул, вирусов, бактериальных спор, некоторых

од-

ноклеточных организмов.

природе чаще встречается

другой

тип

Доза

облучения

Рис.

8.4. Зависимость между числом

пораженных мишеней и поглощенной

дозой:

1 - объект с

мишенью

сечением S;

- треки частиц (пояснения в тексте)

321

23456789

Доза,

усл. ад.

Рис.

8.5. Теоретические

кривые

выживаемости для

объектов,

инактивируе-

мых в результате несколь-

ких попаданий (по

Десса-

уэру,

1954):

А - в полуло-

гарифмическом масштабе;

- в обычном масштабе.

Цифры

на

кривых

означа-

ют "ударность" процесса

инактивации объекта

23456789

Доза,

усл.

ед.

кривых "доза

эффект", характерных

для

большинства клеток

рас-

тительного

животного происхождения.

линейных координатах

они

имеют

S-образную

форму (рис.

8.5, Б). В

этих случаях говорят

многоударном процессе, подразумевая,

что для

инактивации

био-

объекта необходимо

не

одно,

а два и

более попаданий

единствен-

ную мишень или поражение

двух

мишеней

более, каждая

из

кото-

рых должна быть поражена.

При

изображении кривых "доза

эффект"

полулогарифмиче-

ском

масштабе (рис.

8.5, А) они

приобретают "плечо" (начальный,

более горизонтальный участок кривой), переходящее

прямоли-

нейный

участок, наклон которого совпадает

наклоном соответст-

вующей одноударной кривой.

Чем

больше "ударность" мишени,

тем

заметнее

эти

"плечо". Если экстраполировать прямолинейный

уча-

сток

кривой

нулевой дозе,

то на оси

ординат отсекаются отрезки,

соответствующие "ударности" мишеней

(их

числу).

На

основании принципа попадания

концепции мишени можно

322

анализировать кривые "доза - эффект", полученные в эксперимен-

те. В зависимости от вида биообъекта и характера излучения пол-

учают

различные дозные кривые - от простых экспоненциальных до

сигмоидалъных с различной величиной "плеча". Для интерпретации

последних используют сложные математические построения, осно-

ванные

на различных гипотетических моделях. Применение

прин-

ципа

попадания и теории мишени позволило впервые определить

размеры некоторых макромолекул (например,

РНК-азы),

вирусов,

генов,

получить сведения о внутренней

структуре

бактериальных

спор.

Достоинством указанных теоретических представлений о ме-

ханизме летального действия ионизирующих излучений является

простота объяснения основных экспериментальных данных, в пер-

вую очередь это относится к количественному описанию кривых

выживания.

Принцип попадания и теория мишени позволяют пол-

учить

важные сведения о характере первичных физических процес-

сов,

происходящих в биообъекте под влиянием радиации и оценить

параметры (сечение, объем, молекулярную

массу)

структур,

ответ-

ственных за наблюдаемый биологический эффект.

главным недостаткам теории мишени относится то, что она но-

сит формальный характер, а формальный анализ эксперименталь-

ных кривых "доза - эффект" не может раскрыть последовательность

физико-химических процессов, приводящих к поражению мишени

результате

попадания. Теория мишени не может удовлетвори-

тельно объяснить явление модификации радиочувствительности

биосистем под действием различных физико-химических агентов, в

том числе радиопротекторов и радиосенсибилизаторов. Она не по-

зволяет

учесть

влияние фактора времени, концентрации кислоро-

да, рапарационных процессов, роль ЛПЭ и т.д. при действии

иони-

зирующего излучения на биообъекты. Теория мишени рассматрива-

ет эффекты, индуцированные радиацией, как строго детерминиро-

ванные

первичными актами поглощения энергии; ее основное свой-

ство - строго количественный

подход

к вопросу о механизме биоло-

гического действия ионизирующих излучений.

Гипотеза липидных радиотоксинов и цепных реакций

Гипотеза липидных радиотоксинов - одна из широко распростра-

ненных

гипотез биологического действия ионизирующих излуче-

ний,

объясняющая преимущественно одно важное звено (так назы-

ваемый

"лучевой

токсический эффект") в сложном патогенетиче-

ском

комплексе

лучевых

реакций организма. Гипотеза липидных

радиотоксинов,

успешно развиваемая Ю.Б.Кудряшовым,

базирует-

323

ся

на выдвинутой Б.Н.Тарусовым и Н.М.Эмануэлем концепции о

решающей роли в начальных процессах

лучевого

поражения цеп-

ных окислительных реакций свободнорадикального типа, наиболее

подходящим

субстратом

для которых являются липиды. Большим

стимулом формирования данной гипотезы послужил (обнаружен-

ный

в начале 50-х гг. А.С.Мочалиной и Ю.Б.Кудряшовым) тот

факт,

что водно-солевые вытяжки из облученной печени при инъ-

екции

интактным животным вызывают гемолиз эритроцитов крови.

Было

высказано предположение, что под влиянием радиации в пе-

чени

животных образуется так называемый "гемолитический фак-

тор".

Идентификация указанного цитотоксического агента выявила

его липидную природу: агент получил название липидного радио-

токсина

(ЛРТ). Последние обнаруживаются уже в первые часы по-

сле облучения не только в печени, но и в крови, тонком кишечнике,

семенниках, почках,

желудке

других

органах животных; этот эф-

фект

был продемонстрирован на растениях и микроорганизмах.

Установлено, что ЛРТ представляет собой лабильный комплекс

продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот, гидроперок-

сидов, эпоксидов,

альдегидов

и кетонов, способных вызывать не

только гемолиз, но и

другие

реакции, характерные для

лучевого

по-

ражения.

Так, при действии ЛРТ отмечаются торможение клеточ-

ного деления, нарушение кроветворения, повреждение хромосом-

ного аппарата некоторых объектов.

Изучение содержания различных токсических продуктов в пече-

ни

облученных в

дозе

7 Гр крыс (рис. 8.6) позволило выявить, что в

разные сроки после воздействия радиации наблюдается чаще уве-

личение,

но иногда и уменьшение количества холина, хинонов, гис-

тамина и ЛРТ. Введение ЛРТ интактным животным, по данным

Ю.Б.Кудряшова, вызывало у них фазные изменения

других

"радио-

токсинов",

в том числе хинонов. Однако инъекция хинонов или дру-

гих "радиотоксинов" не приводила к образованию ЛРТ. На этом ос-

новании

ЛРТ были отнесены к первичным радиотоксинам (в насто-

ящее время первичными радиотоксинами считают и хиноны). Ли-

пиды - составные компоненты клеточных мембран, поэтому их по-

ражение вызывает нарушение регуляции химических процессов в

живой клетке вплоть до уровня, приводящего ее к гибели.

Согласно гипотезе липидных радиотоксинов ионизирующее из-

лучение вызывает разрушение или ингибирование природных ан-

тиокислительных (антиоксидантных) систем организма, что и спо-

собствует

возникновению цепных окислительных реакций свобод-

норадикального типа. В рамках этой гипотезы именно первичное

324

Рис.

8.6. Содержание

различных веществ, кото-

рым приписывают роль "ра-

диотоксинов"

в печени

крыс, в разные сроки после

общего

облучения в

дозе

7Гр:

1 - холин; 2 - хиноны;

гистамин; 4 - ЛРТ

вч

4 8 8

Время

после

облучения,

сут

поражение определенных фракций липидов индуцирует развитие

всех

последующих событий

клетках, включая

поражение гене-

тического аппарата.

Гипотеза липидных радиотоксинов

цепных реакций,

как и тео-

рия

мишени,

не

может быть признана универсальной теорией

ле-

тального действия ионизирующих излучений

на

клетку (С.П.Ярмо-

ненко,

1988).

Во-первых, аналогия

действии

ЛРТ и

ионизирую-

щих излучений ограничена лишь определенным кругом явлений,

но

установлены

принципиальные различия, например, отличают-

ся

по

своей природе структурные повреждения хромосомного аппа-

рата,

не

выявлено мутагенное действие ЛРТ.

Во-вторых,

кинетика

накопления

ЛРТ

количественно

не

связана

ЛПЭ,

последняя

основном

определяет относительную биологическую эффектив-

ность ионизирующих излучений.

В-третьих,

отсутствуют

четкие

количественные временные характеристики зависимости эффекта

поражения

биосистем

от

скорости образования

ЛРТ при

различных

дозах

облучения.

Структурно-метаболическая теория

преимущественно качест-

325

венная

теория биологического действия ионизирующих излучений

радиационной биофизике, активно разрабатываемая с 1965 г.

А.М.Кузиным. В ее основе лежит идея о том, что под влиянием ра-

диации

в клетке возникают не только чисто радиационно-химиче-

ские

повреждения, но благодаря биохимическим механизмам уси-

ления

в организме синтезируются и высокореакционные продукты;

их образование приводит к дополнительному повреждению биоло-

гически важных макромолекул и возникновению низкомолекуляр-

ных токсических метаболитов. В структурно-метаболической тео-

рии

решающее значение отводится не только радиационному пора-

жению молекул ДНК и РНК, но и нарушениям цитоплазматиче-

ских

структур

и их нормального функционирования. Повреждение

строго скоординированной биосистемы (или клетки) в одном или

нескольких звеньях вызывает нарушения мембран и сопряжения

важных метаболических процессов: инактивацию ферментов, рас-

стройство управляющих систем и

другие

тяжелые последствия. В

рамках структурно-метаболической теории особая роль из токсиче-

ских метаболитов в

лучевом

поражении организма придается, как и

гипотезе липидных радиотоксинов, первичным радиотоксинам

(ПРТ).

Под последними понимаются вещества, которые

образуют-

ся

в клетках облученных организмов

тотчас

или в ближайшие часы

после облучения и обладающие свойством вызывать основные ради-

обиологические эффекты при действии на клетки или организмы

(А.М.Кузин, 1970,

1986).

ПРТ - комплекс веществ, обладающих

близкими

свойствами, но относящихся к различным классам хими-

ческих соединений (например, к хинонам). Одни из этих веществ

всегда

присутствуют

и в нормальной клетке, однако в меньшем ко-

личестве, чем после воздействия радиации. Возрастание концентра-

ции

хинонов в клетках после облучения носит экспоненциальный

характер (рис. 8.7).

А.М.Кузин и сотрудники показали, что введение экстрактов из

облученных растительных объектов (картофеля), содержащих хи-

ноны

(ортохиноны), приводит к уменьшению массы животных, уг-

нетению клеточного деления и возникновению хромосомных абер-

раций

в клетках корешков растений, подавлению роста клеточных

структур,

увеличению числа

уродств

личинок вьюна и частоты му-

таций

у кишечной палочки.

Структурно-метаболческая теория, также как и теория мишени,

гипотеза липидных радиотоксинов, не может быть признана уни-

версальной теорией биологического действия ионизирующего излу-

чения

по

ряду

причин. Так, ею не установлены количественные со-

326

100

Время,

Рис.

8.7.

Содержание

хинонов в

проростках

кукурузы в

зависимости

от дозы (А) и

времени

(Б)

после

воздействия

ионизирующего

излучения.

Время

и дозы облучения

указаны

на кривых

отношения

между

накоплением ПРТ в клетке и степенью ее пора-

жения.

Факт экспоненциального повышения содержания ПРТ с

возрастанием дозы облучения и во времени, который А.М.Кузин

приводит как веское доказательство справедливости своей теории,

не

может претендовать на какую-либо однозначную интерпрета-

цию.

Трудно также принять без сомнения точку зрения автора о ве-

дущей

роли ПРТ в первичных процессах радиационного поражения

клетки,

если время образования радиотоксинов в соответствии с его

определением смещается от момента облучения к ближайшим ча-

сам и

даже

нескольким суткам после облучения организмов.

Структурно-метаболическая теория базируется на анализе мно-

гочисленных фактов, накопленных радиобиологией за текущие де-

сятилетия.

Она связывает с действием первичных и вторичных ра-

диотоксинов возникновение практически

всех

нарушений, происхо-

дящих в облученном организме, вплоть до отдаленных радиацион-

ных последствий.

327

КОНТРОЛЬНЫЕ

ВОПРОСЫ

Что изучает радиобиология (радиационная биофизика)? Основные проблемы

радиобиологии.

Доза

ионизирующего излучения, ее мощность. Единицы поглощенной и

экспо-

зиционной доз ионизирующего излучения.

Понятие предельно допустимой дозы за год

(ПДД).

Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений

(ОБЭ).

Какова связь ОБЭ с линейной передачей энергии

(ЛПЭ)?

Лучевая болезнь человека и животных: стадии ее развития.

Критические системы организма. Конкретные их

примеры.

Что следует понимать под термином "модификация радиочувствительности"?

Кислородный

эффект

в радиобиологических явлениях: коэффициент кисло-

родного усиления

(ККУ),

зависимость кислородного

эффекта

от концентрации кис-

лорода

по Л.Г.Грею.

Понятия "радиопротекторы и радиосенсибилизаторы". Приведите

примеры

ра-

диопротекторов из двух классов веществ: индолилалкиламинов и меркаптоалкила-

минов.

10.

Охарактеризуйте два направления в развитии теоретических представлений о

биологическом действии радиации.

11.

Сущность теории мишени. Ее научная обоснованность.

Авторы.

Достоинства.

12.

Критика теории мишени: соответствие ее положений современным экспери-

ментальным

результатам воздействия ионизирующего излучения на биосистемы

(белки,

ферменты, нуклеиновые кислоты, биомембраны, хромосомы и т.д.).

13.

Кем разработана гипотеза липидных радиогоксинов? Что такое

липидные

ра-

диотоксины? Кинетика процессов их образования в различных системах облученного

организма.

14.

Достоинства и слабые стороны гипотезы липидных радиотоксинов.

15.

Является ли структурно-метаболическая теория количественной теорией био-

логического действия радиации? Кто ее разработал?

16.

Какая идея лежит в основе структурно-метаболической теории? Ее достоинст-

ва и слабые стороны.

17.

Согласны ли Вы с утверждением о том, что ни структурно-метаболическая те-

ория, ни теория мишени, ни гипотеза липидных радиотоксинов не могут быть при-

знаны

универсальными

теориями биологического действия ионизирующего

СПИСОК

РЕКОМЕНДУЕМОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

Бак

3. Химическая защита от ионизирующей радиации. М., 1968. 263 с.

Кузин A.M. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. М., 1986.

284

с.

328

Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики.

М., 1982.304

с.

Гойчаренко Е.Н., Кудряшов Ю.Б. Гипотеза эндогенного фона радиоре-

зистентности.

М.,

1980.176

с.

й д у с Л.Х. Физико-химические основы радиобиологических процессов и за-

щиты

от излучений. М., 1979. 216 с.

Ярмоненко СП. Радиобиология человека и животных. М., 1988.

424с.

329

ГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава

I. История и методология биофизики 9

Биофизика

как

наука

§2. История биофизики

Методология биофизики

Единство принципов

структуры

функционирования

живых организмов

Глава

Термодинамика биологических процессов....

Первый закон термодинамики

Второе

начало термодинамики

живые организмы

Баланс энтропии при росте

развитии организмов

Стационарное состояние. Теорема Пригожина.

Термодинамическое равновесие. Устойчивое

неустойчивое

стационарное состояние. Принцип Ле-Шателье

Работоспособность биологических систем

Глава

Кинетика биологических процессов

Основные понятия кинетики биологических процессов...

Влияние температуры

на

скорость биохомичсской

реакции.

Энергия активации реакции

105

Влияние катализаторов

на

скорость реакции

108

Физико-химические механизмы ферментативного

катализа

111

Кинетика ферментативных реакций

117

Ингибиторный анализ

124

330