Дія іонізуючих випромінювань на клітку
Дія іонізуючих випромінювань на клітку
Пошкодженням біологічно важливих макромолекул далеко не повністю пояснюється іонізуюче ураження клітини. Клітка - злагоджена динамічна система біологічно важливих макромолекул, які скомпоновані в субклітинних утвореннях, що виконують певні фізіологічні функції. Тому ефект дії джерел іонізуючих випромінювань можна зрозуміти, лише взявши до уваги зміни, що відбуваються як в самих клітинних органелах, так і у взаємовідносинах між ними.
Найбільш чутливими до опромінення органеллами клітин організму ссавців є ядро і мітохондрії. повреж-
дення цих структур наступають при малих дозах і проявляються в найбільш ранні терміни. Так, при опроміненні мітохондрій лімфатіче- ських клітин дозою 0,5 Гр і більше процеси окисного фосфорилювання пригнічуються в найближчі години опромінення. При цьому виявляються зміни фізико-хімічних властивостей нуклеопротеїдних комплексів, в результаті чого відбуваються кількісні і якісні зміни ДНК і роз'єднується процес синтезу ДНК РНК-білок. В ядрах радіочутливих клітин майже відразу ж після опромінення пригнічуються енергетичні процеси, іони натрію і калію викидаються в цитоплазму, порушується нормальна функція мембран. Одночасно можливі розриви хромосом, які виявляються в період клітинного ділення, хромосомніаберації і точкові мутації, в результаті яких утворюються білки, що втратили свою нормальну біологічну активність. Більш вираженою радиочувствительностью, ніж ядра, володіють мітохондрії. Так, зна ве зміни в структурі мітохондрій лімфатичних клітин селезінки виявляються вже через 1 год після опромінення дозою 1 Гр. Ці зміни проявляються набуханням мітохондрій, деструкцією крист і просвітленням матриксу. У ряді випадків відзначаються пошкодження мембрани мітохондрій, які проявляються перш за все в різкому пригніченні процесів окисного фосфорилювання. У чутливих до випромінювання тканинах це порушення виявляється вже при дозах фотонного випромінювання 0,5-1 Гр.
Ефект впливу іонізуючого випромінювання на клітину - результат комплексних взаємопов'язаних і взаємообумовлених перетворень. За А.М. Кузін, радіаційне ураження клітини здійснюється в три етапи.
На першому етапі випромінювання впливає на складні макромолекулярні освіти, іонізуючи і збуджуючи їх. При поглиненої дози фотонного випромінювання 10 Гр в клітці утворюється до 3? 106 іонізованих та збуджених молекул. При цьому в ядрі має виникнути близько 9? 105 активних центрів, в кожній мітохондрії - 900 центрів, в ЕПР - 4,5? 105 і в кожної лізосоми - близько 200 активних центрів. На ці процеси прямого впливу витрачається до 80% поглиненої енергії. Крім того, від 25 до 50% утворилися в результаті радіолізу води радикалів реагують з макромолекулами клітини.
Поглинена енергія може мігрувати по макромолекулам, реалізуючись в слабких місцях. У білках, ймовірно, це SН-групи, в
ДНК - хромофорні групи тиміну, в ліпідах - ненасичені зв'язку. Зазначений етап пошкодження може бути названий фізичної стадією променевого впливу на клітину.
Другий етап - хімічні перетворення, відповідні процесам взаємодії радикалів білків, нуклеїнових кислот і ліпідів з водою, киснем, радикалами води і биомолекулами, а також виникнення органічних перекисів, що викликають швидко протікають реакції окислення, які призводять до появи безлічі змінених молекул. В результаті цього початковий ефект багаторазово посилюється. Радикали, що з'являються в шарах впорядковано розташованих білкових молекул, взаємодіють з утворенням зшивок, в результаті чого порушується структура біологічних мембран. Пошкодження мембран призводить до вивільнення ряду ферментів. Внаслідок повреж- дення лізосомних мембран збільшується активність ДНКази, РНКази, катепсинов, фосфатази і ряду інших ферментів.
Порушення, які наступають в результаті вивільнення ферментів з клітинних органел і зміни їх активності, відповідають третього етапу променевого ураження клітини - біохімі- зації.
Вивільнені ферменти шляхом дифузії досягають будь-якої органели клітини і легко проникають в неї завдяки збільшенню проникності мембран. Під впливом цих ферментів відбувається розпад високомолекулярних компонентів клітини, в тому числі нуклеїнових кислот і білків. Було б неправильним особливо виділяти якесь одне біохімічне порушення, що виникає при цьому, так як радіаційний ефект відзначається в результаті багатьох найрізноманітніших ушкоджень тонко збалансованого механізму біохімічних реакцій. Разом з тим, розглядаючи дію радіації на клітини, можна говорити про провідних пошкодженнях, що призводять до порушення тієї чи іншої функції. Так, порушення процесів окисного фосфорилювання пов'язані з пошкодженням структури мітохондрій. У той же час зазначені порушення можуть виникати в результаті пошкодження лізосом і вивільнення з них гидролитических ферментів. Зміни в клітинному ядрі здатні приводити до синтезу ферментів зі зміненою або втраченої активністю і т.д. Дія мізерно малих кількостей поглиненої енергії виявляється для клітини згубним внаслідок фізичного, хімічного і біо-
хімічного посилення радіаційного ефекту, і основну роль в розвитку цього ефекту відіграє пошкодження надмолекулярних структур, що володіють високою радиочувствительностью.
Радіочутливість клітин в значній мірі залежить від швидкості протікають в них обмінних процесів. Клітини, для яких характерні інтенсивно протікають биосинтетические процеси, високий рівень окисного фосфорилювання і значна швидкість росту, мають більш високу радіочутливість, ніж клітини, які перебувають в стаціонарній фазі.
Нарешті, слід підкреслити, що кінцевий ефект опромінення є результатом не тільки первинного ушкодження клітин, але і наступних процесів відновлення. Передбачається, що значна частина первинних ушкоджень у клітці виникає у вигляді так званих потенційних ушкоджень, які можуть реалізуватися в разі відсутності відновлювальних процесів. Реалізації цих процесів сприяють процеси біосинтезу білків і нуклеїнових кислот. Поки реалізації потенційних ушкоджень не відбулося, клітина може в них відновитися. Таке відновлення, як передбачається, пов'язане з ферментативними реакціями й обумовлено енергетичним обміном. Вважається, що в основі цього явища лежить діяльність систем, які в звичайних умовах регулюють інтенсивність природного мутаційного процесу.
Такі сучасні погляди на механізм розвитку ураження клітини, що виникає при дії іонізуючих випромінювань. Якщо прийняти як критерій чутливості до іонізуючого випромінювання морфологічні зміни, то тканини клітини і органи людини по мірі зниження чутливості можна розташувати в наступному порядку: гонади і червоний кістковий мозок; товста кишка, легені і шлунок; сечовий міхур, молочна залоза, печінка, стравохід, щитовидна залоза; шкіра і клітини кісткових поверхонь; інші органи і тканини.
Генетична дія іонізуючих випромінювань
Мутагенну вплив іонізуючої радіації вперше встановили радянські вчені Г.А. Надсон і Г.С. Філатов в 1925 р в дослідах на дріжджах. У 1927 р це відкриття було підтверджено Р. Меллером на класичному генетичному об'єкті - дрозофілі.
Іонізуючі випромінювання здатні викликати усі види спадкових змін або мутацій (мутація - це всяка зміна спадкових структур). До них відносяться геномні мутації (кратні зміни гаплоидного числа хромосом), хромосомні мутації або хромосомніаберації (структурні і чисельні зміни хромосом) і точкові або генні мутації (зміни молекулярної структури генів).
Спектр мутацій, індукованих іонізуючим випромінюванням, не відрізняється від спектра спонтанних мутацій.
Генні мутації. На підставі кількісного обліку генних мутацій було встановлено залежність частоти їх виникнення від дози опромінення. Численні досліди з лабораторними тваринами дозволили зробити висновок, що частота летальних мутацій в статевих клітинах зростає прямо пропорційно дозі іонізуючого випромінювання. Екстраполяція цих даних призводить до висновку про те, що будь-яка як завгодно мала доза іонізуючого випромінювання підвищує частоту мутацій в порівнянні з рівнем спонтанних мутацій.
На ранніх етапах оцінки ефектів опромінення по частоті виникнення мутацій вважалося, що фракціонування дози дає такий же ефект, як і доза одноразового опромінення.
Дослідження останніх років, проведені з опроміненими мишами, радикально змінили цю точку зору. Отримані резуль- тати дозволили припустити, що між індукцією первинного ушкодження і його кінцевої реалізацією відбувається репарація і що подовження експозиції або фракціонування дози менше 8 мГр-мин-1 (до 0,007 мГр-хв-1) при впливі на сперматогонии мишей викликає 1/3 мутацій, що утворюються при опроміненні з більшою потужністю дози. Подібним чином фракціонування дози дає менше мутацій, ніж одномоментне опромінення.
Хромосомні мутації. В результаті дії іонізуючих випромінювань на хромосоми виникає велика кількість хромосомних перебудов. Різні типи хромосомних перебудов по-
різному залежать від дози опромінення. Частота хромосомних перебудов, що відбуваються в результаті одиночного розриву (наприклад, ділення-браку), знаходиться в лінійній залежності від дози. Частота ж хромосомних перебудов, що виникли в результаті двох незалежних одночасних розривів і відповідно заснованих на них двуударних перебудов (наприклад, транслокаций), зростає пропорційно квадрату дози внаслідок того, що ймовірність одночасного виникнення двох незалежних подій дорівнює добутку ймовірностей.
Прямі цитологічні дослідження - підрахунок клітин з порушеними хромосомами - показали, що виникнення хромосомних аберацій залежить від щільності іонізації. Випромінювання з меншою енергією і більшою щільністю іонізації більш ефективно сприяють хромосомної перебудови. Нейтрони, що володіють, наприклад, енергією 7,5 МеВ, викликають більше хромосомних перебудов, ніж нейтрони з енергією 15 МеВ. У дослідах з рентгенівським випромінюванням показано, що його ефективність залежить від довжини хвилі: більш ефективно рентгенівське випромінювання з довжиною хвилі 4,1 А, менш ефективно з довжиною хвилі 0,15 А. Ще менш ефективно γ-випромінювання. Можна сказати, що корпускулярні випромінювання - швидкі нейтрони і α-частинки - викликають хромосомні перебудови частіше, ніж електромагнітні випромінювання. Ці відмінності пояснюються різницею в щільності іонізації, яку вони виробляють.
Поруч дослідників було показано, що опромінення дрозофіли в атмосфері чистого кисню підвищує частоту мутацій, а опромінення в атмосфері азоту знижує її. Безкиснева атмосфера виявляється в деякому сенсі захисної при іонізуюче опромінення клітини. Підвищення концентрації кисню під час опромінення від 0 до 21% лінійно збільшує число хромосомних перебудов; подальше підвищення концентрації кисню ока- ни опиняються менш ефективним.
Ці явища підтверджують положення про те, що хромосомні перебудови виникають в результаті оборотного порушення в ядрі клітини, викликаного опроміненням.
Під час впливу іонізуючого випромінювання на ядро клітини можуть виникати справжні і потенційні розриви хромосом. Останні, в залежності від умов, що складаються в клітці після опромінення, можуть реалізуватися в справжні розриви
або зовсім не реалізуватися. Кількість фіксованих мутацій в клітці визначається двома факторами: кількістю первинних уражень хромосом, що виникають в момент радіаційного впливу, і ймовірністю переходу первинного зміни в кінцеву мутацію.
На підставі різних дослідів складається уявлення, що здатність розірваних кінців хромосом до з'єднання в новій комбінації або возз'єднання вихідної структури залежить від фази мітотичного і мейотичного циклів клітини, специфіки об'єкта, характеру випромінювання (величина, потужність дози, ЛПЕ) і біохімічних умов мікросередовища.
Результати поразок зародкових і соматичних клітин
Принципової різниці в механізмі дії джерел іонізуючих випромінювань на соматичні і зародкові клітини немає. Однаково уражаються і ті і інші. Однак результати поразок різні. Коли пошкоджуються зародкові клітини, що виникають мутації (генні і хромосомні) з тією чи іншою швидкістю, яка залежить від ступеня домінантності і ступеня зниження життєздатності, елімінуються з популяції. Ця елімінація далеко не завжди буває швидкою. Багато мутації, особливо рецесивні, завдяки різним генетичним процесам, таким як, наприклад, дрейф генів або ефект родоначальника, можуть помітно розмножуватися в популяціях. Це може призводити до збільшення числа випадків вроджених вад, аномалій обміну і т.д.
Мутаційні події в соматичних клітинах можуть виражатися в загибелі клітин (клітинні літали) або в придбанні кліткою нових успадкованих властивостей, які виводять її з-під контролю організму. Це знаходить своє вираження в процесах малігнізації.