3. Модифікація радіобіологічних ефектів та захист рослин від променевого ураження

Проблема модифікації променевого ураження займає одне з центральних місць у сучасній радіобіології, оскільки її рішення сприяє розкриттю природи радіостійкості організму, веде до розробки способів захисту клітин і багатоклітинних організмів від вражаючої дії іонізуючих випромінювань.

Променеве ураження рослини, починаючи з радіаційно-хімічних процесів, може не обмежуватися клітинним рівнем і утягує багато клітин утворювальних тканин, змінюючи і процеси формоутворення, і метаболізм. На кожнім з рівнів розвитку променевої реакції відповідними впливами можна змінювати ступінь виразності складового променевого ураження, у кінцевому рахунку змінюючи завершальну інтегральну реакцію організму.

Класифікація впливів, які модифікують променевий ефект. Існують різні рівні дії впливів, які модифікують радіаційний ефект, природа яких, як і механізми дії, можуть бути досить різноманітними. Термін «модифікація променевого ураження» охоплюють всі явища, що торкаються розвитку променевої реакції рослини. У більш вузькому, але часто застосовуваному значенні говорять про модифікації радіостійкості клітини, організму, коли певним впливом змінюється їх стан, від якого залежить вихід первинних променевих ушкоджень.

Розмаїтість впливів, які модифікують радіобіологічний ефект у рослин, можна класифікувати за наступними ознаками: рівень або об'єкт модифікації, виходи первинних радіаційно-хімічних реакцій, знак модифікації (посилення або ослаблення променевого ураження), момент найбільш ефективного впливу (до опромінення або після нього), природа фактора, який модифікує, (хімічні сполуки, радіаційні і нерадіаційні фактори: світло, температура і т.п.). Звідси і такі поняття, як хімічна модифікація, профілактичний і терапевтичний вплив, пострадіаційна модифікація і т.д.

За рівнями модифікації виділяють модифікацію окремих радіаційно-хімічних реакцій, ушкоджень ДНК, мембран, інших структур клітини з наступним репопуляційним та регенераційним відновленням клітини.

Якщо в результаті модифікації змінюється радіочутливість, то про останню судять за клітинною виживаністю. За знаком дії розрізняють модифікацію радіостійкості, що підсилює або послабляє променеве ураження. Якщо радіостійкість зростає, говорять про захист від променевого ураження. Фактори, що підвищують радіостійкість організму, називають радіопротекторами. Ефектом радіосенсибілізації називають таку модифікацію радіостійкості, за якої остання послаблюється. Фактори, які підвищують радіочутливість, називають радіосенсибілізаторами. У деяких роботах радіопротектори і радіосенсибілізатори розглядають як самостійні класи факторів, які не відносяться до модифікаторів променевого ураження.

За часом впливу розрізняють профілактичний вплив, який ефективний до опромінення, і терапевтичний, ефективний після опромінення.

Модифікаторами можуть бути хімічні речовини і фізичні фактори. Хімічні модифікатори можуть взаємодіяти безпосередньо з продуктами радіаційно-хімічних перетворень речовин або впливати на інші системи клітини, змінюючи їхнє поводження за променевого ураження. Радіопротектори і радіосенсибілізатори звичайно взаємодіють безпосередньо з продуктами радіаційно-хімічних реакцій, вільними радикалами, іонами. Фактори фізичної природи також можуть безпосередньо впливати на хід радіаційно-хімічних реакцій або побічно впливати на фізіологічний стан клітин або організму в цілому, визначаючи характер розвитку променевого ураження.

Нарешті, варто розрізняти модифікатори, які впливають на розвиток променевого ураження і на активність репаруючих систем клітини, інтенсивність репопуляції і регенерації.

Захист рослин пов'язаний із впливом радіопротекторів і модифікаторів, які послабляють прояв променевого ураження. Тому, говорячи про класифікації факторів захисту рослин від променевого ураження, можна використовувати класифікацію, запропоновану для модифікаторів.

Кисень як модифікатор променевого ураження. Одним з найбільш ефективних модифікаторів, які підсилюють променеве ураження у всіх організмів, є кисень. Від його наявності у реакційному середовищі істотно залежить розвиток радіаційно-хімічних реакцій під час опромінення багатьох сполук як у розчинах, так і в стані порошків, плівок і т.п. Цей ефект обумовлюється взаємодією кисню з вільними радикалами, які індукуються опроміненням у молекулах. У складних біологічних системах дія кисню на вихід радіаційних ушкоджень макромолекул визначає розвиток радіобіологічних ефектів. Як правило, вплив кисню полягає у посиленні променевого ураження, що одержало назву кисневого ефекту. Кисневий ефект виявляється в реакціях радіаційної інактивації ферментів, ушкодженні макромолекул, живих клітин, тканин. Він виявляється під час опромінення біологічних об'єктів в атмосфері, яка містить кисень.

Кисневий ефект обумовлений взаємодією з вільними радикалами R, що призводить до утворення перекісних радикалів ROO^-. У воді кисень із продуктами радіолізу води утворює ряд дуже активних радикалів. Однак кисневий ефект виявляють і під час опроміненні безводних об'єктів. В останньому випадку, очевидно, на ході радіаційно-хімічних реакцій позначається його пряма участь у цих реакціях.

Хімічна модифікація променевого ураження. Хімічна модифікація променевого ураження обумовлена дією різних хімічних сполук, що, включаючи в радіаційно-хімічні реакції або впливаючи на фізико-хімічний стан клітин, змінюють прояв радіобіологічного ефекту. Очевидно, хімічні модифікатори в концентраціях, які чинять вплив на радіобіологічні ефекти, не повинні бути токсичними для клітин. Найбільший інтересу викликають речовини – модифікатори радіостійкості, оскільки простіше взагалі не допускати розвитку променевого ураження, чим усувати наслідки порушень біологічно важливих макромолекул і структур клітини. Так само за необхідності підсилити променеве ураження простіше впливати на виходи первинних молекулярних ушкоджень, чим згодом протидіяти масовим реакціям пострадіаційного відновлення.

Теоретичною основою модифікації радіаційних ефектів і радіостійкості клітин і багатоклітинних організмів є заглиблене розуміння механізмів, які обумовлюють розмаїтість рівнів радіостійкості.

Відомими бельгійськими радіобіологами З.Баком і А.Александером була запропонована гіпотеза «біохімічного шоку». Під «біологічним шоком» розуміють важкий розлад функцій організму, викликуваний дією модифікуючого фактора. Якщо в результаті «шоку» припиняється синтез ДНК та РНК, наприклад, через ушкодження ядерного енергетичного фосфорилування або інших причин, то радіостійкість клітини може зростати, тому що блокується «біохімічне посилення» променевого ураження і більш повно може проявитися ефект репарації потенційно летальних ушкоджень клітини.

Сульфгідрильна гіпотеза постулює наявність універсального механізму радіомодифікуючого ефекту. Модифікація радіочутливості за цією гіпотезою обумовлена змінами вмісту в клітинах ендогенних тіолів, які на початкових етапах променевого ураження реагують з радикалами, що виникають при опроміненні. Гіпотеза має експериментальне обґрунтування результатами досліджень, які показують тісний зв'язок радіостійкості організмів зі вмістом у клітинах нативних тіолів. Гіпотезу підтверджують також факти про радіопротекторні властивості речовин, які містять сульфгідрильні групи, і радіопротекторах, вплив яких здійснюється шляхом інтенсифікації синтезу ендогенних тіолів.

Гіпотеза ендогенного фону радіорезистентності сформульована Ю.Б.Кудряшовим і E.H.Гончаренко, які пов'язують радіостійкість організмів з наявністю в клітинах речовин, що впливають на розвиток первинних променевих реакцій. До речовин, які складають ендогенний фон радіорезистентності, крім тіолів відносяться гістамін, серотонін, дофамін, адреналін, норадреналін, які є агентами, що гальмують розвиток первинних радіаційно-біохімічних процесів. Продукти перекісного окислювання ліпідів, гідроперекиси і перекиси вищих ненасичених жирних кислот діють як фактори, які підсилюють розвиток радіаційне ураження. Модифікація радіорезистентності визначається впливом на рівень цих ендогенних радіопротекторних і радіосенсибилізуючих речовин.

Мембранна гіпотеза пов'язує загибель клітини з радіаційними ушкодженнями мембран. Порушення зовнішньої мембрани (плазмалеми) і мембран внутрішньоклітинних структур (ядра, пластид) супроводжуються збільшенням їхньої проникності, що приводить до порушень внутрішньоклітинної організації метаболізму, вивільненню ферментів із субклітинних структур. Ця гіпотеза була розроблена Б.Н.Тарусовым на основі високої радіочутливості мембран, обумовленої ланцюговими реакціями окислення ліпідів

Ще одна з гіпотез ґрунтується на припущенні, що в пострадіаційний період може мати місце порушення зкоординованості окремих етапів репарації ДНК, коли, наприклад, відбувається надлишковий гідроліз ДНК під впливом ендонуклеаз і екзонуклеаз. Модифікація в такому випадку може полягати в корекції репарації, яка відповідає нормі репараційних процесів.

Настільки значне число гіпотез про природу радіостійкості і її модифікації свідчить, з одного боку, про ще не переборені експериментальні труднощі у дослідженні механізмів модифікації, а з іншого боку – про очевидну множинність цих механізмів.

Радіопротекторні ефекти. У дослідах з рослинами досліджена дія багатьох речовин, що виявляють радіопротекторні властивості по відношенню до мікроорганізмів, клітин тварин і людини. З таких сполук найбільшою ефективністю відрізняються органічні речовини, у молекулі яких мається сульфгідрильна група. Серед цих речовин радіопротекторну дія на рослини мають аміноетилізотіуроній (АЕТ), Британський антилюїзит (БАЛ), дитіопропанол, глутатіон, тіосечовина, цистамін, цистеамін (β-меркаптоетиламін), цистеїн, цистін.

Дія сульфгідрильних сполук на рослини була виявлена ще на початку 50-х років у дослідах на корінцях цибулі, на які під час опромінення впливали цистеїном. За виходом хромосомних аберацій в апексах коренів традесканції виявляється радіопротекторна дія глутатіону, найбільш ефективна концентрація якого складає 3∙ 10^-4 M. На цій же рослині виявляють сильну захисну дія цистеїну та тіосечовини. Так, вихід хромосомних аберацій у клітинах апікальної меристеми кореня за дії глутатіону зменшувався на 60 %.

Радіопротекторний ефект залежить від того, у який момент щодо опромінення радіопротектори вводили в рослину. Найбільша радіопротекторна дія виявляється у тому випадку, якщо радіопротектор міститься у клітині під час її опромінення. Разом з тим сульфгідрильні сполуки виявляють не тільки профілактичний, але і терапевтичний радіопротекторний ефект. Радіопротекторний ефект залежить від дози опромінення. Радіопротекторна дія сульфгідрильних сполук, безсумнівно, пов'язана з їх участю в радіаційно-хімічних реакціях, які відбуваються з киснем, чим обумовлюється відсутність радіопротекторних ефектів для цих сполук у тому випадку, коли опромінення проводиться в безкисневому середовищі. Тому є підстави зв'язувати радіопротекторний ефект сульфгідрильних сполук зі зменшенням коефіцієнта кисневого посилення.

У загальному виді радіопротекторний ефект можна описати такими реакціями:

MH + OH → M^• + H₂O

M^• + RSH → МН + RS^• – Реакція відновлення

RS^• + RS^– → RSSR^{• –}

М^• → N^• – Одномолекулярна реакція, що веде до виникнення нерепарабельного ушкодження

Тут M – молекула-мішень; R-SH – радіопротектор; N – необратимо ушкоджена молекула.

Механізм перехоплення вільних радикалів знаходить повне підтвердження в результатах досліджень на модельних системах, у яких сульфгідрильні сполуки чинять захисну дію, зменшуючи концентрацію вільних радикалів молекул.

Не виключені механізми радіозахисної дії сульфгідрильних сполук, які відрізняються від перехоплення вільних радикалів. Розглядається гіпотеза, відповідно до якої сульфгідрильні сполуки, зв'язуючись з лужними і кислими мембранно-зв'язаними фосфатазами, перешкоджають їх вивільненню під час опромінення, завдяки чому не відбувається гідролізу ДНК, який звичайно супроводжує опромінення організму у високих дозах.

Радіопротекторну дію виявляють і інші відновники: гіпосульфіт, метабісульфіт і гідросульфіт натрію. Радіозахисна дія аскорбінової кислоти та інших відновників, очевидно, обумовлена декількома механізмами: прямою участю як донорів електрона і протонів у радіаційно-хімічних реакціях, впливом на рівень ендогенних тіолів і шляхом «біохімічного шоку». Речовини – антиокислювачі, антиоксиданти виявляють помітні радіопротекторні властивості, що, цілком ймовірно, обумовлено уповільненням окислення молекулярним киснем відповідних продуктів або пригніченням ланцюгових реакцій автоокислення ліпідів. Ефективними радіопротекторами групи антиоксидантів є каротин, ефіри галової кислоти (галати), токофероли.

Серед радіопротекторів зустрічаються мітотичні отрути та мутагени. Здавалося б, ці речовини підсилюють променеве ураження, тому що їхня дія звичайно нагадує ефекти, характерні для променевої реакції. Проте за певних умов ці речовини чинять радіопротекторну дію, яка обумовлена уповільненням просування клітин за мітотичним циклом, індукцією репараційних процесів. Тому прояв радіопротекторних властивостей ряду сполук сполучиться з їх мутагенністю або антимутагенністо.

Природні радіопротекторні речовини рослин. Багато з речовин, яким властиві радіопротекторні властивості, містяться в рослинах як природні компоненти їх біохімічних систем. Ці речовини можуть виконувати функції нативних радіопротекторів або надавати рослинним органам, у яких містяться ці речовини, радіопротекторні властивості. Дійсно, у рослин у складі вільних амінокислот зустрічаються цистеїн, цистін, метіонін, серед пептидів – глутатіон, містяться деякі спирти, ліпоєва кислота, вільні нуклеотиди, які також виявляють радіопротекторну дію, нуклеотидтрифосфати, аскорбінова кислота та інші сполуки. Тому витяжки з деяких рослин виявляють радіопротекторні властивості. Досить помітно підвищує радіостійкість клітин кореневої меристеми екстракт із дріжджів, у якому міститься багато речовин з радіопротекторними характеристиками: глутатіон, деякі ароматичні амінокислоти, урацил, гуанін, інші попередники нуклеїнових кислот і АТФ.

Радіопротекторні властивості виявлені у екстрактів з листя тютюну. Екстракт із радіостійкої водорості плектонеми (Plectonema boryanum) чинить істотний захист від променевого ураження, що продемонстровано на ізольованих коренях рослин. Водні витяжки з радіостійкого насіння капустяних виявляли радіопротекторну дію на опромінені проростки кормових бобів. Одним з факторів, які визначають високу радіостійкість капустяних рослин, вважають наявність в тканинах цих рослин синаптину (рис. 5). Це речовина широко поширена серед капустяних рослин, у яких вміст його досягає 1 % і вище.

Р адіопротекторна дія синаптину виявляється у локалізації електронзбудженого стану на радіопротекторі. Очевидно, під час вивчення радіостійких рослин можуть виявлятися нові радіопротектори.

Можливо, певне значення в радіопротекторних ефектах, які виявляються екстрактами з рослинних тканин, обумовлене наявністю в них деяких ферментів – каталази, пероксидази, антиоксидантів, іонів деяких металів. Звичайно, радіопротекторну роль можуть грати і сполуки, яки обумовлюють гіпоксивний стан клітин. Такі властивості має, наприклад, леггемоглобін. Виявлена радіопротекторна дія фитогемагглютину. Ряд кофакторів метаболізму, сприяючи ряду біосинтетичних процесів, позитивно впливає на репарацію ДНК або на підвищення концентрації нативних тіолів.

Іони металів як модифікатори променевого ураження. Виразну модифікацію, яка послаблює прояв променевої реакції у рослин, виявляють іони ряду металів. За введення в насіння рослин під час намочування перед опроміненням солей заліза (II) і (III), марганцю (II), нікелю, натрію, калію, стронцію, магнію, кальцію спостерігається ослаблення викликаного опроміненням γ-радіацією гальмування росту і формоутворення у проростків гороху. Концентрації хлоридів цих металів 0,01-0,0001 M виявилися достатніми, щоб проявився радіопротекторний ефект. Іони металів впливають, хоча і слабше, ніж цистеамін, але все-таки цілком помітно. При цьому більш помітним була дія у випадку обробки насіння перед опроміненням; з розтяганням розриву між обробкою насінь і опроміненням ефект послаблявся.

Радіомодифікуюча дія фітогормонів. Фітогормони і їхні штучні аналоги відрізняються високою радіомодифікуючою активністю. У дії фітогормонів на опромінення рослини варто вбачати два аспекти. По-перше, під впливом опромінення в рослині може зменшуватися вміст ендогенних регуляторів росту, і додавання в середовище екзогенних фітогормонів, компенсуючи збиток, нанесений опроміненням, відновлює фітогормональний статус, полегшуючи тим самим пострадіаційне відновлення шляхом репопуляції та регенерації. Крім того, під впливом екзогенних фітогормонів змінюються корелятивні ростові зв'язки у рослині, що також зміцнює тканинні пострадіаційні відбудовні процеси.

По-друге, за дії фітогормонів перед опроміненням через активацію меристем радіостійкість рослини послаблюється. Таким чином, залежно від моменту дії фітогормонів і характеру відповіді на них рослини можна спостерігати позитивну і негативну модифікацію радіобіологічних ефектів.

Отже, у дії фітогормонів на прояв радіобіологічної реакції у рослин можна вбачати такі компоненти:

1) компоненту, пов'язану з хімічними властивостями молекул фітогормонів, завдяки яким вони можуть виявляти радіопротекторну або радіосенсибілізуючу дію;

2) компоненту, обумовлену непрямою дією фітогормонів на стан хроматину і нагромадження нативних радіопротекторів;

3) компоненту, яка відбиває власно фітогормональний вплив сполуки, опосередкований зміною структури клітинних циклів у меристемах.