Реакции клетки на облучение

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.

Около 7% поглощенной дозы приходится на ядерную ДНК. Механизм миграции энергии заключается в том, что при выбивании электрона происходит миграция дефектного участка по полинуклеотидной цепи до участка с повышенными электрон-донорными свойствами. Такое место - чаще всего участок локализации тимина или цитозина, где и образуются свободные радикалы этих оснований. При косвенном действии излучений именно на этих участках происходит реакция с продуктами радиолиза воды.

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

Примечание. Между нуклеотидами ковалентные водородные связи (связь с помощью двух электронов).

Установлено, что в молекуле может быть восстановлено до 7 разорванных связей в однонитиевых разрывах и поражения генов молекулы не наблюдается.

Примечание. Способность молекулы ДНК восстанавливать одиночные разрывы между нуклеотидами необходимое условие выживания в условиях постоянного естественного облучения радиацией.

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.

По мере накопления дозы облучения растет и количество хромосомных аберраций по линейно-квадратичному закону (рис.2.2.) и зависит от вида облучения (рис.2.3).

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.

Белок - это высокомолекулярное орга­ническое соединение, построенное из 20 аминокислот. Аминокислоты появились на Земле, когда в атмосфере появились метан, аммиак, пары воды. Воздействие ультрафиолетового солнечного излучения привело к образованию формальдегида, затем цианистого водорода. Именно они являются ключом к разгадке появления белков и нуклеиновых кислот. В 1953 году в Чикаго американский ученый Миллер экспериментально установил, что если подвергать воздействию электрическим зарядом смесь метана, воды и водорода можно получить до 2% различных аминокислот. Из 20 аминокислот в организме человека синтезируется только 12, остальные 8 в готовом виде поступают в организм вместе с пищей. Белки в организме разнообразны. Их имеется свыше 10 миллионов и выполняют они разные функции: структурные, регуляторные (гормоны), каталитические (ферменты), защитные (антитела), транспортные (гемоглобин), энергетические и др.

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 (аналогично в молекуле ДНК) разрыв происходит в наиболее слабых местах, а именно в связях между аминокислотами, которые могут быть ионными, ковалентными и с участием воды. К сожалению, в отличие от молекулы ДНК, молекула белка системы защиты от радиации не имеет.

Таким образом, в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. Такие события происходят в результате прямого действия ионизирующих излучений. При косвенном действии образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды. Образование свободных радикалов влечет за собой изменения структуры белка:

- разрыв водородных, гидрофобных, дисульфидных связей;

- модификация аминокислот в цепи;

- образования сшивок и агрегатов;

- нарушение вторичной и третичной структуры белка.

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.

Различают первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру белка. Наиболее подвержена облучению четвертичная структура и менее подвержена первичная структура. Это объясняется их прочностью. О последствиях облучения белка можно судить только, если известен тип белка, вид и время облучения.

Л и п и д ы

Липиды это жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде. Из них в частности построены клеточные перегородки (мембраны). В связи с тем, что липиды плохо проводят тепло, они выполняют защитную функцию, они также играют и роль запасных питательных веществ в организме человека.

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

Подробней 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 С_n(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. Учитывая, что углеводы это источник энергии в организме, то при их разрушении такой источник исчезает, что приводит к угнетению многих жизненно важных систем организма.

Более подробно воздействие ионизирующих излучений на углеводы следующее. Под действием излучения происходит отрыв атома водорода от кольца углеводной молекулы, образуются свободные радикалы, а затем перекиси. Из продуктов распада углеводов - глицеринового - синтезируется метилглиоксаль - вещество, ингибирующее синтез ДНК и белка, и подавляющее деление клеток. Чувствительна к облучению и гуалуроновая кислота, являющаяся составным элементом соединительной ткани.

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 2х10¹², которое еще больше возрастает по мере роста организма.

Клетка имеет достаточно сложное строение и изучается в биологии.

Справка. Если рассматривать только химический состав клетки, то в нее входит более 100 химических элементов, но на долю 4-х из них приходится 98% массы клетки - это кислород (65 - 75%), углерод (15 - 18%), водород (8 - 10%), азот (1,5 - 3%). В значительных количествах в организме человека имеются: сера, фосфор, хлор, калий, натрий, магний, кальций, железо. Остальные микроэлементы имеются в незначительных количествах. Воды в клетке 70 - 80%. Кроме химических, в клетке имеются и биологические молекулы: белки - 10 - 20%, жиры - 1 - 1,5%, углеводы - 2%, нуклеиновые кислоты 1 - 2%.

В организме человека клетки выполняют разные функции. Различают клетки: половые, соматические, жировые, лейкоциты, лимфоциты и др. Радиобиологический закон выделяет два типа клеток: клетки делящиеся и малодифференцированные ткани относятся к радиочувствительным. Такими являются кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и плоский эпителий.

Заметим, что 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.

Клетки же неделящиеся 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 нескольких частей: мембраны, цитоплазмы, ядра, рибосом, митохондрий, транспортных молекул тРНК (рибонукле­иновой кислоты), матричных мРНК, молекул АТФ (аденозинтрифосфата), рибосомных рРНК и других частей, которые на рисунке не показаны. В ядре клетки находится 46 хромосом.

Примечание: в клетке 80% рРНК, 5% - мРНК, 15% - тРНК. Рибосомы - это цеха по производству молекул белка. Матричные (информационные) мРНК "снимают копию" с участков молекул ДНК и доставляют в рибосому информацию о типе белка, который 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".

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 РНК 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. Если учесть воздействие ионизирующего излучения и на другие основные органеллы клетки, то можно выделить следующие последствия облучения:

- при облучении ядра клетки возможны: подавление клеточного деления (если клетка делится), двунитчатые разрывы нуклиотидов и хромосомные аберрации, однонитчатые разрывы нуклеотидов и репарация (восстановление) связей, нарушение синтеза ДНК и остановка деления (для делящихся клеток), генные мутации, нарушение транспортной функции и репарация, нарушение синтеза клеточных белков, запуск механизма бесконтрольного деления (в соматических клетках);

- нарушение проницаемости цитоплазматической мембраны;

- цитолиз лизосом (лизосомы - цитоплазматические включения, с которыми связано накопление некоторых ферментов и процессы внутриклеточного пищеварения);

- нарушение энергетического обмена за счет разрушения (повреждения) митохондрий и молекул АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты);

- нарушение синтеза белков в рибосомах;

- радиационный автолиз эндоплазматической сети (специальная структура цитоплазмы).

Если обобщить реакцию клетки на облучение (биологическая стадия), то возможны три типа реакции на облучение:

1.Радиационный блок митозов (временная задержка деления);

2. Митотическая (репродуктивная) гибель клетки;

3. Интерфазная гибель клетки.

Наиболее универсальная реакция клетки на воздействие ионизирующих излучений - временная задержка деления (радиационный блок митозов). Длительность его зависит от дозы: на каждый Грей дозы клетка отвечает задержкой митоза в 1 час. Проявляется этот эффект независимо от того, выживет ли клетка в дальнейшем. Причем с увеличением дозы облучения увеличивается не число реагирующих клеток, а именно время деления каждой клетки. Эта реакция имеет огромное приспособительное значение: увеличивается длительность интерфазы, оттягивается вступление клетки в митоз, создаются благоприятные условия для нормальной работы системы репарации ДНК.

При больших дозах, которые необходимы только для развития радиационного блока митозов, развивается митотическая гибель клетки. Это относится к клеткам, не делящимся или делящимся редко. В клетке не выражены дегенеративные процессы. Показателем выживаемости клетки является ее способность проходить 5 и более делений.

Варианты митотической гибели: 1) клетка гибнет в процессе одного из первых четырех пострадиационных митозов, невзирая на отсутствие видимых изменений; 2) облученные клетки после первого радиационного митоза формируют так называемые "гигантские" клетки (чаще в результате слияния "дочерних" клеток). Такие клетки способны делиться не более 2 - 3 раз, после чего погибают. Основная причина митотической гибели клетки - повреждение хромосомного аппарата клетки, приводящее к дефициту синтеза ДНК.

Интерфазная гибель клетки наступает до вступления клетки в митоз. Для большинства соматических клеток человека она регистрируется после облучения в дозах в десятки и сотни Грей. Лимфоциты (радиочувствительные клетки) гибнут по этому механизму даже при небольших дозах.

Механизм интерфазной гибели следующий. За счет разрывов в молекуле ДНК нарушается структура хроматина. В мембранах идет процесс перекисного окисления липидов. Изменения ДНК-мембранного комплекса вызывают остановку синтеза ДНК. Повреждение мембраны лизосом приводит к выходу из них ферментов - протеаз и ДНК-аз. Эти ферменты разрушают ДНК, что ведет к пикнозу ядра. Повреждение мембран митохондрий ведет к выходу из них кальция, который активирует протеазы. Все это приводит к гибели клетки.

Степень разрушения клетки зависит не только от поглощенной дозы, но и ее распределения во времени. Если полученная доза растянута во времени, то ущерб будет меньше. Особенно это касается делящихся клеток. Впрочем, последствия для делящихся клеток во многом зависят от того, на какой фазе деления клетки имело место облучение. Итак, возможны три варианта последствий облучения клетки:

- полное выживание клетки без последствий;

- процесс выживания и деления осложнен и клетка погибает;

- появление живой, но измененной клетки.

Третий случай наиболее опасен. При облучении делящейся соматической клетки возможно развитие рака, так как может быть порожден процесс бесконтрольного деления измененных клеток.

Рассмотрим половую клетку. Первая эмбриональная клетка, образующаяся после слияния сперматозоида с яйцом, особенно чувствительна к облучению. В первые 5 суток гибель зародыша наиболее вероятна, затем могут быть поражения мозга, уродства.

Облучение после органообразования у зародыша вызывает рождение хилого потомства. От радиации обычно быстро гибнут клетки лимфоцитов, незрелые клетки костного мозга, половые железы и клетки хрусталика глаза.

Как уже отмечалось, чувствительны к облучению клетки крови и ее заболевания одна из проблем радиационной безопасности. Рассмотрим подробней.

Наша справка. Кровь - непрозрачная, клейкая жидкость красного цвета, солоноватого вкуса, состоящая из двух частей: плазмы и форменных ферментов - эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Объем плазмы у человека равен 55 -60% общего объема крови. Состоит она на 90 - 91% из воды, 9 - 10% приходится на сухой остаток, в котором имеются белки и соли. В плазме содержатся также глюкоза, молочная кислота, жирные кислоты, ферменты, некоторые микроэлементы.

Основную массу форменных элементов крови составляют эритроциты. Они выполняют ряд важных функций: 1) поглощение кислорода в легких и перенос его в капилляры, поглощение углекислоты в капиллярах тканей и доставка ее в легкие; 2) сохранение активной реакции крови; 3) поддержание ионного состава крови; 4) участие в водно-солевом обмене; 5) адсорбция токсинов.

При облучении крови количество эритроцитов ежесуточно снижается и за месяц их потеря может достигнуть 25% от исходного уровня. В результате развивающаяся анемия замедляет процессы репарации, а дефицит кислорода в костном мозге нарушает его способность восстанавливать кроветворение.

Лейкоциты - типичные ядерные клетки. Они выполняют защитную функцию в борьбе с инфекцией или чужеродным телом.

При облучении ионизирующими лучами количество лейкоцитов уменьшается пропорционально полученной дозе. Сокращение лейкоцитов снижает сопротивляемость организма человека инфекциям.

Лимфоциты - наиболее чувствительный показатель тяжести поражения от ионизирующих излучений. Сокращение числа лимфоцитов наблюдается сразу после облучения и достигает максимума на 1 - 3 сутки. Этим самым подавляется иммунная система.

Тромбоциты играют важную роль в процессе свертывания крови. При облучении радиацией их количество падает, а следовательно появляются проблемы со свертываемостью крови.

Под действием радиации могут возникнуть нарушения кроветворения на различных этапах клеточного обновления. Может быть временное прекращение деления клеток, гибель малодифференцированных клеток, нарушение продолжительности созревания, жизни большинства зрелых функционирующих клеток. Самым серьезным из названных заболеваний является нарушение дифференциации клеток, приводящее к лейкозу.

Лейкоз - это болезнь, характеризующаяся избыточным содержанием в крови неполноценных белых клеток (эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов). Эту болезнь называют "раком" крови или белокровием.

Выводы: 1. Молекулы ДНК и клетки человека могут противостоять радиоактивному облучению, но только при определенной интенсивности облучения и времени действия.

2. Гибель отдельных клеток не означает гибели органа или организма в целом, вместо погибшей стимулируется деление новых. Появление живой, но измененной клетки вызывает опасность развития рака.

3. Наиболее разрушительными для организма человека являются радикалы воды.

Особенностью раковых заболеваний является то, что у них значительный латентный период, т.е. рак, проявляется не сразу, а через значительное время. Особенности заболевания различными видами рака демонстрируется рис. 2.5.

Вопросы для самоконтроля:

1. Основные этапы воздействия радиоактивных излучений на организм

2. Основные радиационные повреждения

3. Возможные последствия облучения соматической клетки при синтезе белков

4. Возможные последствия радиоактивного облучения всех типов клеток

5. Реакции клетки на облучение