Пнг. часть 2 (2). pdf. Биология. Медицинские проблемы в экологии
 Скачать 1.95 Mb.
|
|
Влияние факторов роста на клеточное деление (Е.К. Гинтер, 2003) 64 Таким образом, деление клетки в норме определяется влиянием достаточно большого количества разнообразных молекул. Это факторы роста, передающие сигналы от одной клетки другой, рецепторы для этих факторов роста, молекулы сигнальной трансдукции, которые запускают каскад реакций фосфорилирования в клетке, ядерные факторы транскрипции. Только согласованное действие всех этих факторов позволяет клетке выбрать путь либо дифференцировки, либо деления. Нарушение любого из этих факторов способно привести к неконтролируемому делению клетки (Е.К. Гинтер, 2003). Мутации протоонкогенов превращают их в онкогены, так как кодируемые ими белки не обеспечивают контроль за клеточными делениями. К канцерогенезу приводят мутации в генах-супрессорах в зародышевых клетках, которые могут передаваться из поколения в поколение, нормального аллеля соответствующего гена в генах, ответственных за репарацию ДНК. Известен ряд наследственных заболеваний, причиной которых являются мутации в генах, продукты которых осуществляют репарацию ДНК в случае ее повреждения. При всех этих заболеваниях резко возрастает вероятность злокачественных опухолей в различных органах и тканях больного. В клетках опухолей обычно находят фермент теломеразу, который обеспечивает восстановление длины теломеры в каждом клеточном делении. В результате такие клетки приобретают способность к неограниченному числу делений. Этапы канцерогенеза: Инициация. На данной стадии происходит взаимодействие канцерогена с локусами ДНК, содержащими гены, контролирующие деление и созревание клетки (протоонкогенами). По-видимому, в течение человеческой жизни немалое число клеток организма из общего их количества претерпевает повреждение ДНК. Однако для инициации опухоли важны лишь повреждения протоонкогенов. К инициации опухоли может привести и повреждение 65 антионкогена (гена-онкосупрессора). Инициированная клетка становится иммортализованной (бессмертной, от англ. immortality — вечность, бессмертие). Она лишается так называемого лимита Хайфлика: строго ограниченного числа делений (в культуре клеток млекопитающих обычно около 50). Промоция опухоли. На этом этапе осуществляется экспрессия онкогена; происходит неограниченная пролиферация клетки, ставшей генотипически и фенотипически опухолевой; Прогрессия опухоли — это процессы размножения малигнизированных клеток, инвазии и метастазирования, ведущие к поражению здоровых органов и тканей. К основным отличиям опухолевых клеток от здоровых можно отнести следующие (Дильман В.М.,1983): неуправляемый рост; полная независимость от сывороточных факторов роста; недостаточность «контактного торможения»; изменение адгезивности; усиленная агглютинируемость; иная форма: тенденция к приобретению клеткой шаровидной формы; изменение состава и свойств гликопротеидов цитоплазматической мембраны: снижение ее гибкости; иная организация микровключений; нарушение цитоплазматического скелета; иная реакция на регулирующие молекулы; повышение уровня анаэробного окисления глюкозы (гликолиза) с накоплением молочной кислоты; увеличение продукции протеолитических ферментов; иной уровень ц-АМФ и ц-ГМФ (снижение концентрации ц-АМФ); появление новых антигенов на клеточной поверхности; 66 способность к мобильности в тканях (образование метастазов) Вместе с тем ни одно из перечисленных отличий не относится одновременно ко всем видам клеток. Нет данных о превращении опухолевых клеток в клетки с другой тканевой специфичностью, они сохраняют тканеспецифические признаки. Опухолевые клетки отличаются от исходных лишь степенью выраженности тех или иных характеристик, т. е. различия отмечаются скорее количественные, чем качественные, и опухоль не является тканью нового типа (В.Н. Немых, 2007). Изучая свойства раковых клеток М.В. Гусев (1980) отметил, что они теряют свойства членов многоклеточного организма и как бы возвращаются к состоянию одноклеточности. По способу их функционирования они становятся подобными клеткам-паразитам и проявляют свойственную им триаду признаков: автономность (способность размножаться независимо от многоклеточного хозяина); инвазивность (способность проникать в ткани хозяина и повреждать их); способность к расселению – к метастазированию (Мотлох Н.Н., 1991). Таким образом, любое вещество, которое может нарушить координацию и взаимообусловленность процессов в клетке, способно привести к формированию нуклеопротеидного комплекса, не подчиняющегося регуляторным влияниям. Такое превращение может прямо или косвенно нарушить функцию латентного онкогена – постоянного компонента генома каждой клетки, который влияет на клеточное деление. Многие факторы среды, окружающей человека в условиях техносферы, обладают такими свойствами. Следовательно, в основе явлений канцерогенеза и тератогенеза, в конечном счете, лежат мутации. 67 Ионизирующее излучение. Последствия Чернобыльской аварии на территории ЦЧР. Особой формой загрязнения биосферы служат радиоактивные вещества и создаваемые ими ионизирующие излучения. До середины ХХ века наиболее распространенными источниками радиации, воздействующими на человека и все живое, были естественные: космические лучи, а также радиоактивные вещества, находящиеся в земной коре. В разных регионах Земли уровень природной радиации сильно различается, увеличиваясь в десятки и сотни раз в районах месторождений урановых руд, радиоактивных сланцев и других. Сегодня основными источниками радиоактивного загрязнения биосферы являются антропогенные факторы: испытания ядерного оружия, аварии на атомных электростанциях и подводных лодках и т.д. Радиоактивные вещества используются во многих промышленных производствах, в медицине для лечебных, диагностических и научных целей. Радиоактивные изотопы – элементы, атомы которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Все изотопы химических элементов образуют группу радионуклидов. Радиация представляет собой поток различных видов излучения, образующихся в процессе радиоактивного распада и вызывающих ионизацию окружающей среды (образование положительно и отрицательно заряженных ионов). Ионизирующее излучение существует в течение всего периода существования Земли, оно распространяется в космическом пространстве. Влияние источников ионизирующего излучения на организм человека начало исследоваться после открытия явления радиоактивности в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем, а затем исследовано Марией и Пьером Кюри, которые в 1898 году пришли к выводу, что излучение радия является результатом его превращения в другие элементы. Характерным примером такого преобразования является цепная реакция превращения урана-238 в стабильный нуклид свинца-206, что сопровождается высвобождением энергии, 68 которая затем передается в виде излучений (а, β, γ). Альфа-излучение является потоком положительно заряженных ядер гелия, бета-излучение – поток отрицательно заряженных быстрых электронов и гамма-излучение – коротковолновое излучение электромагнитной природы. Превращение элементов идет до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп свинца. Открытию Беккереля и исследованию Кюри предшествовало открытие неизвестных лучей, которые в 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген назвал Х-лучами, а в дальнейшем в его честь названы рентгеновскими. Распад каждого вида радионуклидов идет с различной скоростью. Время, за которое распадается половина массы данного нуклида, называется физическим периодом полураспада. Физические периоды полураспада значительно различаются. Для оценки последствий испытаний ядерного оружия, чернобыльской катастрофы практическое значение имеет знание периодов полураспада основных радионуклидов, загрязняющих различные территории: Cs 137 – 30 лет (γ-излучение); Sr 190 – 29 лет (γ-излучение); Zn 95 – 64 суток; Rn 220 – 3,8 суток; I 131 – 8 суток; С 14 – 5730 лет. Разные виды излучения обладают различной проникающей способностью: α-частицы могут распространяться на расстояние от нескольких сантиметров в воздухе до нескольких миллиметров в тканях и задерживаются листом бумаги; β-частицы проникают в покровы человеческого тела на 2 см; γ- излучение наиболее опасно, распространяется очень быстро на сотни метров со скоростью света и задержать его может только свинцовая плита. Для измерения степени радиационной опасности используются следующие показатели: экспозиционную дозу, поглощенную дозу и эквивалентную дозу, измеряемые определенными единицами. В радиобиологии с 1984 г. приняты единицы системы СИ. Экспозиционная доза для оценки гамма- и рентгеновского облучения. 1 рентген – единица экспозиционной дозы и рентгеновского излучения. 69 Поглощенная доза – это количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы организма или какого-либо физического тела, зависит от вида облучения. 1 грей (Гр) – единица поглощенной дозы в системе СИ, 1 Гр = 1 Дж/кг. 1 рад – внесистемная единица поглощенной дозы, 1 рад = 0,01 Гр. Эквивалентная доза учитывает неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения. Эквивалентная доза равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент для каждого вида облучения. 1 зиверт (Зв) – единица эквивалентной дозы в системе СИ. 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг для рентгеновского, бета- и гамма- излучений. 1 бэр – биологический эквивалент рентгена, 1 бэр = 0,01 Зв. Эффективная эквивалентная доза отражает суммарный эффект облучения для организма. Определяют путем умножения эквивалентных доз на соответствующие виду ионизирующего облучения коэффициенты и суммированная по всем органам и тканям. Измеряется в зивертах. В расчетах, определяющих риск для человеческих популяций развития отдаленных последствий облучения, применяется понятие генетически значимая доза. Она представляет собой 40 % от коллективной эквивалентной дозы, так как принято считать, что 40 % популяции – это люди детородного возраста и генетические последствия облучения могут быть реализованы только через эту группу. Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем облучении. От естественных источников человек получает дозу – 2 мЗв в год. Наибольшую долю естественных источников составляют земные источники, причем 5/6 всей радиации от них приходится на внутреннее облучение. Оно осуществляется от попадающих в организм радионуклидов (с пищей, водой, при вдыхании, через поврежденную и здоровую кожу) и представляет большую 70 опасность, так как попавшие внутрь источники ионизирующего излучения подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы. После аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) Cs-137 оказался наиболее радиоэкологически значимым в силу своей летучести распространившийся на огромные расстояния от места аварии. Территории России, подвергшиеся радиоактивному загрязнению составляют общей площадью 147 тыс. км 2 , население – 2,4 млн. человек, в том числе 783, 7 тысяч детей (рисунок 10). Рис. 10. Плотность загрязнения цезием -137 на территории России На пострадавших в результате аварии на ЧАЭС территориях РФ, включающих Брянскую, Калужскую, Тульскую, Орловскую, Ленинградскую, Смоленскую, Тамбовскую, Липецкую, Белгородскую, Воронежскую, Пензенскую, Ульяновскую и Челябинскую области, Алтайский край, Красноярский край реализуется федеральная целевая программа «Преодоление последствий радиационных аварий на период 2011-2015 годы». Мониторинг доз облучения населения, проживающего на загрязненных территориях, позволяет сделать вывод, что в настоящее время превышение норматива среднего годового облучения населения в 1 мЗв (вследствие аварии 71 на ЧАЭС) регистрируется в 321 населенном пункте Брянской и 2 населенных пунктах Калужской областей. Накопленные дозы облучения у абсолютного большинства проживающих на загрязненных территориях в настоящее время не превышают установленного норматива 70 мЗв (за 70 лет жизни). Однако, до настоящего времени учреждениями Роспотребнадзора периодически регистрируется превышение гигиенических нормативов в дикорастущей пищевой продукции (ягоды, грибы, рыба местных закрытых водоемов, дичь), а также в продукции из личных подсобных хозяйств (молоко) в Брянской и Калужской областях. В Брянской области за 2010 год 8% исследованных проб вышеуказанных видов продукции, превышали гигиенические нормативы, по её юго-западным районам этот показатель достигает 12%. Концентрация радионуклидов в почве ЦЧР не создаёт угрозы для урожая: содержание цезия-137, стронция-90 в пищевых продуктах, произведённых на территориях, пострадавших после аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году, не превышает норм СанПина. Годовая доза облучения на каждого жителя Центрального Черноземья соответствует среднему показателю по РФ. Почти 90% радиоактивных излучений, входящих в вышеуказанную дозу, исходит от природных источников, и только 10% – от объектов и предметов медицины, последствия Чернобыльской аварии составляют всего 0,1%. Радиоактивные изотопы попадают сначала в почву, оттуда – в растения, а затем – в домашний скот, при этом их концентрация возрастает (рисунок 11). Стронций-90 – химический аналог кальция, поступает с растительной пищей (особенно со злаками), молоком, сыром, творогом, накапливается в костной ткани человека и фиксируется в ней, это может привести к лейкозу или опухоли кости. Цезий-137 попадает в организм человека с мясом и растительной пищей. Как аналог калия равномерно распределяется в тканях, но концентрируется в мышцах, печени, половых железах, создавая тем самым очаги постоянного облучения, что может привести к возникновению лучевой болезни с различными формами ее проявления. Цезий-137 относительно легко выводится 72 из организма (период полувыведения 65-100 суток), поэтому он менее опасен, чем стронций-90 (В.В. Маркина, 2006). Особенности накопления радиоактивных элементов в организме человека представлены на рисунке 12. Рис. 21. Накопление радиоактивных элементов в организме человека Рис. 12. Накопление радиоактивных элементов в организме человека (по В.С. Савенко, 1997). Рис. 11. Модель переноса и накопления радиоактивных изотопов стронция-90 и цезия-137 (П. Фабр, 1976, с изменениями В.В. Маркина, 2006). 73 Время, за которое удаляется из организма половина попавшего нуклида, называется биологическим периодом полураспада. Эффект от сочетания физического и биологического периодов полураспада называется эффективным периодом полураспада. Во внутреннем облучении велика значимость такого радионуклида, как радон (газ, смесь изотопов Rn 220 и Rn 222 ), который может попадать в организм из земной коры, из строительных материалов (гранит, мрамор, известняк, кальций – силикатный шлак, кирпич из красной глины и др.), из воды и газа. Ионизирующее излучение является реальным мощным экологическим фактором, воздействующим на все живое, оно обладает общебиологическим действием: является сильным мутагенным фактором; подавляет процессы эмбриогенеза, механизмы, регулирующие процессы дифференцировки; снижает регенераторную способность, иммунную защиту организма; ускоряет процессы старения, укорачивает продолжительность жизни. Мерой радиочувствительности является доза облучения, вызывающая гибель 50 % клеток или организмов за определенный промежуток времени – ЛД 50/время . У разных биологических объектов этот показатель может отличаться в десятки, сотни, тысячи раз. Радиочувствительность зависит от: объема и структуры генома: чем больше ДНК, чем сложнее ее структура, тем радиочувствительность выше (у бактерий ЛД 50 – 1800 Гр, у человека – 2,5 Гр); активности ферментов репарации; уровня антиоксидантов; количества предшественников радиотоксинов; способности организма (органа, клеток, ткани) накапливать радиоактивные вещества; 74 уровня процессов пролиферации (активно пролиферирующие ткани называются критическими, например, клетки эпителия, кроветворная ткань); времени суток (ночью выше); величины дозы излучения и характера его действия (прерывистое действие излучения снижает радиочувствительность по сравнению с однократным: однократное облучение обусловливает 100 %-ую гибель при 10 Гр, прерывистое – 100 %-уюпри 85 Гр); периода онтогенеза: особенно высока радиочувствительность в критические периоды внутриутробного развития (оплодотворение, имплантация, органогенез), постнатального развития (новорожденность, первый год жизни, пубертатный возраст, старение); фазы клеточного цикла (G 1 -период высокорадиочувствителен, S- фаза — устойчива). Радиационное поражение клетки проходит ряд этапов: первичные радиационно-физические процессы (образование свободных радикалов, радиационное повреждение углеводов, липидов, радиационное поражение нуклеиновых кислот); радиационное поражение биохимических процессов, опосредованное усиление радиационного эффекта; вторичное поражение генома; гибель клетки. Помимо прямого влияния, ионизирующее излучение оказывает на ткани также косвенное воздействие, выражающееся в радиолизе воды и последующем накоплении в организме атомов или групп атомов, обладающих высокой химической активностью – свободных и перекисных радикалов. Такие радикалы изменяют в клетках баланс кальция, увеличивают проницаемость мембран, нарушают биосинтез белков, что сказывается на активности различных ферментов, нарушается обмен веществ, происходят изменения в составе крови – снижается уровень 75 эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Свободные и перекисные радикалы вовлекают в процесс повреждения даже те молекулы, которые не затронуты прямым действием радиации. Производимый излучением эффект создается не столько количеством поглощенной энергии, сколько формой, в которой эта энергия передается. Радиационно-химическое превращение липидов приводит к изменению структуры и функций всех мембран, в результате чего нарушаются такие процессы в клетке, как транспорт ионов, биоэнергетические процессы, репликация ДНК, синтез белка и другие, происходят выход ферментов из лизосом и вторичное поражение клетки. При высоких дозах могут быть инактивированы системы антиоксидантов. Как при тотальном, так и при частичном облучении организма во всех его тканях и органах возникают и развиваются во времени процессы, индуцированные излучением. Они могут принимать разные формы и разную интенсивность на уровне каждой ткани, но на уровне организма все эти процессы интегрируются, формируя конечный результат облучения (таблица 17). Таблица 17. |