Прямое и косвенное действие излучений на мишени в клетках

Анализ первичных физико-химических процессов, протекающих в облученной клетке, имеет первостепенное значение для создания общей теории биологического действия ионизирующих излучений. В большинстве случаев затруднительна и мало оправдана прямая экстраполяция данных, полученных при облучении простых модельных систем (молекул, вирусов, субклеточных органоидов), на высокоорганизованную и активно метоболизирующую систему – живую клетку. Логика современного исследования требует планомерного поэтапного анализа механизмов действия излучения.

Радиационно-химическое изменение данного растворенного вещества, обусловленное продуктами радиолиза воды или других растворенных веществ, называется косвенным или непрямым действием излучений.

Радиационно-химические превращения, вызванные непосредственным действием энергии радиации в месте ее поглощения или в результате недиффузионного переноса энергии, составляет прямое действие излучений.

Существует уникальная структура – мишень, поражение которой вследствие поглощения энергии излучения однозначно приводит клетку к гибели. Вероятностный характер гибели клеток определяется вероятностью переноса энергии излучения к соответствующей мишени. Неодинаковая радиочувствительность клеток может объясняться различными геометрическими размерами или физико-химическими свойствами их критических мишеней.

Мишень, ответственная за гибель клеток, локализована в клеточном ядре и конкретно молекула ДНК служит мишенью радиационного поражения и возникающие в ней повреждения оказываются определяющими в репродуктивной гибели клеток. Показано, что при облучении в дозе Д_о на клетку приходится от500 до 900 радионитевых разрывов полинуклеотидной цепи ДНК и около 60 двойных разрывов.

Медленно делящиеся клетки, клетки с ограниченной способностью к делению или неделящиеся клетки гибнут вскоре после облучения (в первые несколько часов или же в первые сутки), и их гибель не связана с процессами клеточными деления – она происходит в интерфазе. Важность излучения интерфазной гибели для радиобиологии объясняется той ролью, которую играет этот тип гибели в радиационном поражении млекопитающих. При интерфазной гибели клеток наблюдаются изменения, связанные с механизмом образования АТФ; эффекты, обусловленные нарушением проницаемости мембран; биохимические изменения, связанные с дезорганизацией ядерных структур.

Ионизирующие частицы, пронизывающие высокоорганизованную микрогетерогенную структуру живой клетки, с определенной вероятностью передают часть своей энергии отдельным молекулам, расположенным вдоль треков частиц. Молекулы, поглотившие энергию излучения, переходят в различные возбужденные состояния, часть которых заканчивается ионизацией. Эта первая, или физическая, стадия действия излучения на клетку должна закончиться в первые 10^-13с. Ее результатом служит возникновение ионизированных и возбужденных молекул, неравномерно распределенных вдоль треков ионизирующих частиц. Ионизированные и возбужденные молекулы нестабильны.

Помимо прямого действия на биомолекулы ионизирующие излучения вызывают их поражение косвенным путем – диффундирующими водными радикалами H', ОН', еˉ_гидр и другими, возникающими в результате радиолиза воды. В липидной фазе могут возникать высокоактивные перекисные радикалы и другие продукты радиационного окисления, способные передавать энергию молекулам, погруженным в липидную фазу клеток.

Процессы, связанные с внутримолекулярной миграцией энергии и диффузией радикалов воды, различными межмолекулярными перестройками возбужденных и ионизированных клеточных структур, относятся к физико-химической стадии действия излучения на клетку, которая длится около 10^-10с. Возникающие первичные продукты, как правило, неустойчивы и быстро претерпевают вторичные превращения, приводящие к образованию биорадикалов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой.

Взаимодействие биорадикалов друг с другом и с окружающими молекулами должно привести к возникновению стойких молекулярных изменений – разнообразных повреждений в структуре молекул, составляющих живую клетку. Рассматриваемая стадия действия излучения получила название химической, ее продолжительность около 10^-6с.

Под действием излучения произойдет нарушение первичной структуры белков (селективное разрушение отдельных аминокислот), изменится их вторичная структура, нарушится конформация и, возможно, структура активного центра ферментов. В нуклеиновых кислотах возникнут одно- и двухнитевые разрывы полинуклеотидных цепей, разрушатся некоторые азотистые основания, возникнут межмолекулярные сшивки (ДНК-ДНК, ДНК-белок). Могут оказаться пораженными молекулы nРНК, тРНК и рибосомы. В липидах мембран будут инициироваться реакции свободнорадикального перекисного окисления, накапливаться токсические для клетки продукты окисления тканевых липидов.

Различные структурные повреждения молекул клетки могут привести к радиообразным функциональным нарушениям, составляющим последнюю, биологическую, стадию действия излучения.