Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, на более сложном, клеточном уровне рассматриваемые изменения макромолекул приобретают уже качественно новый смысл причастности к системному ответному эффекту. Поэтому в данной главе мы вынуждены будем обращаться к рассмотренным ранее фактическим данным, служащим фоном, на котором протекают более сложные радиационно-индуцируемые процессы в живой клетке.
Напомним, что основная задача радиационной биофизики состоит в изучении последовательности процессов, протекающих в живой материи в результате облучения от момента возникновения немногочисленных начальных повреждений до появления тестируемых биологических эффектов, включая гибель клетки. Как это очевидно из материалов предшествующих глав учебника, в настоящее время большое внимание уделяется первичным («инициальным», «запальным») физико-химическим реакциям.
До недавнего времени основную информацию о первичных и начальных биофизических процессах в облучаемой клетке получали в модельных экспериментах с изолированными биоорганическими молекулами, водными и липидными растворами или отдельными субклеточными органоидами. Опираясь на рассмотренные ранее данные о действии ионизирующих излучений на молекулы, можно воссоздать следующую элементарную качественную картину первых стадий биофизических процессов, возникающих в облученной клетке.
1. От изолированных молекул к клетке
207
Как отмечалось в предыдущих главах, ионизирующие излучения с определенной вероятностью передают часть своей энергии отдельным молекулам, расположенным вдоль треков частиц. Напомним, что молекулы, поглотившие энергию излучения, переходят в различные возбужденные состояния, часть которых заканчивается ионизацией. Вероятность переноса энергии на молекулу не зависит от ее химической структуры, она определяется суммарной электронной плотностью, имеющей примерно равные значения для различных органических молекул и воды.
Это означает, что в облученной клетке не существует структур, испытывающих преимущественное поглощение энергии, — возбужденными и ионизированными оказываются белки и нуклеиновые кислоты, липиды и углеводы, молекулы воды и различные низкомолекулярные органические соединения.
Первая, или физическая, стадия действия излучения в облученной клетке протекает, как и в изолированных молекулах, за время 10-16-10“14 с. Ее иногда называют неспецифической стадией. Она включает процессы поглощения, перераспределения и деградации поглощенной энергии в клетке. Результатом этих событий служит возникновение ионизированных и возбужденных молекул, неравномерно распределенных вдоль треков ионизирующих частиц.
Образуются ионы (М+), возбужденные ионы молекул (М+ ), электроны, возбужденные, а также (в зависимости от дозы облучения) сверхвозбужденные состояния молекул (М*, М**), энергия которых превышает первый потенциал ионизации молекул, наконец, плазмо-ны — находящиеся в коллективно сверхвозбужденном состоянии ансамбли молекул [MiMn...Mn]**.
Общий радиационный выход первичных частиц составляет 7-10 частиц/100 эВ. Молекулярная система находится в энергетически неравновесном состоянии с гетерогенным распределением активных частиц.
Процессы, происходящие на этой стадии в клетке, нельзя модифицировать — число первичных актов ионизации и возбуждения не зависит от состояния объекта, а определяется лишь свойствами излучения.
На физико-химической стадии за время Ю~13-Ю-10 с происходят реакции заряженных и возбужденных частиц, процессы внутримолекулярной миграции энергии и диффузии радикалов, различные меж-молекулярные перестройки возбужденных и ионизированных клеточных структур.
Ионизированные и возбужденные молекулы в клетке, как и в растворах, нестабильны. Исчезновение этого состояния происходит за счет миграции энергии внутри молекул или между ними. Вероятно, энергия может мигрировать за счет переноса спина, миграции «положительно заряженной дырки», миграции малых радикалов, прежде всего атомарного водорода. Помимо возможного прямого действия
208 Гл. VI. Реакции клетки на действие ионизирующих излучений
на органические молекулы в клетке, ионизирующие излучения вызывают их повреждение косвенным путем — диффундирующими е“идр, свободными радикалами, образующимися в водной и липидной фазах клетки.
Возникающие первичные радикалы, как правило, неустойчивы и быстро претерпевают вторичные превращения, приводящие к образованию органических гидропероксидов и оксирадикалов органических молекул (в том числе ДНК и липидов биологических мембран), взаимодействующих друг с другом и с другими молекулами. Система переходит в состояние теплового равновесия.
Для модификации процессов на физико-химическом этапе лучевого поражения используют химические соединения, способные изменять характер миграции энергии или вступать в реакции со свободными радикалами.
На химической стадии, т. е. к 10-7-10“6 с, в шпорах, блобах, коротких треках в клетке успевает произойти взаимодействие органических радикалов друг с другом и с окружающими молекулами, которое приводит к возникновению стойких изменений — разнообразных повреждений в структуре молекул, составляющих живую клетку Происходит выравнивание концентраций продуктов радиолиза по объему.
