Механизм воздействия радиации на молекулы и клетки

 

Знание механизма  воздействия радиации на человека, возможнос­тей органов и систем человека противостоять радиации позволяет  при­нять дополнительные  меры по выживанию в условиях радиоактивного за­ражения или загрязнения среды.

Известно, что тело человека состоит: из воды примерно на 65%,  белков,  человеческих клеток на 18%,  жиров на  ­10%, углеводов  на 5%,  других органических и неорганических веществ на ­2%. Если из рассмотрения исключить воду,  то белки  составят  51,5%, липиды – 47,7%, клетки – 3%.

            Воздействие радиации происходит как на молекулярном уровне, так и на уровне клеток, органов и систем человека.

 

Молекула  воды

Наиболее многочисленными в организме человека являются молекулы воды. При облучении молекул воды ионизирующими излучениями образуются различные радикалы:

 

Н2О       Н2О+ + е–                                                                  Н2О*          Н*  + ОН*          

Н2О        Н+ + ОН*                                                                   Н* + ОН*      Н2О

Н2О  + е       Н2О*                                                                  ОН*  + ОН*           Н2О2      

         Н2О+  + Н2О      Н3О+ + ОН*  

 

          Свободные радикалы Н*, ОН* особенно химически активны. Время их жизни 10–15с. За это время они либо реагируют между собой с образованием молекулы воды, пероксидов водорода, либо с растворенным субстратом.

          Продукты радиолиза воды (пероксид водорода) вступают в реакцию с липидами, белками, что приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), происходит разрыв углеродных связей, нарушения ферментативных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные процессы в организме. В связи с нарушением обмена веществ и энергии прекращается и замедляется рост тканей, наступает гибель клеток. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что приводит к преждевременному старению.

М о л е к у л а   Д Н К

            Из основ биологии известно,  что молекула ДНК – это хранитель генетической информации и она же «руководит» синтезом белка в соматических клетках. Она явля­ется составной частью всех живых организмов,  входит в состав хромо­сом, которые имеются в ядре клетки. При облучении  молекулы ДНК она возбуждается в целом,  но из-за миграции энергии в молекуле происходит разрыв в самом слабом  месте, а именно рвутся водородные связи между отдельными участками молекулы. 

Если между нуклеотидами происходят однонитчатые разрывы, то работает механизм репарации (восстановления) под генетическиским контролем.

Установлено, что в молекуле может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитиевых разрывах и при этом поражения генов молекулы не наблюдается. Но если количество однонитиевых разрывов больше 7 или имеются двухнитиевые разрывы, то происходят хромосомные аберрации (разорванные концы и целые фрагменты в дальнейшем "склеиваются" в новых сочетаниях, и закодированная в генах информация искажается или теряется совсем.       

 

Таким образом, в результате аберраций искажаются гены, возможна и гибель  молекулы ДНК. Находясь в составе хромосом соматической клетки, молекулы ДНК могут вызвать бесконтрольное деление, приводящее к раку.

 

Молекула   белка

            Ученые считают, что именно белок, как одна из молекул жизни по­явилась первой на Земле.

            Постоянное обновление белка лежит в основе обмена веществ и он играет важную роль в жизнедеятельности организма.  До 20% поглощенной энергии облучения связано с повреждением белка. При облучении  молекул белка ионизирующими излучениями она воз­буждается в целом и за счет миграции энергии (как в молекуле ДНК) разрыв происходит в наиболее слабых местах,  а именно в связях между аминокислотами. В отличие от молекулы ДНК, молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

            Такие нарушения в структуре белка приводят к нарушению его функций. Но большое количество молекул белка в организме, их постоянное обнов­ление позволяет  на  биологическом  уровне  противостоять радиации с учетом степени их облучения.

            Большая разновидность белков,  разные размеры, количество, раз­ные функции вызывают при облучении и разные  последствия.  Например, только ферментов, ускоряющих химические реакции более 1000. Разруше­ние отдельных из них приводит к угнетению функций отдельных  систем. Последствия облучения во многом зависят от структуры белка.

 

Л  и  п  и  д  ы

            Липиды – жироподобные вещества и жиры,  плохо  растворимые  в воде. Они входят в состав клеточных перегородок (мембран). В связи с плохой проводимостью тепла, они выполняют защит­ную функцию,  а также играют и роль запасных питательных веществ в организме человека.

            При облучении липидов ионизирующими излучениями последствия во многом зависят от того, какие именно липиды облучаются. Если липи­ды не активно участвуют в процессах обмена веществ, то они мало влияют на здоровье человека.

            Действие ионизирующих излучений на липиды следующее. Под влиянием облучения происходит образование свободных радикалов ненасыщенных жирных кислот, которые при взаимодействии с кислородом образуют перекисные радикалы, а они, в свою очередь, реагируют с нативными жирными кислотами. Это процесс перекисного окисления липидов. Так как липиды – основа  биомембран, то перекисное окисление повлечет за собой изменение их свойств. А поскольку клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран и многие процессы клеточного метаболизма проходят именно на мембранах, то в клетке нарушаются биохимические процессы. Выражено нарушение энергетического обмена, что связано с повреждением митохондрий. Нарушение целостности наружной мембраны клетки приводит к сдвигу ионного баланса клетки из-за выравнивания концентраций натрия и калия (в клетке – повышенное количество калия, в межклеточном пространстве – натрия).

 

У  г  л  е  в  о  д  ы

            Общая формула углеводов может быть представлена в виде Сn(H2O)m. Учитывая, что молекула углерода более  устойчива  к  облучению, чем молекула  воды,  то  при  облучении  возникают радикалы воды,  о свойствах которых уже говорилось ранее.  Поскольку углеводы – источник энергии  в  организме,  то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем ор­ганизма.

 

К  л  е  т  к  а

            Клетка – это один из  основных  структурных,  функциональных и  воспроизводящих элементов живой материи,  ее элементарная живая сис­тема. В 1г человеческой ткани примерно 600 миллионов клеток, у ново­рожденного человека число  клеток составляет 2·1012,  которое еще больше воз­растает по мере роста организма.

            Клетка имеет достаточно сложное строение и изучается в биологии. 

В организме человека можно выделить много видов клеток, выполняющих разные функции. Различают клетки: половые, соматические, жировые, лейкоциты, лимфоциты и др. Радиобиологический закон выделяет два типа клеток. Делящиеся клетки (и малодифференцированные ткани) относятся к радиочувствительным. Такими являются кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий.

            Справка.У детей все клетки делятся до окончания роста, а у взрослых делятся только  клетки  кожи,  желудочно-кишечного  тракта, глаз и крови. Остальные клетки периодически обновляются.

            Неделящиеся клетки (и дифференцированные ткани) относят к радиоустойчивым. К ним относят мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение в этом списке составляют лимфоциты, несмотря на их дифференциацию и неспособность к делению.

            Наибольший вред организму приносит облучение соматических клеток и клеток крови. Рассмотрим в качестве примера вначале соматическую клетку, так как их в организме много. Выделим в клетке только те элементы,  которые больше всего подвержены воздействию радиации и вызывают наиболее тяжелые последс­твия. Поняв механизм воздействия радиации на клетку можно  предпринимать меры защиты, которые снизят результаты этого воздействия.

            Модель клетки (ее фрагметы) показана на рис.2.4. Клетка состоит из  мембраны, цитоплаз­мы, ядра, рибосом, митохондрий, транспортных молекул  тРНК (рибонукле­иновой кислоты),  матричных  мРНК,  молекул АТФ (аденозинтрифосфата), рибосомных рРНК и др.  В ядре клетки  находится  46 хромосом.

            Примечание: в клетке 80% рРНК, 5% – мРНК, 15% – тРНК. Рибосомы – клеточные органеллы, в которых синтезируются молекулы белка. Матричные (информационные) мРНК «снимают копию» с участков молекул ДНК и доставляют в рибосомы информацию о типах белка, которые необходимо синтезировать. Транспортные тРНК из тока кровеносных сосудов забирают аминокислоты и транспортируют в рибосомы, где рибосомные рРНК строят белок. Иногда для синтеза белка несколько рибосом объединяются по «команде» мРНК. Обычно в данный момент времени задачу синтеза белка решают только около 10% рибосом, остальные «отдыхают».

 

       
   
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Надпись: Мембрана

 

       
 
   
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.4. Модель соматической клетки (фрагмент cинтеза белка)

 

            При облучении клетки, например, бета-частицами, прежде всего,  повреждается  мембрана.  Если учесть, что давление внутри клетки больше, чем в межклеточном пространстве, то через образовавшиеся «бреши» будет вытекать цитоплазма. В этом  случае  ядро  вырабатывает ферменты,  которые тРНК транспортируют к местам повреждений мембраны и «зашивают» бреши. Та­ким образом, тРНК вместо того, чтобы заниматься своим делом – транс­портировать аминокислоты в рибосомы для синтеза  белка,  занимаются  «ремонтом» мембраны. Если интенсивность облучения превышает некоторый предел, то тРНК задачу «ремонта» мембраны решить не могут и клетка погибает. Дальнейшее проникновение бета-частиц в клетку может вызвать разрушения любых органел. При облучении бета-частицами самих молекул тРНК  они повреждаются и не могут выполнять свои функции.

            При облучении рибосом, за счет разрушений рибосомной РНК и белка, в рибосоме  может быть построен другой белок,  который ведет себя как инородное тело. Такое облучение не всегда представляет  большую опасность, так  как  в  последующих  циклах может быть сформирован и «свой» белок. Повреждение матричных  мРНК  также может привести к формированию «чужого» белка.  Если в последующих циклах облучение отсутствует  или не приведет к разрушению мРНК, то информация для строительства белка будет достоверной.

            Наиболее драматичная ситуация возникает, если поражаются хромосомы и их главная часть – молекулы ДНК. В этом случае клетка или погибает или начинает бесконтрольно делиться (рак).