ДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НА РЕЧОВИНУ

ХІМІЧНА ТА БІОХІМІЧНА ДІЯ ІОНІЗУЮЧОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Взаємодія іонізуючих випромінювань із біологічними об’єктами відбувається у декілька етапів, які край різняться за часом протікання подій, як показано у табл. 2.

Таблиця 2 – Послідовність процесів радіаційного ураження організмів

№ з/п	Стадія	Процеси, що відбуваються	Час протікання
1	Фізична	Взаємодія на ядерному та атомному рівнях	10-24 – 10-14 сек
2	Фізико-хімічна	Взаємодія на атомному та молекулярному рівнях	10-12 – 10-8 сек
3	Хімічна	Збудження молекул, вільно-радикальні процеси	Секунди – години
4	Біохімічна	Перетворення у вуглеводах, ліпідах, білках, нуклеїнових кислотах	Секунди – години
5	Ранні біологічні ефекти	Загибель клітин	Години – тижні
6	Пізні біологічні ефекти	Генетичні ефекти, пухлини, катаракта	Роки – століття

Залучення молекул до радіаційно-хімічних реакцій відбувається за двома механізмами:

1 Пряма дія радіації: молекула безпосередньо контактує з іонізуючою часткою або квантом та отримує енергію.

2 Непряма дія радіації: молекула отримує енергію не безпосередньо від носіїв випромінювання, а від іншої збудженої молекули або шляхом міграції енергії вздовж макромолекули.

Наслідками цих процесів є іонізація молекул та утворення вільних радикалів, що відбуваються таким чином: при збудженні атому А з нього вивільняється електрон, який взаємодіє з атомом В, при цьому утворюються іони А⁺ і В¯. Вони існують короткий час (≈10^-5 сек.) і перетворюються на вільні радикали:

А⁺ + В¯ → А• + В•.

Радикали можуть бути як донорами, так і акцепторами електронів. В умовах впорядкованого розташування молекул у біологічних системах найбільш вірогідним є ланцюговий характер утворення вільних радикалів.

Оскільки випромінювання діє випадковим чином, то уражаються, головним чином, молекули тієї речовини, якої більше за все. У біологічних субстратах – це вода (організм людини на 70-80% складається з води).

3.1 Радіоліз води

Під час проходження випромінювання крізь воду відбувається збудження та іонізація її молекул:  

—hν→ Н₂О → Н₂О٭ → Н₂О⁺ + ē.

Оскільки іонізація супроводжується утворенням швидких електронів, вони проходять відстань, у багато разів більшу, ніж діаметр молекули води, доки їх енергія не зменшиться і вони не поглинуться іншими молекулами води з утворенням негативно заряджених іонів:

Н₂О + ē → Н₂О¯.

Іони рекомбінують з утворенням вільних радикалів:

Н₂О + Н₂О⁺ → Н₃О⁺ + ОН•;

Н₂О¯ → Н• + ОН¯.

Вільні радикали є нестійкими утвореннями, оскільки існують лише протягом 10^–2–10^–3 сек. За цей час вони проходять деяку відстань і далі розпадаються, перетворюються, взаємодіють як один з одним:

Н• + Н• = Н₂;                                                  ОН• + ОН• = Н₂О₂;

Н• + ОН• = Н₂О;                                            ОН• + ОН• = Н₂О + О•,

так і з іншими молекулами:

RН + ОН• → Н₂О + R•;

R + Н• → Н₂ + R•.

Радикали, що утворилися, далі взаємодіють один з одним та з іншими молекулами.

Молекулярний кисень, що присутній у тканинах, грає активну роль у процесі їх радіаційного пошкодження, оскільки інтенсивно реагує із радикалами, що утворилися:

О₂ + Н• → НО₂•                                              НО₂• + НО₂• → Н₂О₂ + О₂;

О₂ + R• → RО₂•                                              RО₂• + RН → RО₂Н + R•.

Явище посилення впливу іонізуючих випромінювань у присутності кисню називається кисневим ефектом радіації. Оскільки при цьому радикалів-окислювачів утворюється значно більше, ніж радикалів-відновлювачів, то в такому середовищі окислюється багато розчинених речовин. У присутності перекісних сполук, радикалів НО₂• і ОН• окислюється багато речовин, стійких у звичайних умовах. Можуть утворитися найнезвичайніші молекули та їх комбінації, що має велике значення у процесі пошкодження геному та загибелі клітин. Частки, що утворилися внаслідок радіаційного ураження молекул води, далі реагують з іншими сполуками, що присутні в біологічних тканинах, залучаючи останні до радіаційних перетворень, реалізуючи, таким чином, непрямий механізм дії іонізуючого випромінювання.

 Будь-які атоми та молекули можуть змінюватися під дією радіації, в т.ч. й основні біологічні речовини – вуглеводи, ліпіди, білки та нуклеїнові кислоти.

Ступінь пошкоджень цих сполук є неоднаковим. Найменш стійкими до радіації являються нуклеїнові кислоти, на другому місці – білки.

3.2 Вплив іонізуючого випромінювання на молекули вуглеводів і ліпідів

Після пропускання іонізуючого випромінювання крізь розчини моносахаридів відбувається окислення вуглеводних молекул з утворенням альдегідів, органічних кислот та інших сполук.

Олігосахариди спочатку розкладаються на мономери, а ті вже підлягають перетворенням. Розклад на моносахариди має місце і у випадку з полімерними вуглеводнями. Зокрема, в результаті опромінення розчинів крохмалю спостерігаються зміни його властивостей: зниження в’язкості, збільшення кислотності, посилення відновлювальних властивостей. Це свідчить про розпад молекул: спочатку на ді- та трисахариди, а далі і на мономери. Дослідження на опромінених тваринах показали збільшення в них глюкози у крові (гіперглікемія), що свідчить про деполімерізацію глікогену.

Більш суттєвих та несприятливих для організму радіаційних перетворень зазнають ліпідні молекули. Однією з природних властивостей ліпідів у біологічних тканинах є здатність до поступового окислення з утворенням перекисних сполук. Процес перекисного окислення ліпідів (ПОЛ) відбувається спонтанно протягом деякого часу і являє собою приклад „старіння” молекул. Активну участь в ньому бере молекулярний кисень. Активізація та прискорення процесу ПОЛ, що відбувається, зокрема, при окислювальному стресі та в інших умовах, призводить до пошкодження клітинних мембран, розвитку запальних процесів та інших негативних наслідків.

Іонізуюче випромінювання є потужним каталізатором ПОЛ. Причому відбувається цей процес не відразу, а протягом певного часу.

Отримавши енергію, молекули зазнають перетворень:

RООН → R• + ОН¯                                           RООН + Н₂О → RОО• + Н₃О⁺.

Радикали, що утворилися, далі залучаються до ланцюгових реакцій:

R + О₂ → RО₂•                                                   R₁О₂• + R₂О₂• → R₁ООR₂ + О₂;

R₁ОО + R₂Н → R₁ООН + R₂•                        R₁ОО• + R₂• → R₁ООR₂.

Продукти розпаду пероксидів подалі накопичуються та взаємодіють з амінокислотами, азотистими основами тощо. Значно збільшується кількість ненасичених сполук.

Таким чином, основним ефектом іонізуючого випромінювання на ліпіди є значне прискорення процесу їх природних перетворень. Хоча відбуваються й деякі інші реакції перетворення ліпідів, але в першу чергу радіація виступає як каталізатор.

3.3 Вплив іонізуючого випромінювання на обмінні процеси в організмі

Обмін речовин в організмі (метаболізм) являє собою комплексне поняття, що об’єднує цілу низку процесів, які відбуваються на молекулярному, клітинному рівнях, сукупність фізіологічних реакцій під контролем нервової та гуморальної систем тощо. Аналізуючи зміни в метаболізмі після опромінення слід відмітити, що, по-перше, радіація впливає на всі його ланки і, по-друге, цей вплив має досить складний і різноплановий характер.

Так, процеси вуглеводного обміну характеризуються дуже високою радіостійкістю. Зниження цих процесів починається в умовах надлетальних доз у десятки, сотні грей. Відомо, що фотосинтез у рослин не зупиняється навіть при дозі в 1000 грей. У тварин, опромінених в летальній дозі, не зазнають суттєвих змін процеси гліколізу, бродіння, тканинного дихання. Значно збільшується вміст глікогену в печінці.

Однак системи нейрогуморальної регуляції, що керують, зокрема, й вуглеводним обміном, дуже чутливі до радіації. Порушення клітинних мембран та органоїдів також призводять до блокування важливих метаболічних процесів. Отримавши висок дози опромінення, тварини підлягають променевому стресу, який характеризується потужним викидом у кров гормонів надниркових залоз протягом 1-2 доби, через що у печінці відбувається суттєве збільшення синтезу глікогену. Відбувається мобілізація ліпідів з органів у кров, де їх концентрація досягає максимуму перед загибеллю.

А у деяких тканинах ліпіди, навпаки, накопичуються. Так, через добу після опромінення в летальних дозах у кістковому мозку тварин спостерігається збільшення кількості клітин із надлишковим вмістом ліпідів, що може свідчити про його жирове переродження. Також у тварин після опромінення спостерігається ожиріння деяких органів на фоні загального зниження кількості ліпідів у крові та в організмі.

У деяких органах, наприклад, у печінці, відмічається активація синтезу жирних кислот. У жировій тканині відбувається ліполіз. У кістковому мозку гальмуються процеси β-окислення. Відбувається активація синтезу холестерину.

Тобто в цілому вплив радіації на ліпідний обмін має досить різноплановий характер.

Після опромінення спостерігається значне зменшення вмісту АТФ у тканинах, скоріше, через ураження нуклеїнового обміну.

Опромінення впливає значною мірою і на процеси мінерального обміну через порушення регуляторних систем. Зокрема, відмічається стійка тенденція до зневоднення організму. Всмоктування води в кишечнику гальмується, а згодом повністю зупиняється.

Через пошкодження клітинних мембран відбувається дифузія іонів К⁺ з клітин і іонів Nа ⁺ у клітини до вирівнювання їх концентрацій всередині клітини та ззовні. При летальних дозах К⁺ виводиться із сечею. Через порушення гормональної регуляції відбувається вихід іонів Са²⁺ у кров з кісткової тканини, що призводить до підвищення ламкості кісток.

До обмінних процесів відносять також синтез та перетворення білків і нуклеїнових кислот, що також суттєво змінюються внаслідок опромінення. Синтез нуклеїнових кислот у разі дії дуже малих доз радіації активізується, а при більших дозах – навпаки, пригнічується. Синтез білків є більш стійким до випромінювання, але він також пригнічується, тільки значно повільніше. Це – пізня реакція клітин.

3.4 Вплив іонізуючого випромінювання на білкові молекули та ферменти

Суттєве значення у механізмі радіаційного враження біологічних клітин та тканин мають пошкодження білків – макромолекул, що виконують найважливіші для живих систем функції.

Порушення структури білків відбувається на всіх рівнях її організації. Під час передання енергії радіації на окремі мономери білків – амінокислоти – відбувається їх іонізація та утворення вільних радикалів. Внаслідок низки реакцій вони перетворюються на альдегіди, кетони, перекісні сполуки тощо. За великих доз метіонін може перетворюватися на меркаптан, цистеїн втрачає групу –SН та перетворюється на аланін або метаболізується до таурину. У присутності кисню ці процеси значно прискорюються. Природно, що перетворення відбуваються і з амінокислотними залишками та функціональними групами у складі білкових молекул, що спричиняє порушення їх конформації і втрату активності.

Для зміни конформації білка достатньо одного акту іонізації. Отримана під час опромінення енергія мігрує вздовж макромолекули доки не утилізується з утворенням вільного радикалу, розривом зв’язку, відщепленням функціональної групи тощо. В умовах відсутності води або кисню білки можуть тривалий час знаходитись у вільно радикальному стані і за зміни умов ставати джерелом радіаційного ураження.

Різноманітні зміни, що відбуваються з білковими молекулами, можна поділити на такі групи:

1 Конформаційні зміни, що не супроводжуються змінами молекулярної маси, хоча впливають на їх фізичні, хімічні, біологічні властивості.

2 Міжмолекулярна агрегація білків, яка призводить до збільшення молекулярної маси. Вона обумовлена утворенням зв’язків між цистеїновими залишками наприклад:

2 R-S-Н + 2 ОН• → R-S-S-R + 2Н₂О і т.п.

3 Деполімерізація білкових молекул із руйнуванням водневих та пептидних зв’язків, через що молекулярна маса знижується.

У результаті розпаду білків утворюються різноманітні поліпептиди та поліпептидні радикали з непередбачуваними властивостями.

Порушення структури білків зумовлюють втрату ними функціональних властивостей. Необоротних пошкоджень зазнають ферментативні системи, навіть при невеликих дозах. Як згадувалося вище, ці процеси можуть бути законсервованими протягом деякого часу, а за відповідних умов – знов активуватися. Саме із ураженням ферментативних систем вчені пов’язують наявність латентного періоду в перебігу гострої променевої хвороби та пояснюють основний радіобіологічний парадокс.

3.5 Вплив іонізуючого випромінювання на нуклеїнові кислоти та генетичний апарат клітин

Широко відомою є мутагенна та генотоксична дія іонізуючих випромінювань, яка пов’язана з пошкодженням нуклеїнових кислот і нуклеопротеїдів. Саме молекули ДНК вважаються найбільш радіо чутливими серед усіх органічних сполук. Оскільки ці молекули мають досить складну структуру, доцільно розглядати, яких вони зазнають змін на кожному рівні організації.

Складовими одиницями нуклеїнових кислот є нуклеотиди, кожен з яких складається з азотистої основи, пентози (рибози або дезоксирибози) та залишку фосфорної кислоти. Усі ці компоненти можуть зазнавати хімічних змін під дією радіації. Відбуваються такі реакції як:

- дезамінування і декарбоксилування азотистих основ;

- окислення вуглеводних компонентів;

- відщеплення вільного фосфату.

Перетворення, що відбуваються з азотистими основами поділяються на радіаційні втрати (коли руйнується їхня кільцева структура) та радіаційні модифікації (кільце залишається, а змінюються бокові групи). Вони взаємодіють з киснем з утворенням перекислих речовин. Пуринові сполуки можуть перетворюватися на перемідинові. Серед азотистих основ найзначніших пошкоджень зазнає тимін. Тому в загальній структурі ДНК більш чутливими до радіації є ділянки, збагачені А-Т парами. Унікальні послідовності пошкоджуються сильніше, ніж ділянки, що багато разів копіюються.

Порушення макромолекулярної структури ДНК охоплює такі процеси:

·        розрив водневих зв’язків між ланцюгами ДНК;

·        поодинокі та подвійні розриви в головних ланцюгах валентності.

Подвійні розриви є більш помітними, ніж поодинокі, оскільки при цьому молекули розпадаються, молекулярна маса зменшується і відповідно знижується в’язкість розчинів. Розриви ДНК можуть відбуватися з різних причин, зокрема:

- порушення її первинної та вторинної структур;

- хімічні перетворення азотистих основ та нуклеотидів;

- порушення активності ферментів, які забезпечують цілісність молекули ДНК;

- порушення білків у складі нуклеопротеїдних комплексів;

- гальмування процесу синтезу ДНК.

Як відомо, функціонування ДНК та РНК в клітинах має місце у вигляді нуклеопротеїдних комплексів. Радіація досить чуттєво впливає на такі комплекси, послаблюючи зв’язок нуклеїнової кислоти з білками аж до розриву. Саме з цим пов’язана її інактивуюча дія на віруси. Оскільки віруси є за своєю природою нуклеопротеїдними комплексами, то під дією іонізуючого випромінювання вони дисоціюють на білок та нуклеїнову кислоту. Це відкриває можливості щодо використання радіації для стерилізації поверхонь та об’ємів, захисту насіння від хвороб і т.ін.

Прямими біологічними ефектами руйнування нуклеїнових кислот та геному є порушення білкового синтезу, мутагенний та канцерогенний ефекти, гибель клітин та організмів.